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激光驅(qū)動高效耦合的煙火光開關(guān)設計

2013-10-11 07:46:38曹椿強賀愛鋒陳建華徐奉一
火工品 2013年5期
關(guān)鍵詞:形槽火工品火光

曹椿強,賀愛鋒,陳建華,井 波,徐奉一

(陜西應用物理化學研究所 應用物理化學國家級重點實驗室,陜西 西安,710061)

隨著高科技軍事技術(shù)的不斷發(fā)展,武器系統(tǒng)對高安全性、高可靠性火工品的需求是一種必然趨勢?;鸸て肥俏淦鲝椝幹休^為敏感的部件,應用高安全性、高可靠性火工品能夠提高武器系統(tǒng)的突防性能和毀傷效果。激光火工品技術(shù)是采用光纖傳輸激光能量,使裝藥作用而完成輸出功能的。由于光纖、激光火工品不受任何形式的電能作用影響,故能從根本上解決火工品的電磁兼容安全問題[1]。

光開關(guān)是激光多路點火起爆系統(tǒng)中必不可少的組成部分,在系統(tǒng)中不僅可以起安保作用而且可以通過它實現(xiàn)程序控制點火起爆功能。但以往的激光點火控制起爆系統(tǒng)中采用了以電驅(qū)動的機械式的光開關(guān)作為安保機構(gòu),由于其存在抗干擾能力差、啟動時間長、振蕩大等原因,造成激光點火起爆系統(tǒng)的可靠性降低。而激光驅(qū)動煙火光開關(guān)是以抗電磁干擾強的激光煙火驅(qū)動方式來實現(xiàn)激光點火起爆系統(tǒng)中光能量的隔斷與傳輸,其不僅比電驅(qū)動機械式光開關(guān)的抗干擾能力強、作用時間短,而且避免了電驅(qū)動機械式光開關(guān)作用時的瞬間振蕩,可極大提高激光點火起爆系統(tǒng)的可靠性。

1 工作原理

1.1 作用過程分析

激光驅(qū)動煙火光開關(guān)是將激光點火技術(shù)與精密機械做功機構(gòu)集成創(chuàng)新而成的較為典型的動力源火工品,激光驅(qū)動煙火光開關(guān)由標準輸入接口、激光換能元、裝藥、活塞運動機構(gòu)、光學耦合機構(gòu)等組成。該類型火工品采用小型化半導體激光器作為能源,用光纖傳輸激光能量,利用激光的熱效應直接加熱激光敏感藥劑,使其發(fā)生熱分解,形成“熱點”而發(fā)火[2],點燃輸出裝藥。輸出裝藥燃燒所產(chǎn)生的高溫、高壓氣體推動活塞向后運動實現(xiàn)光路導通或隔斷控制功能。

1.2 受力分析

藥劑燃燒產(chǎn)生的氣體壓力克服產(chǎn)品內(nèi)部活塞的運動阻力。激光驅(qū)動煙火光開關(guān)在運動過程中,活塞內(nèi)部運動阻力主要是密封圈與殼體內(nèi)壁的密封阻力、止退機構(gòu)變形阻力與活塞的運動摩擦阻力。止退機構(gòu)與活塞之間的受力過程復雜,計算與實際相差甚大,在結(jié)構(gòu)確定后,可通過試驗測定激光驅(qū)動煙火光開關(guān)組合件內(nèi)部活塞的運動阻力?;钊\動平均阻力記為F內(nèi)部,所以產(chǎn)品活塞運動所需克服的阻力為[3]:

考慮產(chǎn)品設計應有一定的裕度,取裕度系數(shù)為1.8,則點火器發(fā)火對活塞所產(chǎn)生的氣體壓力為:

在產(chǎn)品作用過程中,活塞運動,激光驅(qū)動煙火光開關(guān)容腔體積不斷增加,氣體膨脹做功,溫度隨之不斷下降,容積、溫度是變量。為簡化計算,在估算時按定容情況處理,激光驅(qū)動煙火光開關(guān)容腔內(nèi)的爆壓P可表示為

(3)式中:S為激光驅(qū)動煙火光開關(guān)活塞受力有效面積,m2。

2 結(jié)構(gòu)設計

2.1 結(jié)構(gòu)組成

激光驅(qū)動煙火光開關(guān)由發(fā)火體、金屬殼體、活塞組件、耦合組件和墊圈等零、部件組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光驅(qū)動煙火光開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure sketch of laser driven pyro-optical switch

2.2 發(fā)火體設計

發(fā)火體是將激光能轉(zhuǎn)化成藥劑燃燒生成大量氣體的部件,為活塞的運動提供動力。發(fā)火體由發(fā)火體殼體、光學窗口與光敏藥劑等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)火體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure sketch of ignition element mechanism

發(fā)火體接口采用標準FC/PC,可實現(xiàn)與同標準接口光纜插拔對接。發(fā)火體與殼體采用螺紋對接,并用固化膠密封。

2.3 活塞組件設計

活塞是產(chǎn)品完成輸出性能的終端零件,產(chǎn)品作用后應向外運動,使活塞桿上的φ2mm小孔與透鏡對齊,導通光路。因產(chǎn)品外形尺寸限制,活塞桿外徑僅為4.6mm,活塞末端厚度為1.3mm,為提高活塞的可加工性及抗彎曲強度,其材料選用1Cr18Ni9Ti?;钊M件結(jié)構(gòu)見圖3。

圖 3中止退片與活塞之間采用激光焊接方式連接,活塞材料、尺寸、焊接方式確定之后,主要對焊接的各項參數(shù)進行研究,其中焊接激光功率是最為關(guān)鍵的一項參數(shù)。激光能量若過高,容易造成止退片受損、被焊穿的現(xiàn)象,降低產(chǎn)品作用過程中活塞抗沖擊強度;激光能量若過低,止退片焊接不牢固,容易使產(chǎn)品在裝配過程中造成止退片脫落,無法對活塞進行位置限制。鑒于此,設計專用工裝以提高止退片的焊接同軸度,并裝配30余發(fā)止退片進行焊接工藝試驗,最終確定止退片的焊接激光功率為500W,經(jīng)多個批產(chǎn)品裝配及試驗驗證,其可以滿足設計要求。

圖3 活塞組件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure sketch of components for piston

2.4 耦合部件設計

耦合組件主要由一對光纖準直器、V形槽耦合器、傳輸光纜和光纖接頭組成。耦合組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 耦合組件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure sketch of coupling components

耦合器通過螺釘與光開關(guān)殼體連接。耦合器上表面中間有橫截面成90°的V形槽,用來固定光纖準直器,表面要求一定的光潔度,然后將一對光纖準直器順著V形槽的方向用固化膠固定在槽內(nèi)。V形槽正中留有垂直于耦合器本體方向的長圓形通孔,在活塞桿運動時起導向和通道的作用,防止活塞在運動中沿橫向轉(zhuǎn)動而阻斷光路通道。光纖準直器通過固體膠粘結(jié)于耦合器的V形槽內(nèi),且準直器的鏡面端面離耦合器中的長圓形通孔的邊緣 1mm,不能超出,以防活塞桿運動時剮蹭到準直器,V形槽結(jié)構(gòu)可以提高兩個光纖準直器的同軸性,以得到更高的耦合效率。

2.5 裝藥設計

激光驅(qū)動煙火光開關(guān)是由激光束作能源的,故始發(fā)裝藥需是激光敏感藥劑,目前應用比較成熟的激光敏感藥劑為摻雜碳黑的BNCP[4]。

按照 GJB 377-87感度試驗用升降法,對裝有BNCP的激光發(fā)火體進行了感度試驗[5],通過對感度試驗數(shù)據(jù)進行分析,得出BNCP發(fā)火體的99.99%發(fā)火刺激量為0.869mJ,在0.95置信度下,最小全發(fā)火刺激量為1.204mJ,對其進行裕度考慮,BNCP發(fā)火體的激光激發(fā)能量選擇為3.0mJ。

在此基礎上,采用BNCP裝配了12發(fā)不同藥量的產(chǎn)品,進行藥量試驗,試驗結(jié)果見表1。

表1 不同裝藥藥量試驗結(jié)果Tab.1 Test result of different mass of charge

根據(jù)活塞的運動情況可以看出,BNCP藥量在10~20mg時滿足性能要求,對其進行裝藥裕度考慮,要求減少輸出裝藥藥量(1-20%)及增加輸出裝藥藥量(1+20%)時,均可以滿足產(chǎn)品輸出功能要求的原則,故BNCP藥量在12.5~16.7mg均滿足使用,定為15mg。

3 激光驅(qū)動煙火光開關(guān)性能試驗

采用980nm波長、脈寬10ms半導體激光器,對所試制的激光驅(qū)動煙火光開關(guān)按照圖5的發(fā)火試驗裝置進行了發(fā)火試驗,取得的試驗數(shù)據(jù)如表2所示,波形圖如圖6所示。

圖5 發(fā)火試驗系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of firing test system

從表2試驗數(shù)據(jù)可以看出,BNCP裝藥的煙火光開關(guān)的導通時間小于 1ms,耦合組件的耦合效率超過85%。

圖6為激光驅(qū)動煙火光開關(guān)發(fā)火試驗的波形圖。其中曲線1為激光同步信號,計時起點為曲線1的上升沿,曲線 2為激光驅(qū)動煙火光開關(guān)的光路由常閉變常開的輸出信號。從圖6可以看出,激光驅(qū)動煙火光開關(guān)在開關(guān)打開時無振蕩。

表2 激光驅(qū)動煙火光開關(guān)性能試驗結(jié)果Tab.2 Result of performance test for laser driven pyro-optical switch

圖6 激光驅(qū)動煙火光開關(guān)發(fā)火試驗波形圖Fig.6 Firing test waveform of laser driven pyro-optical switch

4 結(jié)論

通過對激光驅(qū)動煙火光開關(guān)的分析研究,得出結(jié)論:

(1)研制出V形槽式耦合組件結(jié)構(gòu)的激光驅(qū)動煙火光開關(guān),導通后耦合效率大于85%;

(2)BNCP激光感度高、作用快,作用時間小于1ms,且含能材料作用后燃氣壓力能確保導通瞬間無振蕩;

(3)研制了激光驅(qū)動煙火光開關(guān)原理樣機,其特點是結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高、穩(wěn)定導通時間短、抗電磁干擾、導通波形振蕩小、抗振動能力強,并可實現(xiàn)標準化。

[1]Wm.David Fahey,Joseph E.Carvalho. Optical built-in- test(bit)for laser (diode) initiation systems[R].AIAA 2002-3797,2002.

[2]蔡瑞嬌.火工品設計原理[M].北京:北京理工大學出版社,1999.

[3]魯建存,張世敏,原樂生,張瑞巧.拔銷器燃動過程分析[J].火工品,1997(1):23-25.

[4]Everett S.Hafenrichter, Bill Marshall and Kevin J.Fleming.Fast laser diode ignition of CP and BNCP[C]//Proceedings of the 29th International Pyrotechnics Seminar. Westminster:2002.

[5]賀愛鋒,陳建華,井波,魯建存. 一種激光感度刺激能量調(diào)節(jié)方法及其計算[C]//智能火工品技術(shù)學術(shù)研討會論文集.綿陽:中國兵工學會火工煙火分會,2012.

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