【《激光点火器设计的理论基础综述》3600字】

激光点火器设计的理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u7032激光点火器设计的理论基础综述 178841.1激光点火技术的理论背景 173221.2激光点火器壳体设计理论背景 3326991.1.1激光点火器螺纹强度校核 394471.1.2激光点火器壳体强度校核 5238491.3激光点火器的装药量设计计算理论 5170911.4高能炸药状态方程理论 71.1激光点火技术的理论背景激光点火技术主要应用于陆军弹炮系统、空军飞机逃生系统、火箭弹和导弹的直列式点火系统等领域。激光器的问世，科技人员就将其应用于火工技术。国内外对于激光点火技术的巨大投入研究，主要在于它具有良好的安全性。第一，在激光点火中，使用光纤代替了导线，由光能起爆代替了传统的电能起爆，阻隔了含能药剂与电系统的直接接触，消除了电磁干扰、静电泄放等不安全因素，大大提高了火工品的抗电磁干扰能力；第二，激光直列式点火系统能够极大地适应安全电子保险和解除保险装置；第三，激光二极管质量轻、体积小、结构均匀，对武器系统的小型化有好处，并且激光点火系统仅需要很小的能量输入就可以启动，这也有利于驱动激光器装置的小型化设计。1992年，美军标MIL-STD-1901《火箭弹、导弹发动机点火系统安全设计准则》中，将激光直列式点火系统推荐用于火箭弹和导弹等点火系统。激光点火系统主要是由安全保险与解除保险装置、激光驱动电源、激光器、光纤连接器及激光点火器五部分组成，其中激光器与光纤连接器、激光连接器与激光点火器由光纤连接起来，示意图如图1所示。其工作原理如下：当安保装置解除保险后，激光驱动电源为激光器连续驱动电源，使激光器产生足够功率和一定波长的激光，激光通过光纤最终到达点火药剂表面，最终实现点火。图1激光点火系统组成示意图Fig.1CompositionDiagramoflaserignitionsystem本论文根据技术条件，对激光点火器进行重点设计及研究，激光点火器的设计关键在于光纤密封技术及光纤和药剂之间的耦合技术，一般有光纤尾式结构、光纤脚式结构和光学窗口式结构三种[48]，分别如图2所示，光纤尾式结构是将光纤一端直接密封进点火器中，另一端与激光器相连，光纤与点火药剂的耦合方式为直接接触式连接；光纤脚式结构是预先将一段光纤封装进点火器中，然后通过光纤连接器与激光器的尾纤连接，这种结构与药剂的耦合方式也是直接接触式连接；光学窗口式结构是预先将一个具有良好强度和透光性能好的玻璃材料作为窗口封装在点火药剂与光纤尾纤之间，尾纤通过连接器与其连接。 （a）光纤尾式结构 （b）光纤脚式结构（c）光学窗口式结构1—点火器壳体；2—点火药剂；3—光学窗口片；4—光纤图2光纤与激光点火器的耦合结构Fig.2CouplingStructureoffiberandlaserigniter激光点火器通常使用光纤尾式结构和光学窗口式结构。光纤尾式结构是预先将与激光器相连的光纤使用有机玻璃直接密封进点火器壳体中，然后再压药，这种结构的优点是激光能量能够直接与点火药剂接触，避免了能量的损耗，缺点是易受管壳的空间影响，光纤表面不容易加工，且带有光纤尾的火工品压药工艺比较复杂，易损坏光纤。光学窗口式结构是先将点火药剂压入点火器中，然后再将光学窗口片放入点火器中与光纤进行连接，其优点首先比光纤尾式结构工艺简单，压药过程不带光纤尾，可以简化光纤端面加工及压药工艺，操作比前者简单；其次，在试验使用过后可以将光学窗口取下，研究其在点火过程中的性能变化，并且可以重复使用。缺点是点火药剂与光学窗口片之间会留有很小的空隙，这个空隙会导致激光发散，造成光斑的功率密度降低；此外，光窗材料会使激光功率有衰减。激光点火器的光学窗口材料要求具有良好的透光性和与点火药剂良好的相容性。常用的光学窗口片有云母片、蓝宝石玻璃片、石英玻璃片、k9玻璃片和赛璐珞片，其透光性都比较好，功率损耗也相当接近。1.2激光点火器壳体设计理论背景1.1.1激光点火器螺纹强度校核激光点火器作为激光点火系统中的重要组成部分，对其进行结构设计、理论计算和相关计算校核有着十分重要的作用。激光点火器在实际使用过程中通常是通过螺纹与火箭弹发动机、半导体激光器等需要点火的装置连接的，当发动机作用时点火器的螺纹也会受到高温高压的作用，为避免高温高压气体的泄露导致燃烧室内外气压不稳定而发生安全隐患，需要对点火器的螺纹强度（剪切强度和抗压强度等）进行裕度设计和强度校核。通过安全系数n来表征螺纹材料强度（剪切强度和抗压强度等）的裕度设计，安全系数n是设计载荷与使用载荷之比，即将影响载荷的未知因素和影响强度分散性的未知因素用增加设计载荷的方法来修正[49]。螺纹材料的剪切强度τb和许用剪切强度[τ]分别是 （2-1） （2-2）式中，σb—拉伸强度，MPa；k—剪切系数；n—安全系数。点火器本体螺纹所受的剪切应力也可以表示为： （2-3）式中，Pm—点火器燃烧产生的最大压力；d1—螺纹小径；（螺纹小径=公称直径-1.0825×螺距）d2—螺纹大径；δ—螺距；z—螺纹扣数。则点火器的设计裕度为： （2-4）螺纹抗压强度为： （2-5）材料许用抗压强度为： （2-6）本研究设计的点火器本体与发动机前封头用M8×0.75mm的螺纹连接，外径与内径之比为8/3，与光纤连接器用M6×0.75的螺纹连接，外径与内径之比为7/6，燃烧后的最大压力Pm=10MPa，材料选用不锈钢，其抗拉强度σb=515MPa，条件屈服强度σ0.2=205MPa，伸长率δ5≥40%，密度ρ=7.93g/cm3，将以上数据代入式(2-1)~(2-7)中，得到点火器的螺纹校核计算结果如表2-1所示。表2-1点火器螺纹校核计算结果Tab2-1CalculationResultsofigniterthreadcheck螺纹种类剪切应力/MPa许用剪切应力/MPa抗剪切设计裕度抗压强度/MPa许用抗压强度/MPaM8×0.75mm5.4154.528.61.3257.5M6×0.75mm4.2154.536.81.8257.5从以上计算结果来看，M8×0.75的螺纹在受到10MPa压强的压力后，受到的剪切应力为5.4MPa，而不锈钢材料的许用剪切应力为154.5MPa，远远大于螺纹受到的剪切应力，其设计裕度为28.6，所以，其连接螺纹能够承受燃气压力的剪切作用，在点火药剂发火后，螺纹能够保证完好，设计合理；同样的，螺纹所受抗压强度远远小于不锈钢的许用抗压强度，螺纹能够承受压力作用，螺纹设计合理。同理M6×0.75螺纹设计合理。1.1.2激光点火器壳体强度校核壳体强度设计可参照厚壁圆筒体爆破失效经验公式[50]： （2-7）式中，Pb—爆破失效作用力(MPa)；σ—材料许用应力(MPa)；σs—材料屈服强度(MPa)，一般用σ0.2代替；σb—材料拉伸强度(MPa)；k0—筒壁外径与内径之比。本设计激光点火器壳体外径为7mm、内径为3mm，材料选用不锈钢，材料许用应力为257.5MPa，屈服强度为205MPa，拉伸强度为515MPa，将这些参数带入式(2-7)中，可得爆破失效作用力为401.7MPa。在DOD-E-83578航天飞行器爆炸器材通用规范中，要求火工品驱动装置应该能承受1.5倍最大工作压力载荷，按设计裕度1.5计算，允许最大爆压值为268.5MPa。当点火器工作时的爆压峰值超过268.5MPa时，将会出现壳体破坏。1.3激光点火器的装药量设计计算理论激光点火器通常是在一自由容腔内对火箭发动机、燃气发生器等需要被点火的装置做功，其输出可以用压力—时间曲线来表示，因此，输出可靠性设计主要是以点火药剂装药量设计为核心。点火药剂装药量的设计计算可以用诺贝尔-阿贝尔余容状态方程[51]表示： （2-8）式中，Δ—装填密度，Δ=W/V0（V0为密闭容积；W为药量）；α-余容；Pm-输出压力；M-气体摩尔质量；R0-普适气体常数；T-爆温。令火药力（或爆炸力）为 （2-9）则诺贝尔-阿贝尔方程为 （2-10） （2-11） （2-12）当火工元件内装两种点火药剂时，有 （2-13） （2-14）当已知引燃药量W1时，可以求出主点火药量W2： （2-15）如果已知点火药剂的火药力、余容、容积和输出峰值压力，可根据式（2-15）求出点火药量。已知点火药量W1、W2时，可根据式（2-14）计算出输出峰值压力。在非密闭和有散热条件下，式（2-12）可写为[52]： （2-16）式中，W—点火药剂装药量（kg）;Pm—点火药剂燃烧后产生的压力（kg/cm2）;V—总容腔（cm3）;Kp—修正系数，取0.7；α—点火药剂余容（cm3/kg）;f—火药力（或爆炸力）（J/kg）。1.4高能炸药状态方程理论高能炸药是给予适当的能量激励就能极快的（微秒级）发生化学反应的化学物质，同时释放出大量能量。在爆轰流体动力学理论[53]中，这个极短的时间间隔无限接近于零，并假定爆轰波不连续，瞬间掠过未反应的材料，释放能量并将炸药转为爆轰产物。因此高能炸药爆轰生成物的状态方程的形式一直是以一种不同于惰性材料的方式来得到的。但这里需要注意的是：除了研究高能炸药的冲击起爆或爆轰形成这类问题外，几乎没有必要推导惰性炸药的状态方程，因为如果高能炸药尚未爆轰，那么惰性炸药就处于静止状态，因此它的条件很容易确定。通常会发现：对于多数所研究的高能炸药，测量到的爆轰速度D是载荷密度ρ0的线性函数，即： （2-17）在数值模拟程序中，常用的爆轰产物状态方程有BKW（Becker-Kistiakowsky-Wilson状态方程、JWL（Jones-Wilkins-Lee）状态方程和Lee-Tarver炸药点火和增长模型三种。本研究对激光点火器壳体的有限元模拟分析使用JWL状态方程分析计算。JWL状态方程是描述炸药爆轰产物做功能力的一种不显含化学反应的形式，在炸药爆轰及爆炸驱动的数值模拟中广泛采用。1956年美国LawrenceLivermore实验室的E.L.Lee等人在Jones和Wilkins的工作基础上提