【《激光点火器关键参数试验研究》7100字（论文）】

激光点火器关键参数试验研究目录TOC\o"1-3"\h\u3318激光点火器关键参数试验研究 1199981.1激光点火器关键参数试验研究方案 197781.2激光点火药剂的确定 4295681.2.1激光点火器所用点火药剂 4210921.2.2试验原理及内容 6191961.2.3试验结果及分析 693051.3点火药剂掺杂试验研究 715411.3.1掺杂试验相关研究概况 7128391.3.2掺杂试验原理及内容 8110101.3.3试验结果及分析 9139771.4激光点火器装药密度的确定 11101251.1.1装药密度相关研究概况 11304561.1.2装药密度试验原理及内容 12188361.1.3试验结果及分析 12225521.5激光点火器光学窗口片的确定 13324361.5.1光学窗口片相关研究概况 1394281.5.2光学窗口片选择试验原理及内容 14295141.5.3试验结果及分析 141.1激光点火器关键参数试验研究方案在对激光点火器及其关键零部件的设计和相关有限元模拟仿真后，从理论上认为激光点火器满足试验使用，需要通过试验验证，一方面确定激光点火器设计的合理性与安全可靠性，另一方面可以确定点火药剂的关键使用参数，为激光点火器的优化和点火药剂的优化提供试验依据。根据技术要求，为验证整个激光点火器设计方案的可行性，制定的试验方案如下：本研究通过激光点火器点火试验研究，确定的参数包括：点火药剂的选择、药剂掺杂种类及其最佳百分比、装药密度、光学窗口片的选择。采用改变单一变量，其他变量不变的方法进行研究。第一，对几种性能稳定的点火药剂进行点火试验，选择点火能量最小的点火药剂进行下一步试验研究；第二，使用第一步确定的点火药剂，分别对其掺杂不同的吸光物质和不同掺杂百分比，进行点火试验，选择点火能量最低的掺杂药剂及百分比进行下一步试验研究；第三，使用第一、第二步确定的点火药剂和掺杂物质及掺杂百分比，通过改变装药压力改变点火药剂的装填密度，进行点火试验，确定该种点火药剂点火能量最小的装药密度；第四，使用前三步确定的点火药剂状态，改变激光点火器中光学窗口片的种类，进行点火试验，确定点火能量最小的光学窗口材料。通过以上试验步骤，能够确定本次激光点火器中使用的点火药剂种类、掺杂吸光物质及掺杂百分比、点火药剂装药密度和光学窗口片材料等重要参数。试验过程全程在防爆箱中操作，试验系统由激光器、防爆箱、激光点火器、光纤、光纤连接器、光纤显微镜组成，其中激光器采用的是能量可调的半导体激光器，其参数为：中心波长808nm，中心波长偏差±10nm，输出功率范围是0～30W；对接光纤芯径是400um，该激光器设计有一独立的屏幕用于显示输出激光的功率，方便得到激光点火试验中药剂点火的功率；光纤显微镜选用深圳市新康晶科技有限公司提供的FVP800-Q手持式光纤显微镜，本试验使用光纤显微镜的目的是为避免点火药剂产生烟雾会造成光纤表面变黑或产生脏污，导致其所传输的光能量聚集在脏污点，随着使用时间的增加，脏污点慢慢演变为烧点，如未发现烧点继续使用则会造成使用障碍甚至安全隐患。正常光纤端面和光纤端面被烧蚀的光纤端面图如图4-1所示。光纤在每发试验之前使用棉花蘸取酒精对光纤端面进行清洁，通过调节聚焦轮，找到最清晰的观测点对光纤两端进行检查，该显微镜清晰度高达0.75μm，可以放大200倍。本研究测试激光点火器关键参数试验系统示意图如图4-2所示。实物图如图4-3所示。 （a）正常光纤端面 （b）光纤端面烧点图4-1光纤端面图Fig.4-1OpticalFiberendview图4-2激光点火器关键参数试验系统示意图Fig.4-2SchematicDiagramofkeyparameterstestsystemoflaserigniter图4-3激光点火器关键参数试验系统实物图Fig.4-3PhysicalDiagramofkeyparameterstestsystemoflaserigniter1.2激光点火药剂的确定点火药剂是在外界初始冲能作用下，发生快速燃烧反应，放出大量热、气体和灼热的固体残渣，引燃烟火药、火药和炸药等火工药剂[49]。现广泛应用于发射药、推进剂、炸药和烟火药等各种点火器中。使用不同种类的点火药剂产生的燃气压力不同，残留产物也不同，本研究对几种常用的点火药剂进行试验分析，选用激光感度最大的点火药剂进行下一步试验。1.2.1激光点火器所用点火药剂激光点火系统通过光纤实现能量到药剂的传递，避免了药剂与外界的直接联系，从根本上保证了该类火工品的抗静电、杂散电流等电磁安全性[50]。本论文通过B/KNO3、BNCP(高氯酸·四氨·双(5-硝基四唑)合钴(Ⅲ))、四氯·六硝基偶氮苯、四氨基·六硝基偶氮苯四种药剂的点火试验对比，以点火能量大小为标准，旨在寻找一种对激光敏感度最高的点火药剂，并对该药剂满足国军标使用为标准，提出一种激光点火专用点火药剂。硼硝酸钾（B/KNO3）点火药剂是一种性能良好的高能点火药，也是一种不敏感、高安全、高热值的激光敏感点火药。1992年美国发布的美军标MIL-STD-1901《火箭弹和导弹发动机点火系统设计安全准则》中，把B/KNO3列为火箭发动机直列式点火系统许用的点火药[51-53]。它具有点火能力强、热值高及安全钝感等优点，火焰温度高达3000K以上，点火压力较低，点火延迟期短，压力上升速率快，在常规武器、航空航天中得到了广泛的应用。激光点火器作为一种直列式点火起爆装置，许用点火药剂为B/KNO3，本研究将B/KNO3作为其他点火药剂的参考标准，需要对其进行激光点火试验。高氯酸·四氨·双（5-硝基四唑）合钴（Ⅲ）（BNCP）[54]是20世纪90年代合成出的一种性能优异的新型钝感起爆药，具有较好的耐热性和热安定性[55]，机械感度处于PETN和RDX之间，火焰、静电火花感度都明显钝感于Pb(N3)2、LTNR等常规起爆药[56-57]，耐压性和真空安定性及与有关火工品材料的相容性良好。具有光敏性质，适用于激光、热桥丝的点火与起爆、可以代替斯蒂芬酸铅和叠氮化铅用于军工小型火焰雷管，具有可靠的发火、输出性能。目前，国内外已经将BNCP广泛应用于激光雷管、点火元件、半导体桥雷管和安全钝感电雷管中。近些年来，提高含能材料的高能量密度、耐热性是含能材料领域的重要发展方向[58-62]。新型结构高能材料的合成难度较大，需要研究周期较长，因此，更多的是在现有的母体结构上引入含能基团[63-65]。本研究选用四氯·六硝基偶氮苯和四氨基·六硝基偶氮苯两种偶氮苯硝基衍生物作为研究对象，其最终产物具有良好的安定性、热稳定性，是应用前景广泛的新型耐热含能材料，通过点火试验测得其点火性能。四种点火药的物理化学特性如表4-1所示：表4-1四种点火药的物理化学特性表Tab.4-1Physicalandchemicalcharacteristicsoffourkindsofignitionpowder药剂名称药剂状态密度（g/cm3）热分解温度（℃）机械感度H50（cm）火焰感度（cm）爆速（m/s）B/KNO3黑色颗粒状1.70312℃22<3.5—BNCP深橘色粉末状2.03289.817<2.0—四氯·六硝基偶氮苯浅橘色粉末状1.85354℃31<2.0大于8000四氨基·六硝基偶氮苯红色粉末状1.83343℃25<2.0大于80001.2.2试验原理及内容试验原理：本试验使用同一种光学窗口片、相同压药压力条件下，对四种点火药剂不掺杂任何吸光物质在常温常压下进行激光点火试验，试验过程通过改变激光器的输出功率，确定不同点火药剂的点火能量，为验证试验的可重复性和准确性，对每种点火药剂分别进行5发试验，本次试验不对点火药剂进行掺杂，使用石英玻璃片为光学窗口片，每发激光点火器中装药量为36mg，18mg+18mg分两次压装进点火器中，压药压力为120kg，收口压力为100kg，收口后从光纤连接器接入端检查光学窗口片的完好性，检查无误后进行激光点火试验，并对试验结果进行汇总分析，选择最佳点火药剂进行下一步试验。1.2.3试验结果及分析试验结果如表4-2所示。表4-2不同点火药剂对比试验结果Tab.4-2ComparisonTestresultsofdifferentignitionreagents点火药剂类型序号点火功率(W)平均点火功率(W)点火药剂类型序号点火功率(W)平均点火功率(W)B/KNO311.925.08四氯·六硝基偶氮苯19.139.2621.9729.1935.1139.2845.1449.3555.2659.33BNCP19.419.52四氨基·六硝基偶氮苯19.739.8229.4829.7739.5239.8349.5849.8659.6159.92试验结果表明，B/KNO3激光点火能量最低，四氯·六硝基偶氮苯次之，BNCP第三，四氨基·六硝基偶氮苯所需能量最大；B/KNO3为国际唯一许用的点火药剂，其性能比较稳定，其本身为黑色粉末，对激光吸收率较大，因而所需激光能量最小，这里不再做研究；BNCP属于起爆药，可以用在激光点火器中，但不能用于直列式激光点火中；四氯·六硝基偶氮苯和四氨基·六硝基偶氮苯均为浅色，可以通过对其掺杂不同的吸光物质来提高它们对激光的吸收效率，四氯·六硝基偶氮苯颜色较四氨基·六硝基偶氮苯浅，点火功率低，因此本次研究选择四氯·六硝基偶氮苯进行下一步试验，确定其最佳掺杂物种类及百分比、装填密度和光学窗口片。1.3点火药剂掺杂试验研究1.3.1掺杂试验相关研究概况对于颜色较浅的点火药剂来说，在药剂中掺杂一定比例的吸光物质，能够增加药剂的激光感度，然而掺杂的吸光物质和掺杂比例都需要通过试验确定，并且经过长期研究发现，掺杂这种方式是提高感度最有效的方法之一。早在1988年KunzS.C[66]工作室研究得到的结果表明，在CP炸药中掺杂石墨、碳黑和IR-132激光染料，能降低CP炸药的激光感度，因为这些吸光物质增强了炸药对激光的吸收，其中，碳黑对CP炸药的能量阈值降低最明显，石墨次之。1990年Skocypec[67]等人发现在CP炸药中掺杂石墨或碳黑可以显著增加炸药对激光的吸收系数。同年EwickD.W[68]等人试验得出：使用1W的激光二极管不能起爆HMX，但在HMX中掺杂极少量的石墨或者碳黑后，可实现低能起爆HMX，大大提高了HMX的激光感度。Jungst[69]等人找到了CP炸药掺杂碳黑的最佳浓度，当碳黑的掺杂浓度增加到0.7%时，CP炸药的激光点火能量阈值降低到最小，当继续增加碳黑的浓度后，CP炸药的点火能量阈值又随之增大。在我国，2000年，朱升成、鲁建存等人[70]通过将石墨分别加入到Ti/KClO4和Zr/KClO4中进行点火性能试验，发现石墨的加入能够有效降低Zr/KClO4的能量阈值，并在加入量为1%时达到最佳。1.3.2掺杂试验原理及内容上节所选四氯·六硝基偶氮苯(BTCHNAB)为浅橘色粉末，对红色激光有较强的散射和透射，使其对激光能量的利用率极低。本次试验选择石墨粉、石墨烯和碳纳米管三种常见的掺杂物作为吸光物质，从不同种类掺杂物和不同掺杂百分比两个角度，研究选择适合BTCHNAB药剂激光点火的最佳掺杂物及其掺杂百分比（质量比）。本试验所选三种掺杂物分别为石墨粉、石墨烯和碳纳米管。选择目数为8000目，纯度达到99.95%的石墨粉；选择厚度：<3nm，直径为80μm，纯度达到99.7%的石墨烯；选择直径<2nm，长度为5μm，比表面积为690m2/g的单壁式碳纳米管进行激光点火试验，这三种掺杂物的选择标准都是其粒径（或直径）小，比表面积大，目数大，纯度高，使得激光接触面积大，掺杂效果更好。本次试验将三种掺杂物及其不同掺杂百分比做了掺杂试验，这样做的好处在于，既能全面的确定掺杂物的种类，也能根据试验结果直观地看到不同掺杂物掺杂百分比对激光感度的影响，最终确定最佳的掺杂物种类及其掺杂百分比。将BTCHNAB药剂与三种掺杂物按1%、3%、5%、7%、9%质量比进行掺杂，为验证试验的可重复性和准确性，对每种掺杂物及掺杂百分比分别进行5发试验，每发激光点火器装药量为36mg，采用18mg+18mg分两次压装进点火器，压药压力为120kg，收口压力为100kg，选用石英玻璃片为光学窗口片，对比不同的掺杂物对其激光点火试验的影响。1.3.3试验结果及分析试验结果如表4-3所示。表4-3点火药剂掺杂试验结果Tab.4-3DopingTestresultsofpropellant掺杂物种类掺杂百分比（%）平均发火功率（W）石墨烯19.439.258.879.199.6石墨粉19.338.858.678.799.2碳纳米管19.339.6510.6710.0910.3根据表4-3试验结果，绘制三种掺杂物在不同掺杂百分比对激光感度的影响情况比较图，如图4-4所示。图4-4三种掺杂物在不同掺杂百分比对激光感度的影响情况Fig.4-4Influenceofthreekindsofdopantsonlasersensitivityindifferentdopingpercentages根据试验结果表4-3及图4-4所示，能够发现对BTCHNAB药剂进行掺杂吸光物质能够降低药剂的点火功率，其中，掺杂石墨粉比其他两种掺杂物降能更明显，经过分析得知，其原因是：掺杂的三种物质均为黑色物质，石墨粉较其他两种掺杂物对激光的吸收率大，能够很快的将激光能量转化为热能，快速传递给点火药剂，使药剂低能发火，并且石墨烯和碳纳米管两种掺杂物质量轻，掺杂时可能会有掺杂不充分等问题；从图中也能看出，掺杂碳纳米管在1%~9%之间，最小点火功率在掺杂1%碳纳米管时，点火功率为9.3W，随着掺杂浓度的增大，点火功率增大，在掺杂9%时降低到10.3W，后续掺杂浓度未做试验，因为就算增加掺杂浓度能够降低点火功率，但降低了点火药剂的装药量，会影响点火药剂的输出威力；掺杂石墨烯在1%~9%之间，点火功率先变小后增大，掺杂5%石墨烯时药剂点火功率最小为8.8W，掺杂石墨粉与掺杂石墨烯点火功率曲线相似，在5%时药剂的点火功率最小为8.6W。综上所述，BTCHNAB药剂掺杂5%浓度的石墨粉将点火功率降低至8.6W，功率降低了7%。1.4激光点火器装药密度的确定压装装药就是将烘干好的松装颗粒状的点火药剂（或炸药）倒入事先设计加工好的压药模具中，使用压机或一定重量的秤砣，将压药模具中的点火药剂压装成指定的形状。压装方法有定位法和定压法两种[71]。定位法又称压到位法，即指将一定量的点火药剂（或炸药）压到一定高度后就不再压实，这一高度尺寸依靠定位装置来保证，例如，将冲头加工成同直径不同长度以控制高度尺寸，或者在压药模具与冲头之间放置不同高度的垫块来控制高度等。定位法压装的药柱尺寸比较精确，但药柱内部的装药密度不均匀，密度差异较大。定压法又称压力法，即指使用一定的压力或秤砣压装模具中的点火药剂（或炸药），这种方法压装的药柱，内部药剂密度较为均匀，但药柱的高度误差较大。本次研究选择定压法压装点火药剂。1.1.1装药密度相关研究概况装药密度对药剂的点火能量、输出威力和点火延迟时间都有一定影响，因为这一过程改变了药剂的反射率、导热、孔隙率等参数，随之改变了药剂的反应热、燃烧速率等化学性质[72]。1998年，IntAnnu[73]使用激光二极管在封闭环境下对Zr/KCLO4和Zr/PbCrO4进行了激光点火试验，得到结论：随着两种药剂孔隙率的增大，点火延迟时间显著降低；1988年，HolyJA和GirmannTC[74]使用氩离子激光器对封闭体系的TiHx/KCLO4进行激光点火试验，认为点火延迟时间随压药压力增加而减小；1996年，南京理工大学的孙同举[75]在开放环境下对B/KNO3进行了Nd3+：YAG激光器激光点火试验，得到“装填压力增加，点火延迟时间延长，标准差也增大”这一相反结论。2002年，北京理工大学张慧卿[76]在12.5~100MPa的压药压力下，对封闭环境的B/KNO3进行了激光点火试验，得出结论：在3.9~13.0ms量级内，随着压力的增加点火延迟时间单调减少。纵观前人的研究成果，我们可以发现压药压力会改变药剂的密度，密度会影响点火功率及点火延迟时间，因此，在本研究中，我们可以通过试验寻找该点火药剂的最佳点火密度，即点火功率最低时点火药剂的装药密度，从而达到降低点火使用能量的目的。1.1.2装药密度试验原理及内容使用本章确定的点火药剂为四氯·六硝基偶氮苯、掺杂物为石墨粉及其掺杂百分比为5%，通过改变冲头上秤砣的重量来改变装药压力，进而改变点火药剂在激光点火器中的密度，对不同密度的点火器进行激光点火试验，确定该种点火药剂的最佳点火密度。为验证试验的可重复性和准确性，对不同装药密度分别进行5发试验，每发激光点火器中装药量为36mg，18mg+18mg分两次压装进点火器中，这么做的好处在于每次少剂量装散药剂，冲头下面的散装药剂能够被压实，之前的压药压力为120kg，密度为1.60g/cm3，收口压力为100kg，本次试验收口压力不会影响药剂的装填密度，因此收口压力不变，通过改变压药压力改变药剂的装填密度，点火药剂的装药密度都在1.60g/cm3附近，将密度范围设置在1.50~1.80g/cm3之间，步长为0.5g/cm3，以实际密度为准。1.1.3试验结果及分析试验结果如表4-4所示。表4-4点火药剂掺杂试验结果Tab.4-4TestResultsofignitionagentdoping序号药剂高度（mm）药剂密度（g/cm3）平均发火功率（W）13.311.549.723.201.588.833.181.608.643.131.638.953.071.669.162.961.729.472.891.769.8根据表4-4试验结果，绘制不同药剂密度对激光感度的影响情况比较图，如图4-5所示。图4-5不同装药密度下药剂对激光感度的影响情况Fig.4-5Effectofdifferentchargedensityonlasersensitivity根据试验结果表4-4及图4-5所示可知，为了达到低能发火的目的，BTCHNAB药剂最佳的装药密度范围应为1.56~1.60g/cm3。1.5激光点火器光学窗口片的确定1.5.1光学窗口片相关研究概况光学窗口片在激光点火系统中是阻隔高强度压力和起密封封接作用的透明介质，厚度越大，窗口片耐压强度也越大，但是厚度越大，激光到达点火药剂表面的距离也越大，这样会影响激光聚焦的距离，使激光最大能量聚集点在药剂之前，影响点火功率，使点火阈值变大，激光发散的幅度取决于窗口片的厚度和窗口片材料的折射率两个因素，同时，窗口片材料的热导率也会影响激光点火能量阈值的大小，对光学窗口片的研究是十分重要的。对光窗式激光点火器的研究比较少，1995年，由KramerDP[77]首次提出了三种激光点火器结构设计的定义与其优缺点，之后光学窗口式结构得到了广泛应用；