掺杂光敏物质用于降低火工药剂激光发火阈值研究进展

在激光火工品研究领域,掺杂光敏物质是降低火工药剂发火阈值的核心技术之一。主要围绕近年来激光点火/起爆药剂研究中的光敏物质,包括炭黑、碳纳米管、氧化石墨烯、近红外吸收染料、金属纳米颗粒,梳理了各自的结构与光学特性之间的构效关系,归纳总结了掺杂光敏物质在火工药剂中用于激光点火研究取得的重要进展,分析了掺杂浓度、掺杂方式对发火性能影响的基本规律。通过对比发火阈值获得了光敏效果的初步排序,即以金纳米棒为首的金属纳米颗粒的光敏效果最佳,炭黑、碳纳米管、碳纳米粉、近红外吸收染料相继次之,并且建议未来需加强激光点火和材料研究领域交叉融合,提高研究系统性、普适性、可比性。     

CP和BNCP的快速激光二极管点火

与常规起爆器相比较，激光二极管点火装置具有内在的安全优点，但是，使用受限制，主要是因为其不能迅速起爆炸药。本文描述了为了将激光二极管点火装置作用时间降低至微秒范围而进行的预先实验研究。为了实现此目标，将入射激光的功率密度增大，使其达到1MW/cm^2能级。对8种不同药粉结构的CP和BNCP进行了研究，目的是确定平均颗粒尺寸、碳黑掺杂百分比和密度对点火延期和作用时间的影响。起爆的试验表明：由于用同种药粉结构进行的多次试验得到的是不可重复数据，因此，密封方面的问题和激光光点尺寸的问题产生的结果也不一致。所以，不可能得到有关平均颗粒尺寸、碳黑掺杂百分比和密度影响的结论；但是，两种装置显示的作用时间比过去研究中获得的作用时间快得多。有关作用时间在下文将进行详细讨论。     

对激光有变色吸收的点火元件

在一个由激光脉门冲直接触发的点火元件中，如果在光路中安装一个满足整个光谱区的吸收层，而它能使点火激光的波长变色的话，那么，这个吸收层会起到开关作用，即它可以限制其它光线成为点火激光脉冲而实现触发。     

糖颗粒对HMX和RDX两种单质炸药非冲击点火的影响

为了研究惰性糖颗粒对奥克托今(HMX)和黑索今(RDX)两种单质炸药非冲击点火机理的影响,利用配备了光学观测系统的落锤撞击装置,捕获了含惰性糖颗粒的HMX和RDX经历的破碎、熔化、溅射、点火和燃烧过程。结果表明,在含糖HMX颗粒炸药和含糖RDX粉末炸药中,点火易发生在糖颗粒的周围,燃烧会沿着糖颗粒周围向外部传播;燃烧反应前两者均发生剧烈的溅射现象;含糖HMX颗粒在固相中发生点火;在含糖RDX粉末炸药中,靠近糖颗粒周围的炸药先进入熔融状态,随后熔融区域逐渐扩展,点火点易出现在糖颗粒边缘处的RDX熔融液相中。对比了在HMX/RDX单质炸药中分别加入一个和三个糖颗粒情况下的点火频率,结果表明,三个糖颗粒的情况更容易引起炸药点火;三个糖颗粒由于破碎后产生较多的碎片,其与HMX或RDX单质炸药具有较强的相互作用,可能会在多个位置形成热点,其导致的燃烧反应会比单个糖颗粒的情况更为剧烈。采用上下极限法分析得到,糖颗粒的加入对HMX颗粒炸药的点火具有抑制作用,对于RDX粉末炸药的点火具有促进作用。     

高聚物粘结炸药冲击起爆统计热点反应速率模型

为深入探索非均质固体炸药冲击起爆热点机制,重点关注炸药孔洞尺寸分布及热点点火临界条件,建立高聚物粘结炸药(PBX)冲击起爆统计热点反应速率模型,描述热点形成、形核或消亡、点火后燃烧反应演化直至快速转为爆轰的全过程。奥克托今（HMX）基PBX9501和三氨基三硝基甲苯（TATB）基LX-17炸药冲击起爆过程的数值模拟结果显示,反应流场中波到达时间的计算值与实验值偏差小于3.7%,初步验证了统计热点反应速率模型的合理性,且相比文献［21-24］的统计模型适应性更强。研究结果表明：孔洞尺寸分布对非均质固体炸药冲击起爆感度影响显著;HMX基PBX炸药冲击起爆爆轰成长过程呈加速反应特性,而TATB基PBX炸药表现为稳定反应特性,进一步提高了对HMX/TATB混合基钝感高能炸药冲击起爆机理的认识。     

常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响（英）

为了研究常温附近温度变化对炸药冲击起爆特征的影响程度和规律,设计并建立了炸药局部加热和冷却装置,结合拉氏分析方法研究了HMX/TATB基复合高能炸药PBX-1和TATB基钝感高能炸药PBX-2在常温附近(5～75 ℃)的冲击起爆压力成长过程.基于实验结果,利用点火增长模型对两种炸药的冲击起爆过程进行了数值模拟.结果表明,随着温度升高(5～75℃),炸药的冲击起爆压力成长过程均逐渐变快,到爆轰距离变短,点火增长模型中的反应速率参数G1变大,说明两种炸药随温度的升高对冲击变得更敏感,常温附近温度变化对炸药安全性的影响不能忽略.     

烟火剂的激光二极管点火第一部分：数字模拟

创立了一个在激光光束作用下，反应国体的变热和点火过程的数字模型。采用一种显示模式（explicit scheme)，对瞬态的、二维热方程进行了数字式求解。一个非线性的源项（source term,指Arrhenius方程）使得对这类问题的分析求解变得复杂化。激光束的吸收深度被认为只有几个微米深。研究了吸收深度系数的作用。用这种模型测定了激光能量密度、激光照射时间和热扩散率对点火的效应。这种数字模型已经被用到了对炸药类的激光点火系统的设计当中。证明了用纤维光导输出为0．6W的激光二极管进行点火是最合适不过的。     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药宏细观烤燃响应特性数值分析

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)/奥克托今(HMX)熔铸炸药在烤燃过程中会发生DNAN熔化、HMX晶型转变等特征现象。为研究其烤燃响应特性,发展了DNAN熔化-化学反应动力学模型,结合HMX四步化学反应动力学模型,从宏观和细观尺度研究了DNAN基熔铸炸药的熔化、晶型转变及点火响应。宏观计算结果表明：DNAN在约377.00 K熔化,HMX在约450.00 K晶型转变,点火温度为531.34 K,点火位置位于装药上下端面与侧面夹角处环形区域,计算点火时间与实验结果误差为0.5%。基于宏观点火区域进行细观计算,发现点火位置位于HMX炸药晶粒,并得到DNAN熔化、HMX晶型转变等细观分布演化规律,即不同时刻,液相DNAN统计分布呈U形分布,δ-HMX近似正态分布。表明DNAN基熔铸炸药烤燃宏细观数值计算对深入理解含能材料的热点火机理具有重要意义。     

激光起爆火工品的点火性能和输出特性

本文描述的是运载火箭激光起爆系统主要元件（LIS）的激光起爆动力源火工品（LPC）（或者动力药包）和激光起爆雷管（LID）。评估了这些产品的生产经验和点火性能以及输出特性。点火药用的是Zr/KClO4，确定最适合LPC结构时，KClO4的纤维光学直径和颗粒直径有所不同，经验证有LPC能够用小于0.7W的输入功率点燃。这种结果意味着，LIS能够使用既小又轻的半导体激光器，还证明了使用Zr/KClO4作为点火药的激光起爆雷管的点火性输出特性几乎与目前的电发火雷管相同。另外，对LPC和LID进行了运载火箭火工品要求的环境试验。环境试验以后的LPC和LID的性能没有改变，我们认为LIS在将来将会被实际应用。     

二级炸药的快速激光点火和爆轰传递

在以前的研究中，曾通过热阻丝或激光二极管来点火，用二段式方法（two-stage approach)在二极炸药中实现了爆轰。在当前的研究中，我们又在脉冲式的、固体激光器（棒式）点火的条件下，对这一方法的细节进行了检查。在最初的一系列实验中，用Nd/Glass、Nd/YAG和Ti／蓝宝石激光器，对掺混了石墨的HMX，在高度封闭的、与一个快速的（fast)压电压力传感器结合在一起的光学装置中的点火状态进行了研究。实验参数包括激光功率与时间的关系以及炸药柱的长度。根据这些实验的结果进行了第二批实验，并在点火药柱的末端装了一个薄薄的保险片，这个保险片与低密度的HMX传爆药柱或其它类似的药剂组成的传爆药柱相接触。传爆药柱的安装了一个压电式“到达时间”探测器（time-of-arrival detector)，用来确定整体作用时间。对不同的激光源、保险片厚度和传爆药柱炸药特性等参数进行了研究。整个作用时间小于50微秒，对不同参数的研究表明，还能够进一步缩短作用时间。     

不同频率飞秒激光脉冲序列加工炸药过程安全性的数值计算

为了研究飞秒激光加工炸药技术的安全性,建立了飞秒激光脉冲序列加工炸药的计算模型,考虑了炸药在受热条件下的自热反应。采用数值计算的方法对飞秒激光脉冲序列烧蚀炸药(TNT,TATB和HMX)的过程进行了计算,分析了飞秒激光脉冲序列加工炸药过程的安全性。计算结果表明,飞秒激光脉冲序列频率、炸药自热反应放热量和热扩散系数会显著影响加工过程的安全性。在这三种炸药中,HMX自热反应的放热量最大,热扩散系数最小,因此热累积效应最明显,在三种不同频率(1×10³Hz,1×10⁵Hz和2×10⁵Hz)的飞秒激光脉冲序列作用下均发生了点火;相反,TATB的热累积效应最弱,在三种不同频率的飞秒激光脉冲序列作用下均未发生点火;TNT的热累积效应介于HMX和TATB之间,因此只在频率较高的飞秒激光脉冲序列作用下才发生点火。在实际加工过程中,特别是对自热反应放热量较大和热扩散系数较小的炸药,为保证加工过程的安全性,应尽量选用频率较低的飞秒激光脉冲序列对其进行加工。     

掺杂物对药剂激光点火感度和延迟时间的影响

分别研究了碳黑、石墨、KCl和石蜡四种掺杂物对Zr/KClO4点火药及碳黑对B／KNO3点火药的激光点火感度和延迟时间的影响。实验结果表明,四种掺杂物均能降低药剂的激光点火延迟时间（其中碳黑的效果最强,石墨的效果最弱）,但只有碳黑能够降低药剂的激光点火感度。     

两种DNAN基含铝炸药的爆轰性能

为研究2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基含铝炸药的爆轰性能,采用全光纤激光干涉测速仪(DISAR),测量了两种含铝炸药——RBOL-2(DNAN/HMX/Al/添加剂)和RMOE-2(DNAN/HMX/NTO/Al/添加剂)爆轰端面与窗口界面粒子速度以及驱动金属平板自由表面速度,得到两种炸药的爆轰反应区宽度分别为(1.073±0.111)mm和(1.559±0.094)mm,CJ压力分别为(25.42±0.44)GPa和(20.99±0.15)GPa,冯·诺依曼峰值压力分别为41.27 GPa和27.69 GPa等爆轰波结构参数。金属平板自由表面速度结果表明:RBOL-2炸药的做功能力强于RMOE-2炸药;含铝炸药达到的稳定爆轰状态与起爆加载条件有关,加载压力越高,含铝炸药的做功能力越强,在较高的加载压力(21 GPa)下,加载压力越高,参与爆轰反应区反应的铝粉越多,含铝炸药达到的爆轰状态越强。     

点火增长反应速率方程在LS-DYNA软件中嵌入及应用

为了得到能够正确描述炸药的冲击起爆过程且易于标定的反应速率方程,将一种点火增长反应速率方程嵌入LS-DYNA软件,并模拟DNAN基熔注炸药的冲击起爆过程。通过对比计算压力曲线和实验压力曲线标定这种点火增长反应速率方程参数,进一步分析在LS-DYNA软件中嵌入点火增长反应速率方程的优点。结果表明：这种点火增长反应速率方程参数较少、易于标定;计算得到的4个传感器位置处冲击波到达时间与实验值相差不超过0.2 μs,该反应速率方程能够正确描述炸药的冲击起爆过程;反应速率方程嵌入LS-DYNA软件所采用的算法效率高,计算中每个网格的迭代次数不超过3次。     

激光器点火的点火药和起爆装置及其由两者组成的系统

激光器点火的点火药含爆炸材料颗粒和光吸收颗粒，其中，爆炸材料颗粒的平均颗粒尺寸小于4微米，即，平均颗粒尺寸大约为1－2微米。爆炸材料颗粒有颗粒尺寸分布，其中90％的颗粒直径比平均颗粒尺寸小2．5倍。这种爆炸材料颗粒可以是BNCP。光吸收颗粒应该由BNCP与光吸收颗粒组合重量的百分之三以上的重量组成，即：大约5％（重量百分比）。光吸收颗粒可以含碳黑。这种点火药用于激光器激发的起爆器装置中，该起爆器有带输入端的壳体，输出端和通向输入端的信号序列室。头部配合到壳体中与信号序列室中光学纤维信号发射端接触的地方。点火药装在信号序列室中与光学纤维信号发射端接近的信号传递装置中。壳体中的输出装药对点火药的点火敏感。     

HMX单元推进剂激光点火特征参数计算方法

为了简化激光作用下固体推进剂点火特性参数的计算,分析了以激光为点火源的固相反应模型点火机理,将其分为吸热热解、边界层气相掺混与快速化学反应三个阶段。建立了一种预测阶段性激光点火延迟时间和点火温度的特征参数近似计算模型,利用该方法对HMX单元推进剂在三种不同的激光入射强度(45,76,170 W·cm-2)下的点火过程进行了计算,该模型计算的点火延迟时间与点火温度与固相点火模型相比之间的偏差分别为3.8%,8.1%,11.5%与1.23%,0.87%,0.98%。     

用点火成长模型模拟凝聚炸药的起爆过程

旨在建立一个用来数值模拟凝聚炸药起爆过程的理论方法.炸药的化学反应率采用Lee-Tarver的点火成长模型,假设在化学反应区里由未反应炸药与反应产物组成的混合物质1)具有体积可加性;2)处于动力学平衡状态;3)处于热力学非平衡状态.在这三个假设基础上,Euler方程被首先使用来描述混合物质的流动,而每种物质组分的物理参量,如组分质量、组分体积份额以及组分总能量等,通过一套附加的方程来描述,并且混合物压力方程也被耦合起来.对所获得的控制方程使用高分辨率高阶精度的有限体积法离散求解.从典型的非定常爆轰算例来看,该方法能够正确预测凝聚炸药的冲击起爆及爆轰传播的关键特征,如Von Neumann尖峰和化学反应区等.此结果初步证明本文提出的数值模拟凝聚炸药起爆过程的理论方法是合理的.     

爆炸冲击波作用下黑索今基含铝炸药的冲击点火反应速率模型

为分析黑索今（RDX）基含铝炸药中铝粉的颗粒尺寸对炸药冲击点火的影响,以及建立该含铝炸药冲击点火的细观反应速率模型,开展了含铝炸药冲击起爆的实验和数值模拟研究。设计5 μm、 16 μm、40 μm和100 μm不同铝粉粒径,具有相同组分配比和RDX颗粒尺寸的4种炸药配方,对4种RDX基含铝炸药进行了冲击点火起爆实验;通过合理假设,提出RDX基含铝炸药的细观点火模型,并在考虑点火增长的基础上,完善细观反应速率模型,利用细观反应速率模型和含铝炸药的I&G模型对上述实验进行了数值模拟。实验和数值模拟结果表明：对于100 μm、 40 μm、 16 μm和 5 μm粒径铝粉含铝炸药,铝粉在CJ面前的反应度分别为0.80%、2.45%、3.20%和4.15%;随着RDX基含铝炸药中的铝粉尺寸减小,铝粉在CJ面前的反应速率增快,炸药中的前导冲击波传播速度变快且压力峰值增高,压力峰值的出现时间与前导冲击波到达时间的间隔减短,炸药的冲击感度提高;与I&G模型相比,细观反应速率模型计算的压力历史与实验结果更为吻合;细观模型能较好地模拟较大尺寸颗粒铝粉（铝粉尺寸大于炸药颗粒尺寸的1/10）的反应特征,对于100 μm和40 μm铝粉粒径含铝炸药,模拟计算每个拉格朗日位置的前导冲击波到达时间、压力峰值时间和压力峰值等参量与实验结果相差不超过10%。     

弹射救生用快速激光起爆器光路设计

针对弹射救生用激光起爆器快速起爆的需求,以激光点火机理为基础,通过对激光起爆器光学窗口结构的分析,优选自聚焦透镜(GRIN)作为激光起爆器的耦合窗口。同时结合自聚焦透镜光线传输理论分析,提出了通过缩小照射到含能材料表面的光斑尺寸、增大功率密度的方式,以有效缩短激光起爆器的作用时间。利用ZEMAX软件对激光耦合窗口进行仿真,得出采用φ1.8mm1/4P和φ1.0mm 1/4P自聚焦透镜组,其输出光斑缩小倍数为0.5左右。验证试验表明,该光路设计方法能够有效降低激光起爆器作用时间,并且可以在较低的功率下达到激光起爆器的极限作用时间。     

激光多点均匀点传火技术实验研究

使用大功率Ｎｄ：ＹＡＧ激光器产生激光,通过光学玻璃窗和光纤能量传到金属点火器中点燃点火药,从而达到在点火管内实现多点同时点火的作用。实验用激光成功的点燃了点火药,并且把激光单点点火,不同直径光纤多点激光点火实验结果与普通的电点火实验结果进行了比较,发现使用激光确定能实现多点同时点火达到