李帥 吳洪偉 李志剛 康俊峰 賀愛鋒 曹椿強 井波

摘 要：激光點火由于具有防靜電、抗電磁干擾和安全性高的優(yōu)點，在軍事、航空、航天等領域具有重要的應用價值。本文主要針對激光點火在彈射座椅中的工程應用可行性及相關關鍵點火參數(shù)的選擇進行理論與試驗對比研究。利用有限元分析軟件內置的物質與激光相互作用模型建立激光對奧克托金（HMX）炸藥起爆過程火藥溫度分布的仿真模型，并進行激光起爆試驗，起爆時間和溫度分布模擬預測和試驗結果基本相符；對檢測方法進行改進，采用雙波長激光器和2×1耦合器實現(xiàn)對全光路通斷的檢測；通過九路激光器的同時檢測，實現(xiàn)激光信號傳輸時序的檢測，試驗結果滿足彈射座椅九路點火總時間小于 1s的要求。在此基礎上進行了高低溫條件下實際點火試驗，完成了激光起爆，首次對多路激光點火時序進行研究，點火時序滿足工程化應用的標準，該新型激光點火程控器可直接應用在彈射座椅上，驗證了激光點火在防護救生領域應用的可行性。

關鍵詞：激光點火； 光路檢測； 點火時序； 程控器

中圖分類號：V211.7 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.03.015

基金項目： 航空科學基金（2019ZC010001）

目前，國內彈射座椅防護救生領域[1-2]多采用電信號傳輸?shù)姆绞郊ぐl(fā)火工品，該點火方式容易受到電磁波、雷電、靜電、射頻等信號的干擾，會引起火工品的誤觸發(fā)[3-4]；且火藥與半導體橋直接接觸，長時間存放，容易造成火藥和半導體橋材質變性，造成點火失效，因此迫切需要一種抗電磁干擾能力強、隔離度好、安全性高、能量可調節(jié)的傳輸技術[5-6]。激光點火技術在此背景下成功應用于該領域。激光傳輸技術具有獨特優(yōu)勢，（1）激光火工品的鈍感藥劑僅對特定波長范圍的激光敏感，只有點火裝置出射的激光容易實現(xiàn)對其觸發(fā)，其他波長的光能量和熱能量都很難實現(xiàn)對其爆燃，提高了安全性；（2）激光傳輸采用全光纖傳輸，實現(xiàn)了點火激光裝置和火藥的完全分離，激光火工品完全密封在藥劑盒內部，火藥內不存在半導體橋，激光火工品加工和貯存方便持久，且點火激光能量可調節(jié)，在火藥部分失效的情況下仍可以采用增加激光能量的手段來實現(xiàn)點火[7-9]。因此，未來彈射座椅防護救生領域采用激光傳輸技術，將提升我軍在復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力、戰(zhàn)場生存能力，這對實現(xiàn)國防現(xiàn)代化具有重要意義[10]。

在實際的工程應用中，需要采用多級光纜將激光器和火工品連接到一起，實現(xiàn)激光信號從激光器到火工品的傳輸，為了便于操作和具有重復性，需要具有可插拔結構。如本文采用的具有能夠插拔的圓形帶螺紋（FC）光纖頭進行逐級連接，而這種圓形帶螺紋接頭由于污染和誤操作，容易發(fā)生由端面污損和光纖折斷造成的光信號損失，從而導致整個傳輸光路的完整性受到破壞，造成系統(tǒng)功能異常，不能實現(xiàn)點火[11-12]。因此為了保證激光點火系統(tǒng)的工作可靠性，需要在點火前，在確保不發(fā)火的情況下，對整個點火系統(tǒng)的光學通路進行安全的在線檢測[13]。目前，激光點火系統(tǒng)的自診斷技術已經(jīng)有很多研究[14-16]，本文基于雙波長激光器和2×1光纖耦合器實現(xiàn)自診斷，即半導體激光器除了發(fā)射點火激光外，還能發(fā)射檢測激光，利用耦合器和火藥端面的波長鍍膜處理，實現(xiàn)點火控制系統(tǒng)中整體光路檢測。

1 試驗裝置

1.1 單路激光點火檢測裝置

單路激光點火檢測裝置主要由雙波長半導體激光器及其驅動電源、光纖耦合器、激光起爆器等部分組成，如圖1所示。雙波長半導體激光器在驅動電源的激勵下能夠發(fā)射波長為915nm的點火主激光和波長為1310nm的檢測激光。光纖耦合器為2×1拉錐耦合器，用于主激光和檢測激光的傳輸。激光起爆器由光學窗口和封裝的火藥構成，窗口的格林透鏡將點火主激光透過后匯聚于火藥劑表面；光學窗口鍍雙色膜，915nm點火主激光增透和1310nm檢測激光全反。

單路激光點火檢測裝置的工作原理為：雙波長半導體激光器出射的915nm點火主激光和1310nm檢測激光一起入射到耦合器端口1的光纖。自檢時激光器發(fā)出小功率的檢測光，經(jīng)耦合器進入起爆器，起爆器光學窗口的鍍膜將檢測激光反射回拉錐耦合器，然后大部分1310nm檢測激光不能返回原路，而是返回到光纖耦合PD探測的檢測端口2，實現(xiàn)對1310nm激光的檢測，根據(jù)光電探測器電信號判斷光路的通斷。點火時，激光器發(fā)出大功率的點火激光，經(jīng)耦合器進入起爆器，然后由起爆器端面格林透鏡將點火主激光透過后匯聚于火藥劑表面，實現(xiàn)點火。

1.2 半導體激光器參數(shù)

半導體激光器在常溫25℃下，其輸出激光波長為915nm，額定工作電流為11A，額定輸出功率為10W，電光轉換效率大于50%，波長溫漂系數(shù)為0.28nm/℃，采用的點火炸藥的吸收系數(shù)對該波長變化不敏感，在整個溫漂范圍內895～930nm都有幾乎恒定的吸收系數(shù)0.9。

1.3 火藥參數(shù)

HMX炸藥的物理性質和熱力學參數(shù)見表1。

2 單路激光點火理論模擬分析與試驗

2.1 單路激光點火理論模擬

本文對單路激光點火進行研究，主要利用有限元分析軟件對光與火藥作用進行溫度變化的模擬。有限元分析軟件能夠實現(xiàn)任意多物理場直接耦合分析，由于被加熱物體和激光光斑尺寸都遠大于波長，因此使用 Beer-Lambert 定律來模擬材料內激光的吸收現(xiàn)象，實現(xiàn)對光場吸收和溫度場分布的模擬。Beer-Lambert 定律是光吸收的基本定律，適用于所有的電磁輻射和所有的吸光物質，其基本模型為光照射到吸收介質表面，在通過一定厚度的介質后，由于吸收的效應，透射的光強會減弱，吸收系數(shù)和介質厚度越大，則光強減弱越明顯。材料內部的溫度分布又可以通過吸收光能量產生的熱源進行偏微分求得，將上述激光功率和材料參數(shù)直接填入軟件的核心功能模擬模塊即可實現(xiàn)熱分布的模擬。

根據(jù)試驗條件建立簡化的激光起爆仿真模型，起爆藥密封為軸對稱結構，藥面直徑為3mm，藥厚4mm，相關的熱力學參數(shù)與表1相同。模擬采用的光源參數(shù)與實際光源參數(shù)相同，激光經(jīng)整形系統(tǒng)被聚焦至圓柱火藥的中心，激光光斑大小為微米量級。由于炸藥表面不能將激光完全吸收，因此不僅端面存在溫升，在炸藥內部也存在溫升點。

模擬的結果顯示，采用脈沖半導體激光器照射，300μs后火藥表面及內部的溫度分布如圖2所示，從圖2中可以看出，能量相對分散，但中心溫度接近600K，超過點火溫度?；鹚巸炔侩S時間的變化趨勢如圖3所示，從曲線可以看出，溫度一直隨時間的增加不斷升高，且增長效率逐漸降低，但在300μs后的最高溫度達到590K，根據(jù)火藥溫升的時間特性以及HMX炸藥的點火溫度為560K，可以估算大概在260μs后達到點火溫度，實現(xiàn)起爆。

2.2 單路激光點火理論試驗

由于點火采用密封結構，激光封閉在火藥殼體內，在實際點火時不能同時測定出光和起爆的時刻，但激光器上電的時刻、在不加火藥密封結構的情況下，上電后激光發(fā)射的時刻以及上電后火藥起爆的時刻都可以檢測到，因此需要采用間接的方法來測定激光發(fā)射多久后火藥可實現(xiàn)起爆。試驗通過光電探測器探測激光的輸出和火藥爆炸的時間特性，將激光輸出的光信號轉換成電信號，作為激光輸出開始的信號；同時含能材料被點燃而產生光信號，光信號同樣轉換成電信號，同樣傳輸?shù)酵皇静ㄆ魃?，確定火藥點火時刻，以上電為同一時間起點進行檢測，分別測定出射激光和起爆的時間間隔，利用起爆時間間隔減去出光的時間間隔即為激光開始照射火藥到火藥起爆的時間，由此研究含能材料激光點火所用時間和隨各種條件的變化規(guī)律。試驗裝置由上位機控制軟件、激光電源、激光器、 空間光路、炸藥、示波器和光電探測器構成，如圖4所示。

首先測試了在不加火藥的情況下，通過光電探測器和示波器測定激光器從上電開始到達到最高功率的時間參數(shù)，確定上電到激光發(fā)射的時間間隔，如圖5所示，綠色曲線為脈沖半導體激光器的上電信號，黃色曲線為半導體激光輸出激光信號，由測定結果可知，上電10μs后激光器開始輸出激光，經(jīng)過20μs后輸出功率達到峰值。

然后將封裝好的火藥接入光路中，此時光電探測器只能探測火藥爆炸產生的光信號。測定結果如圖6所示，綠色曲線為上電信號，黃色曲線為火藥起爆后探測的爆炸光信號，由此可知上電282μs后起爆，由于上電后延時不能即刻出光，而是在上電10μs后才有激光產生，相當于激光照射火藥272μs后火藥起爆。測試的結果272μs與理論模擬的260μs起爆時間接近。

3 單路光功率雙波長檢測

在實現(xiàn)單路點火后，實際工程應用中還需要對點火狀態(tài)能夠實現(xiàn)檢測。為了實現(xiàn)全光路通斷的檢測，將雙波長激光器、耦合器、光纖耦合探測器PD通過光纖熔接機連接到一起，耦合器輸出端通過FC頭與未裝藥起爆器連接到一起，通過控制1310nm激光電流，檢測PD輸出端電壓，從而實現(xiàn)對整體光路通斷的檢測。

從圖7可以看出，1310nm探測激光的輸出功率隨著電流的增大不斷增加，當?shù)竭_最高40mA工作電流時，輸出功率800μW。PD兩端的電壓隨著電流不斷增加，增加到30mA時達到飽和，最大電壓為3.7V。因此在實際檢測時，將檢測電流設定為25mA。

為了實現(xiàn)工程化一致性，對6個未裝火藥的激光點火器進行了測試，在相同電流下，輸出電壓見表2，不同的激光點火器在相同電流下，探測到的反饋電壓為1.0～1.1V，對應輸出功率差異在±5%范圍內，由此可見激光點火器光學特性的一致性較強，滿足工程化需求。

4 激光點火程控器多路點火激光檢測

在實際工程應用中，彈射座椅主要由程控器、彈射動力裝置、電氣系統(tǒng)組成。其中程控器是信號傳輸與安全救生的核心控制系統(tǒng)，其控制彈射座椅多路點火的工作時機。在實現(xiàn)接口兼容的條件下，完成了現(xiàn)有電子式程控器的貫改，現(xiàn)有程控器體積為403mm×105mm×73mm，因此需要在該體積范圍內，將目前多路電信號傳輸方式的程控器改裝成多路激光信號傳輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)多路激光點火程控器的總體設計和裝配，整體結構如圖8所示。

在滿足體積要求的條件下，還需要測定多路激光點火的能量和時序特性。測定各路激光輸出功率的試驗裝置由激光點火程控器、光纖、光纖法蘭和能量計組成。其示意圖如圖9所示，測試了激光器的輸出能量，見表3。

為了實現(xiàn)程控器9路915nm點火激光時序的測試，設計和加工了時序檢測裝置，如圖10所示。將程控器的9個輸出端，通過兩端都為FC頭的光纖連接到時序測試裝置，通過該裝置測試9路激光的點火時序，獲得的時序如圖11所示，每路間隔100ms，總共時間800ms，9路點火總時間小于1s，滿足需求。

5 環(huán)境試驗后的激光點火試驗

5.1 測試條件

激光點火程控器和激光點火器滿足點火需求和實現(xiàn)原理驗證后，其工程化應用還需要滿足其特殊的環(huán)境適應性，主要包括高低溫環(huán)境和振動環(huán)境，根據(jù)實際檢測標準，對程控器和激光點火器進行環(huán)境試驗，在-55℃±2℃和70℃±2℃進行振動試驗，其功能試驗每軸向持續(xù)時間為1h，試驗量值0.1g2/Hz，耐久試驗每軸向持續(xù)3h，試驗值為0.16g2/ Hz，振動試驗完成后，將程控器和激光點火器在70℃±2℃和-55℃±2℃的溫箱中貯存2h，從溫箱拿出來后通過光纖連接激光點火器，直接進行激光點火試驗，并測量其點火時序，由此確定該系統(tǒng)的工程化程度和可行性。由于實驗室內只有6臺防爆箱，因此在高低溫、振動試驗結束后，僅針對不同組合的6路激光輸出進行點火時序的測試，通過撥動點火開關（以代替彈射座椅的中央拉環(huán)信號），程控器按照特定時序輸出點火激光，其時序通過軟件可調。

5.2 測試結果

選定了第1路的激光輸出作為起始信號：程控器共有9路輸出，第1路點火由硬件電路控制，點火脈寬由點火開關控制，因此點火時間較長，剛好與常溫、高溫、低溫測試的能量830mJ、813mJ、837mJ相吻合，此后的第2～7路激光的點火脈寬由軟件控制，約為50ms，其軟件設定的每路時序間隔為100ms（暫定），測定了第1路激光信號與第2路的爆炸光的時序間隔，由于點火開關去抖，占用了5ms，導致第1路激光光信號延遲5ms后輸出，因此第1路和第2路間隔時間約為95ms，點火后探測到的第2～7路的爆炸光的時序間隔約為100ms，如圖12所示，測定高溫試驗下的時序滿足彈射試驗要求。

選定第2路的激光輸出作為起始信號：程控器共有9路輸出點火，其第2～8路的點火脈寬約為50ms，其軟件設定的每路時序間隔為100ms，測定了第2路激光信號與第3路的爆炸光的時序間隔，約為100.5ms，其探測到的第3～8路的爆炸光的時序間隔約為100ms，如圖13所示，測定低溫時序滿足彈射試驗要求。

6 結束語

本文從理論和試驗兩方面研究了激光點火在彈射座椅中的工程應用可行性及相關關鍵點火參數(shù)的選擇，主要包括：（1）單路激光點火時間的特性，確定了實現(xiàn)點火的時間；（2）改進了檢測方法，采用雙波長的方法，實現(xiàn)了全光路檢測，避免了現(xiàn)有檢測方法部分檢測可能造成光路檢測不完全不準確的不足；（3）實現(xiàn)對多路激光點火程控器裝置點火功率和時序的控制，且經(jīng)過振動和高低溫測試后，輸出性能指標穩(wěn)定一致，滿足多路點火的時間要求，達到了預期的技術指標。該激光點火程控器裝置基本達到了工程化應用的水平，可供彈射座椅直接使用，為將來軍用火工品由電點火升級為激光點火積累了寶貴的經(jīng)驗，在國內首次報道了多路激光點火和全光路檢測。

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Study on Optical Circuit On-off Detection and Ignition Timing of Laser Ignition Program Controller for Ejection Seat

Li Shuai1， Wu Hongwei1， Li Zhigang1， Kang Junfeng1， He Aifeng2， Cao Chunqiang2， Jing Bo2

1. Aerospace Life-Support Industries Co.，Ltd.， Xiangyang 441003， China

2. Shanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute， Xian 710061， China

Abstract： In this paper， because of the advantages of anti-static， anti-electromagnetic interference and high safety， laser ignition has important application value in military， aviation， space and other fields. The application of laser ignition technology in the ejection seat is researched. The simulation model of temperature distribution of HMX explosive during laser initiation is established by using the interaction model of material and laser in Finite element analysis software， and the laser initiation test is carried out. The simulation prediction of initiation time and temperature distribution is basically consistent with the experimental results. The detection method is improved， and a dual-wavelength laser and a 2×1 coupler are used to detect the on-off of the all-optical path. Through the simultaneous detection of nine laser channels， the detection of laser signal transmission sequence is realized. The test results meet the requirement that the total ignition time of nine channels of ejection seat is less than 1s. On this basis， the actual ignition test under the conditions of high and low temperature is carried out， and the laser initiation is completed， multi-channel laser ignition timing is studied for the first time，the ignition timing meets the standard of engineering application， and the new laser ignition program controller can be directly applied to the ejection seat， the feasibility of laser ignition in the field of protection and lifesaving is verified.

Key Words： laser ignition； optical path detection； ignition timing； program controller