激光驱动飞片点火设计技术研究

摘要

起爆系统的安全性与可靠性设计在武器系统研制中扮演着极其重要的角色。激光驱动飞片点火方式由于其点火能量形式的独特性，被认为是未来安全起爆的重要方式之一。本文针对激光驱动飞片点火的设计技术，从机理分析、理论计算和实验验证等方面，进行了深入系统的研究。
　　本文根据点火系统的目标要求，提出了激光驱动飞片点火系统的总体设计方案，明确了各关键部件的功能和指标特性，并从系统角度提出了小型化和工程化的途径和方向;
　　在深入理解激光与金属靶作用机理的基础上，通过分析激光支持爆轰波(LSDW)的时空发展行为，建立了激光-靶耦合的力学模型。以铝飞片为例，推导了飞片主要特征参量的计算公式（包括:动量、速度、动能、能量利用率、最佳加速距离和比冲能），讨论了激光参数（功率密度、脉宽和焦斑直径）和飞片结构参数（飞片半径和厚度）对上述参量的影响。为了能够对飞片的形成过程有更加全面的认识，本文还讨论了完整飞片形成的三大要素，即:激光对膜的烧蚀、飞片的形成阈值、飞片的完整性。理论计算了脉冲激光对铝、铜和镁三种膜的烧蚀深度;重点分析了激光功率密度和脉宽与三种膜烧蚀深度的关系。以铝膜为例，开展了相应的实验研究;理论计算了铜、铝和镁飞片形成的能量密度阈值和功率密度阈值，并分析了脉宽对阈值的影响;探索了飞片完整性的影响因素，开展了飞片完整性的评估实验;
　　在不同激光输入能量、不同飞片结构情况下，采用光纤探针阵列测试系统对飞片的平面性和平均速度进行了测试。测试结果显示:相同输入条件下，复合飞片性能（平面性、速度、能量利用率）均优于单层飞片;绝热层的厚度对复合飞片的平面性没有显著影响，但可影响飞片的速度和能量利用率。绝热层较厚的复合飞片可获得更高的速度和能量利用率。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 激光点火的主要方式和各自特点

1．3 激光驱动飞片点火技术的研究现状

1．4 论文的研究目标

1．5 论文的研究内容

1．6 论文的组织结构

第二章 激光驱动飞片点火系统的总体设想

2．1 临界起爆能量

2．1．1 临界起爆能量公式的建立

2．1．2 临界能量公式的讨论

2．2 飞片比冲能

2．3 激光驱动飞片点火系统的总体设计构想

2．3．1 系统功能结构及实现方式

2．3．2 激光器

2．3．3 光纤及光纤连接器

2．3．4 加速膛

2．3．5 膜的附着方式及其制各工艺

2．3．6 膜的材质选择及结构形式

第三章 高功率激光与金属靶作用机理探讨

3．1 引言

3．2 激光与金属材料作用分类

3．3 激光诱导等离子体产生与发展

3．3．1 蒸汽的电离

3．3．2 Saha方程

3．4 激光支持燃烧波的产生与传播

3．4．1 激光支持吸收波

3．4．2 激光支持燃烧波的流体力学描述

3．5 激光支持爆轰波的产生与传播

3．5．1 激光支持爆轰波

3．5．2 激光支持燃烧波到激光支持爆轰波的转化

3．5．3 激光支持爆轰波的流体力学描述

3．5．4 激光支持爆轰波的点火机理—等离子击穿模型

第四章 激光驱动飞片特征参量的计算与分析

4．1 激光与靶耦合的力学模型

4．1．1 激光与自由靶耦合的力学模型

4．1．2 激光与约束靶耦合的力学模型

4．2 激光传递到约束靶的冲量

4．3 模型的精度

4．4 飞片特征参量的计算与分析

4．4．1 飞片动量的计算与分析

4．4．2 飞片速度的计算与分析

4．4．3 飞片最佳飞行距离的计算与分析

4．4．4 飞片动能的计算与分析

4．4．5 飞片动能利用率的计算与分析

4．4．6 飞片比冲能的计算与分析

4．4．7 小结

第五章 完整飞片的形成条件

5．1 膜的烧蚀

5．1．1 膜烧蚀深度的计算

5．1．2 计算结果及讨论

5．1．3 铝膜烧蚀实验

5．2 飞片的形成

5．2．1 阈值公式

5．2．2 计算结果及讨论

5．3 飞片的完整性

5．3．1 飞片完整性的影响因素

5．3．2 R-T波

第六章 激光驱动飞片的实验研究

6．1 磁控溅射技术

6．1．1 磁控溅射技术的原理

6．1．2 磁控溅射的特点

6．2 样品制备工艺及其形貌分析

6．2．1 样品制各工艺

6．2．2 表面形貌分析

6．3 激光驱动飞片的完整性评估实验

6．3．1 实验装置

6．3．2 实验过程及原理

6．3．3 约束结构

6．3．4 非约束结构

6．4 激光驱动飞片的平面性测试

6．4．1 实验原理及装置

6．4．2 实验数据的有效性

6．4．3 实验结果及讨论

6．5 激光驱动飞片的平均速度测试

6．5．1 测试原理

6．5．2 测量不确定度的计算

6．5．3 实验结果及讨论

第七章 激光驱动飞片点火系统的设计实例

7．1 设计目标和要求

7．2 系统结构和功能模块

7．3 系统参数的确定

7．4 设计步骤

第八章 总结与展望

8．1 主要结论

8．2 创新点

8．3 对今后工作的设想

致谢

参考文献

研究生在校期间发表学术论文情况及科研情况