含能材料是各類武器系統(tǒng)中槍炮發(fā)射藥、推進(jìn)劑和炸藥必不可少的重要組成部分,在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中也起著巨大的作用。含能材料科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展與武器科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)并相互促進(jìn)。激光與含能材料作用原理及實驗研究具有重要的理論和應(yīng)用價值。激光點火是指用激光能量引燃或引爆含能材料,與傳統(tǒng)的點火方式——電橋絲點火相比,激光點火的顯著優(yōu)點是抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全性高、能量大、一致性好、可靠性高。武器系統(tǒng)的安全性和可靠性是武器系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)之一。隨著戰(zhàn)場等環(huán)境的惡化,安全性和可靠性在對武器等的性能要求中占據(jù)了越來越突出的地位。傳統(tǒng)的導(dǎo)彈、火箭的發(fā)射和做功系統(tǒng)的點火裝置,大部分采用的是電橋絲武電點火器,這種點火器已不能適應(yīng)現(xiàn)代化武器系統(tǒng)的使用環(huán)境,特別是電磁(射頻、靜電、高空電磁脈沖、閃電、雜散電流)環(huán)境。激光點火是一種高能量或高功率密度激發(fā)的方式,已成為這一領(lǐng)域的研究重點和熱點。
《含能材料激光點火》全面綜述了含能材料領(lǐng)域的發(fā)展概況和研究進(jìn)展、激光技術(shù)發(fā)展,重點闡述了含能材料的發(fā)展歷史背景、激光起爆、激光特性、含能材料性能、炸藥的新進(jìn)展、爆炸過程等內(nèi)容,還介紹了含能材料分解和引發(fā)過程、含能材料光熱性能以及含能材料激光作用理論進(jìn)展等。
此外,《含能材料激光點火》展望了含能材料激光點火的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn),是含能材料領(lǐng)域具有重要理論價值的學(xué)術(shù)著作,對含能材料領(lǐng)域的發(fā)展和學(xué)術(shù)體系的建立具有重要的指導(dǎo)作用。
《含能材料激光點火》可以用于高等院校相關(guān)專業(yè)高年級本科生和研究生的教學(xué),也可為含能材料領(lǐng)域的研究人員提供有益的借鑒。
《含能材料激光點火》系統(tǒng)全面地歸納了激光與含能材料的作用原理及實驗研究的新進(jìn)展,作者對含能材料激光點燃理論、提高含能材料安全性的材料與方法、激光與含能材料相互作用等的歸納和闡述對我國含能材料研究工作的開展具有很高的參考價值。作者對含能材料激光點火發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)的認(rèn)識,亦有助于我國研究人員把握研究方向。含能材料激光點火作為一項綜合性的激光應(yīng)用高新技術(shù),不僅在航空航天和軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值和廣闊的發(fā)展前景,而且已經(jīng)開始進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的其他領(lǐng)域,對我國含能材料研究工作的開展具有很高的參考價值。
有關(guān)實用激光方面的研究可追溯到20世紀(jì)60年代,由美國Hughes研究實驗室的T.H.Maiman最早開展了這方面的研究,那一段時間曾將激光稱為“一種很有實用價值的工具”。隨后不久,激光即作為一種輔助研究工具幾乎在科學(xué)技術(shù)研究的各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光在國防領(lǐng)域的應(yīng)用最早見于美國“星球大戰(zhàn)計劃”中反導(dǎo)系統(tǒng)的新聞報道中,毫無疑問,在那之后的兩年中激光在國防工業(yè)中的應(yīng)用得到了廣泛的研究和發(fā)展,特別是在火炸藥的點火/起爆方面,但由于當(dāng)時“冷戰(zhàn)”思維盛行,大多數(shù)這方面的研究都處于絕對保密狀態(tài)。然而從那之后,由于各方面的原因,激光在國防領(lǐng)域的應(yīng)用一直沒有什么實質(zhì)性的進(jìn)展,直到最近,有關(guān)這方面的研究才又得到重視。目前,安全性是含能材料制造、貯存、使用和運輸方面的一個重要考核指標(biāo),這也促進(jìn)了大量有關(guān)含能材料合成安全性和高性能武器彈藥點火安全性方面的研究。在整個生產(chǎn)使用壽命周期中的成本效率、安全性以及報廢處理后的環(huán)境污染問題是武器彈藥研究和發(fā)展的重點,本書目的也主要是更好地闡明激光點火這一研究領(lǐng)域的背景與現(xiàn)狀,以期為改善含能材料的安全性提供一定的理論基礎(chǔ)。
本書以炸藥這類材料的發(fā)明、發(fā)展和使用作為開始,首先按時間順序作了簡要的介紹。這些介紹完全是一些歷史背景方面的介紹,而且這方面的介紹來源于不同的資料。隨后在第2章中對激光在含能材料點火/起爆方面(包括一些點火臨界參數(shù))的研究與發(fā)展作了大量詳盡的介紹,并附加了大量的參考文獻(xiàn)以及最近幾年出版的相關(guān)文獻(xiàn)。
由于本書的題目是圍繞含能材料和激光點火這兩個完全不同的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,為便于讀者系統(tǒng)了解,本書在第3章和第4章中分別對含能材料與激光點火進(jìn)行了詳盡的闡述。第3章主要介紹了激光的技術(shù)、產(chǎn)生方式及其一般性能的科學(xué)背景。第4章介紹了含能材料的合成和一般性能背景,包括含能材料的主要組分(燃料與氧化劑的混合物以及單質(zhì)含能材料)以及含能材料的分類方式。這些內(nèi)容足夠相關(guān)研究人員去了解這一領(lǐng)域的研究背景,而且對于一些希望能夠得到這一領(lǐng)域更深入的研究情況的讀者,這兩章還提供了大量的參考文獻(xiàn)以及相關(guān)論著。值得提醒的是,有關(guān)這方面內(nèi)容的更多信息可從大量開放的文獻(xiàn)資源中獲取。
第5章詳述了目前含能材料的局限性及提高安全性的方法,例如,針對塑性粘結(jié)炸藥(PBX)等。有關(guān)新型炸藥的合成這一活躍的研究領(lǐng)域的研究和發(fā)展現(xiàn)狀也在這一章中作了重點介紹,而且這些新合成的含能材料其毒性通常較低,因此在這一章中還對一些新合成的含能材料作了詳細(xì)介紹,特別是高氮含能化合物,因為研究發(fā)現(xiàn)一些高氮含能化合物可在未來的激光點火領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。
第6章介紹了含能材料的熱分、簡單燃燒、爆燃以及爆轟等基本過程;此外,對一些炸藥爆炸能和沖擊波超壓的影響因素以及提高炸藥爆炸能的方法都在本章中進(jìn)行了相關(guān)論述。第7章詳述了含能材料起爆過程中的能量變化特點以及目前含能材料所使用的起爆技術(shù),重點介紹了采用光學(xué)或激光方式的起爆技術(shù)。此外,除介紹了一些目前使用的起爆雷管的基本性能外,還重點介紹了按起爆的容易程度劃分的炸藥分類方式以及從降低危險性考慮的爆炸序列的使用方法。第8章主要介紹了激光的安全防護(hù)和安全點火特性;此外,還簡要介紹了另一類起爆藥的發(fā)展現(xiàn)狀。在本章所列的一些含能材料對激光輻射特別敏感而且還具有很好的爆炸性能,甚至超過了現(xiàn)有的一些高爆炸藥。
第9章和第10章介紹了一些激光與含能材料相互作用的基本理論知識,包括含能材料的光學(xué)和熱性能。第11章簡要介紹了一些激光在含能材料點火領(lǐng)域的實際研究實例,主要引自作者所在的實驗室在這一領(lǐng)域所進(jìn)行的一些研究工作。最后在第12章主要介紹了一些在這方面研究的重要結(jié)論以及該研究領(lǐng)域的未來展望和研究發(fā)展方向。
S.Rafi Ahmad,博士,于1988年在Cranield大學(xué)(CU)創(chuàng)建了應(yīng)用激光光譜研究中心,直到2012年退休。1972年,他在英國牛津大學(xué)完成了一篇關(guān)于“激光與固體材料的相互作用”的論文,獲得了哲學(xué)博士學(xué)位。他作為一名科學(xué)家就職于(英國)國防部,隨后加入Cranield大學(xué)開展科研。他的研究領(lǐng)域非常廣泛,包括含能材料的激光點火以及生物醫(yī)學(xué)中激光誘導(dǎo)天然和合成聚合物的加工。他的研究得到許多國家和國際機(jī)構(gòu)資助,也是一些歐盟資助項目的首席研究員,眾多合作伙伴來自歐盟國家,研究主題包括黃麻改性(中國歐盟合作)和塑料識別(BE-7148)。他還擔(dān)任過歐盟EULASENET網(wǎng)絡(luò)管理委員會的英國代表、使用激光器保存藝術(shù)品的COST-G7行動協(xié)調(diào)員。他曾指導(dǎo)11名博士生,發(fā)表了62篇同行評審的論文和其他專著。
Michael Cartwright,博士,1963年畢業(yè)于倫敦大學(xué)化學(xué)專業(yè),先后在Windscale從事核工業(yè)研究,在倫敦開展制藥研究工作,在巴斯大學(xué)擔(dān)任核化學(xué)研究員。1974年在巴斯大學(xué)研究工作的基礎(chǔ)上,完成《固體輻射損傷研究》學(xué)位論文,被授予倫敦大學(xué)的博士學(xué)位。此外,他還從事無機(jī)熱化學(xué)和有機(jī)金屬配合物的化學(xué)研究。他的興趣隨著他就職的大學(xué)首臺單晶體四圓結(jié)構(gòu)測定儀器而擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)化學(xué)和X射線衍射。
1986年,他到克蘭菲爾德大學(xué)(Cranfield University),在皇家軍事科學(xué)院(RMCS)斯瑞文翰(Shrivenham)校區(qū)從事含能材料領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作,主要興趣是分子結(jié)構(gòu)和爆炸敏感性之間的關(guān)系,隨后發(fā)展成為炸藥軍械工程碩士研究生系列講座。他是法醫(yī)工程與科學(xué)的碩士學(xué)位課程的創(chuàng)始人之一。幫助大學(xué)開展對爆炸物環(huán)境影響的研究,特別是制造廠廢水排放和彈藥處理場的土地污染的研究,設(shè)計了關(guān)于環(huán)境診斷和廢水化學(xué)的跨站點碩士課程。從事含能材料研究得到國防部、政府機(jī)構(gòu)、研究機(jī)構(gòu)和私營公司的資助。代表克蘭菲爾德大學(xué)參與國防部的安全協(xié)調(diào)中心,設(shè)計用于評估含能材料意外起爆風(fēng)險的測試方法。還代表克蘭菲爾德大學(xué)參加了幾個北約組織,研究涉及含能材料科學(xué)的各個方面。于2009年從克蘭菲爾德大學(xué)退休。
第1章 歷史背景
1.1 引言
1.2 黑火藥時期
1.3 炮、步槍和火箭
1.3.1 步槍(滑膛槍)
1.3.2 火箭技術(shù)
1.4 戰(zhàn)斗部
1.5 炸藥科學(xué)
參考書目
第2章 激光起爆回顧
2.1 引言
2.2 起爆過程
2.3 激光直接照射起爆研究
2.3.1 激光功率
2.3.2 激光脈沖寬度
2.3.3 吸收中心
2.3.4 壓裝密度
2.3.5 裝藥容器的尺寸
2.3.6 材料的老化
2.3.7 激光誘導(dǎo)電響應(yīng)
2.4 激光驅(qū)動飛片起爆
2.5 小結(jié)和研究理論基礎(chǔ)
參考書目
參考文獻(xiàn)
第3章 激光原理及激光技術(shù)
3.1 激光的定義
3.2 光的概念
3.3 有關(guān)光源的物理量
3.4 激光原理概述
3.5 基本的激光技術(shù)
3.6 激光與普通熱源的對比
3.7 含能材料激光點火研究中常用激光器
3.7.1 Nd:YAG激光器
3.7.2 二極管光源(LED光源)
3.7.3 二極管激光器
3.8 激光點火用激光束的傳播方式
3.8.1 自由空間傳播
3.8.2 光纖傳輸
3.9 激光安全
3.9.1 激光與人體器官間的相互作用
3.9.2 眼睛損傷的預(yù)防
參考書目
……
第4章 含能材料基本特性
第5章 炸藥研究進(jìn)展
第6章 爆炸過程
第7章 含能材料的分解和起爆過程
第8章 新型起爆藥
第9章 含能材料的光學(xué)性能和熱性能
第10章 激光與含能材料相互作用相關(guān)理論
第11章 激光點火——實際問題
第12章 結(jié)論和前景