Rapid detection method of propellant parameters based on pulsed laser

含能材料的反应性能研究与参数测试方法通常基于外场试验、爆炸容器实验开展^[1-2]，存在实验条件要求高、精细测量实施难等问题。同时，含能材料新配方、新材料在研发初期由于制备量有限而难以开展宏观反应性能测试。因此，迫切需要发展含能材料反应行为研究和评价的新方法。

激光具有能量纯净、安全可控等优势，其与含能材料作用的研究得到广泛关注，主要包括激光点火^[3]、激光起爆^[4]、含能化合物激光辐照效应^[5]、飞秒激光加工炸药^[6]及纳秒脉冲激光作用含能材料^[7]等研究。高功率纳秒脉冲激光作用于含能材料表面，引起材料瞬态相变和局部微爆，由于能量小、耗散快一般不会实现持续的燃烧爆炸，但其作用于含能材料形成的温度和压力环境，与含能材料实际应用时燃烧爆炸过程接近^[8]，进一步与先进的诊断测试方法结合^[9-12]，可成为精细研究含能材料点火等反应过程的新手段。

美国陆军实验室的GOTTFRIED^[7]基于纳秒脉冲激光与黑索金(cyclotrimethylenetrinitramine, RDX)的作用，证实了激光作用后烧蚀产生的含能材料会发生化学反应，含能材料普遍展现出比非爆炸材料更强的冲击波扩散和产物膨胀特征^[13]。在上述研究的基础上，GOTTFRIED又进一步研究了脉冲激光与二硝基苯甲醚(dinitroanisole，DNAN)、三硝基甲苯(trinitrotoluene，TNT)、六硝基芪(hexanitrostilbene，HNS)、三氨基三硝基苯(triamino-trinitrobenzene，TATB)、硝基三唑酮(nitrotriazolone，NTO)、四硝酸季戊四醇酯(pentaerythritol tetranitrate，PETN)、RDX、奥克托今、六硝基六氮杂异伍兹烷(hexanitrohexaazaisowurtzitane，CL-20)等含能材料的作用特性，建立了激光作用后空气中冲击波特征速度与爆速的实验测量值，以及爆压、爆热等的理论计算值的定标曲线(laser-induced air shock from energetic materials，LASEM)方法，进而基于定标曲线测量了二氨基二硝基乙烯(diaminodinitroethy-lene, FOX-7)、纳米RDX、硝化纤维素等含能材料的爆速、爆热等参数，并估计了新型高氮炸药、新配方炸药的爆轰性能^[14]。COLLINS等人^[15]基于纳秒脉冲激光及高速彩色摄像机等诊断设备，对8种炸药的激光爆燃过程进行了温度、能量释放和发射特征的测量和分析，认为该实验室规模的研究方法适用于新型含能材料的开发。随后，KALAM等人^[16]及BISS等人^[17]也基于此研究方法进行了含能材料性能方面的研究。国内，WANG等人^[18]研究分析了激光光诱导击穿光谱技术及喇曼光谱技术在爆炸物及危险物检测中的应用，提出将二者结合可以有效地提升检测准确度。GUO等人^[19]采用脉冲激光烧蚀的手段激发了RDX基含铝炸药粉末的快速反应，结果表明，添加铝粉后炸药的光谱分布和反应行为存在明显区别，与炸药宏观性能有一定的对应性。

由此可见，脉冲激光与含能材料的作用行为研究已成为一种深入揭示含能材料反应行为和机理的手段，特别是国外学者已基于激光作用下的冲击波速度、等离子体谱线强度比值等参数，建立了其与含能化合物宏观反应性能的定标曲线。但相关研究主要针对单一组分的含能化合物，对发射药等的研究仍非常有限，国内对该方法的研究更是非常缺乏。

针对上述问题，本文作者研究了脉冲激光与单基发射药、双基发射药、三基发射药及单晶冰糖(非含能材料)的作用行为，分析了激光能量、光斑大小对3种发射药及冰糖的冲击波、等离子体特性的影响，并基于激光作用下的冲击波特性，建立了冲击波特征速度与单、双、三基发射药的火药力、爆热及爆温的定标关系，验证了脉冲激光作用参数用于测量发射药能量性能参数的有效性。

本文中所用的样品为单基发射药、双基发射药、三基发射药和单晶冰糖，如表 1所示。单基发射药以石墨作为光泽剂，添加剂为2号中定剂(C₁₅H₁₆N₂O₁)。双基发射药的添加剂为钝感剂二氧化钛(TiO₂)。单晶冰糖的成分为蔗糖，化学式为C₁₂H₂₂O₁₁。本文中所用单基发射药及三基发射药为七孔粒状，双基发射药为管状。为了保证激光烧蚀面的平整，提高样品的统一度。对发射药样品进行了预处理，处理过程为：(a)沿轴线方向，并且避开孔结构对发射药进行纵切；(b)将纵切面在砂纸上轻轻打磨，使表面平整；(c)该纵切面作为激光烧蚀的平面；(d)每次实验进行前都用一发脉冲激光对样品表面杂质进行清理。

基于脉冲激光作用的发射药反应行为及能量性能参数快速检测的实验平台如图 1所示。实验平台主要装置包括：激光器SGR-60，Beamtech(输出波长1064 nm，最大能量约3 J)，输出激光与含能材料作用；激光器Dava-100，Beamtech(输出波长1064 nm，最大能量约100 mJ)，用于搭建激光阴影诊断系统；增强型电荷耦合器件(intensified charge-coupled device，ICCD)iStar DH334T，Andor(像素1024×1024，最短曝光时间约2 ns)；电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)EOS 750D，Canon(互补金属氧化物半导体图像感应器，约2420万pixel)；激光能量计，表头NOVA Ⅱ，Ophir，探头PE50BF-DIF-C，Ophir(探测波长范围：0.19 μm~2.2 μm，能量范围：200 μJ~10 J，损伤阈值：4 J/cm²)，用于监测激光能量。图中，L为平凸透镜；BS(beam splitter)为分束镜；R为反射镜；BE(beam expander)为激光扩束镜；EM(energy meter)为激光能量计；PD(photon detector)为光电探测器；OSC(oscilloscope)为示波器；AG(attenuator group)为能量衰减器。

Figure 1.  Schematic diagram of experimental platform

脉冲激光(1064 nm)小部分能量被分光镜BS₁反射至光电二极管用于时序监测，绝大部分能量透过分光镜BS₁经衰减器衰减后再经第二分光镜BS₂分光，部分光束(能量比例已知)反射至能量计进行能量检测，其余部分透过分光镜BS₂后经透镜L₁聚焦烧蚀样品，在样品表面形成等离子体并引起含能材料发生反应。等离子体的发光图像由ICCD相机搭配镜头直接测量。诊断激光束(1064 nm)由诊断激光器产生，经扩束后光斑覆盖待测区域，通过待测区域后经透镜聚焦，从而在装有1064 nm带通滤波片的CCD相机中成像，诊断激光束的传输同样需经过衰减和分光以确保安全和进行时序监测。

基于上述实验平台，本节中研究发射药和单晶冰糖在不同激光能量和光斑大小条件下的冲击波及等离子体演化规律。激光能量和光斑直径条件包括：200 mJ/889 μm、400 mJ/889 μm和400 mJ/1474 μm。

图 2为400 mJ/1474 μm激光参数下单、双、三基发射药及单晶冰糖的冲击波阴影图像，时间范围为1 μs~5 μs。由图 2可知，相同延时下发射药脉冲的冲击波传播距离显著大于非含能的单晶冰糖，这说明了“含能性”在脉冲激光作用过程中有显著影响。进一步分析，相同延时下三基发射药的冲击波传播距离最大，单基发射药次之，双基发射药最小，这说明了同样是含能的材料，在脉冲激光作用过程中仍存在差异性，该差异本质上与其性能参数有关。值得一提的是，冲击波传播距离不仅体现了平均速度上的区别，还包含了冲击波速度发展的趋势，通过参数化可进一步分析其差异性。

Figure 2.  Shockwave shadow image of propellants and monocrystal rock sugar

图 3为激光参数400 mJ/1474 μm条件下单、双、三基发射药及单晶冰糖的等离子体演化图像，时间范围为400 ns~2000 ns。由图 3可知，在激光参数条件相同的情况下，3种发射药的等离子体演化过程相似，等离子体形态呈扁条状，随着时间推移，等离子体膨胀并衰减。对比非含能的单晶冰糖，发射药等离子体厚度总体更大，膨胀速度更快。进一步分析，虽然材料的“含能性”增强了等离子体发光，但相同参数条件脉冲激光诱导的发射药等离子体并未表现出更强的持续性，结合上述冲击波特性推测，等离子体演化特性的特点可能与激光诱导发射药等离子体与化学反应区域之间的能量传递关系有关。

Figure 3.  Plasma evolution image of propellants and monocrystal rock sugar

为了进一步研究脉冲激光作用发射药特性，明确作用过程以及冲击波、等离子体特性差异的机理，本文中以单基发射药为例，通过与非含能的单晶冰糖进行对比，研究了激光参数条件对脉冲激光作用过程的影响。

图 4为3种激光参数下单晶冰糖(如图 4a、图 4c和图 4e所示)和单基发射药(如图 4b、图 4d和图 4f所示)的冲击波阴影图像，时间范围为脉冲激光起始后1 μs~5 μs。

Figure 4.  Shock wave shadow image of monocrystal rock sugar and single base propellant under different laser parameters

在激光阴影图像中，以同一时刻冲击波传播距离大小比较冲击波强弱。从图 4单基发射药的激光阴影图像可知，在激光参数为200 mJ/889 μm时，单基发射药的冲击波相比单晶冰糖更强，这可能是由于单基发射药作为含能材料，激光激发相变的物质后续存在一系列释能反应，对冲击波有较大增强作用。当激光参数为400 mJ/889 μm时，两者冲击波强度接近，这是由于此时较大激光功率密度诱导较强等离子体，冲击波强度主要受等离子体强度影响。当激光能量保持为400 mJ不变，激光光斑直径由889 μm增大至1474 μm时，单基发射药的冲击波速度呈现增大趋势，这与单晶冰糖的实验结果不同。激光光斑尺寸的增大使激光辐照区域增大，这导致了材料表面受激物质大大增加，而相变的含能材料物质在后续存在一系列显著的释能反应，反应释放的能量对冲击波有增强作用，而相比之下，释能反应对冲击波的增强作用，远大于激光功率密度下降导致等离子体减弱而造成的冲击波减弱作用，因此冲击波速度总体呈现增大趋势。值得一提的是，含能材料与非含能材料在脉冲激光作用过程冲击波特性上体现出来的重要区别，是基于脉冲激光作用参数评价含能材料性能这一方法可行性的重要依据。

在等离子体演化图像中，通过发光强度和膨胀距离来比较等离子体的强度和衰减情况。图 5为3种激光参数条件下单晶冰糖的等离子体演化的图像(如图 5a、图 5c和图 5e所示)和单基发射药的等离子体演化图像(如图 5b、图 5d和图 5f所示)，时间范围为400 ns~2000 ns。分析图 5单晶冰糖的等离子体演化图像可知，当激光光斑直径保持为889 μm不变，激光能量由200 mJ增大至400 mJ时，相同探测延时下等离子体膨胀的距离以及等离子体的尺寸都明显增大，并且等离子体形态在2维图像平面上由扁半圆形变为更加均匀的半圆形，这一现象是因为激光功率密度增大导致了激光诱导等离子体的显著增强。当激光能量保持为400 mJ不变，激光光斑直径由889 μm增大至1474 μm时，激光功率密度的减小导致了等离子体的显著减弱，并且在较大光斑的情况下，等离子体的形态在2维图像平面上呈扁条状，因此可以明显看出, 单晶冰糖在大光斑情况下，等离子体的膨胀距离明显小于小光斑的情况。

Figure 5.  Plasma evolution image of monocrystal rock sugar and single base propellant under different laser paremeters

图 5中单基发射药的等离子体演化图像可知，在激光参数条件由200 mJ/889 μm变为400 mJ/889 μm时，等离子体演化特性的变化规律与单晶冰糖相似，而当激光参数条件为400 mJ/1474 μm时，单基发射药的激光诱导等离子体形态虽然也在2维图像平面上呈条状，但其膨胀距离却介于前两种激光参数条件下的膨胀距离之间，这是由于单基发射药作为含能材料，其受激物质存在后续释能化学反应，释放的能量对等离子体有一定的增强作用，但由于时间尺度太小(百纳秒)，化学反应的进行程度很有限，反应释放的能量在一定程度上影响等离子体的强弱。因此，当激光功率密度较大时，相同时刻等离子体膨胀距离显然更大，如激光参数条件为400 mJ/889 μm(功率密度约为80 TW/m²)时；当激光功率密度接近，如激光参数条件为200 mJ/889 μm(功率密度约为40 TW/m²)和400 mJ/1474 μm(功率密度约为29 TW/m²)时，更大光斑尺寸引起更多受激物质后续的释能反应，在一定程度上增强了等离子体，因此后者的等离子体膨胀距离略大于前者。

进一步分析对比两种样品的实验结果可以明显看出，在两种激光参数条件下，单基发射药的激光诱导等离子体膨胀距离均大于单晶冰糖，但等离子体衰减速度也明显大于单晶冰糖，即单基发射药的激光诱导等离子体起初强于单晶冰糖，其等离子体寿命明显更短。结合冲击波特性，分析如下：单基发射药的激光诱导等离子体起初强于单晶冰糖，这是由于激光直接激发的含能物质反应释放的能量增强等离子体，当直接激发的释能反应结束后，气相以及固相含能物质进行后续反应所需吸收的能量大部分将来自于等离子体，因此能量转移方向变为由等离子体转向含能物质反应区域，而当化学反应向流场释放大量能量时，冲击波被显著增强。值得一提的是，含能材料与非含能材料在等离子体演化特性上所体现出来的能量传递区别，也是基于脉冲激光作用参数评价含能材料性能这一方法可行性的重要依据。

上述研究表明，较大激光光斑尺寸会引起更多质量发射药的反应，使得不同发射药在冲击波及等离子体特性上的差异更加显著。本节中在400 mJ/1474 μm激光参数条件下获得脉冲激光作用下3种发射药的冲击波传播距离，并结合支持向量机(support vector machines, SVM)机器学习方法，围绕单基、双基及三基发射药建立了脉冲激光作用下冲击波特征速度与火药力、爆热及爆温的定标关系。

基于上述实验诊断平台，在激光能量400 mJ、光斑直径1474 μm条件下获取单、双、三基发射药脉冲激光作用过程冲击波阴影图像，并同步监测每发激光的能量。基于不同时刻的激光阴影图像，采用高斯滤波、Canny边缘提取等提取出冲击波前沿位置，从而得到包含1 μs~20 μs共20个散点的冲击波传播距离-时间数据。利用最小二乘法对散点数据进行4次多项式拟合后得到冲击波传播距离变化曲线，对该曲线求导即可得到冲击波速度随时间的变化。将冲击波速度-时间拟合曲线在零时刻取点，可得到该发射药样品的冲击波特征速度。LASEM技术是基于该冲击波特征速度建立与含能材料火药力、爆热及爆温等的定标关系^[14]。需要指出的是，冲击波特征速度虽然在数学推导意义上为冲击波的起始速度，但其并无实际的物理意义，仅作为描述脉冲激光作用过程快速变化量的参数。

图 6为3种发射药冲击波速度散点及其拟合曲线。由曲线y₁、y₂、y₃的截距可得到特征冲击波速度：单基发射药(1296 m/s)、双基发射药(1256 m/s)、三基发射药(1492 m/s)。由图中误差棒分布可知，单基及三基发射药的冲击波速度抖动较小，而双基发射药在起始阶段(0 μs~5 μs)冲击波速度计算误差较大，从而对特征冲击波速度的截取造成影响。实际研究中，每次重复实验的脉冲激光能量存在微小抖动，对冲击波位置曲线及速度曲线的拟合存在显著影响。

Figure 6.  Shockwave velocity and fitting curve of propellants

为了尽量减小激光能量抖动对特征冲击波速度计算的影响，获取更为可靠、准确的定标基础数据，进一步基于每次实验对应激光能量参数的监测数据，通过SVM^[20]的回归算法对获取的冲击波传播距离进行修正，修正流程如图 7所示。

Figure 7.  Correction process of shockwave propagation distance

流程中，通过固定时间参数t₀为1 μs~20 μs来获取修正后的各时刻冲击波位置散点数据。激光能量参数E₀取最大值与最小值的中间值，从而在算法上去除能量抖动影响。

基于修正后的冲击波传播距离数据计算得到特征冲击波，图 8为经激光能量参数修正后的3种发射药冲击波速度散点及其拟合曲线。由曲线y₁、y₂、y₃的截距可得到修正后的特征冲击波速度：单基发射药(1047 m/s)、双基发射药(982.5 m/s)、三基发射药(1140 m/s)。

Figure 8.  Shockwave velocity and fitting curve of propellants (after correction)

综上所述，在400 mJ/1474 μm激光条件下获得的单、双、三基发射药冲击波特征速度如表 2所示。其在一定程度上体现了发射药的能量性能，下面进一步将其作为关键参数，建立其与发射药火药力、爆热及爆温的实验定标关系。

由单基发射药与单晶冰糖脉冲激光作用过程冲击波及等离子体特性研究可知，发射药脉冲激光作用冲击波速度与火药力、爆热及爆温的关联性在于：火药力衡量的气体做功能力、爆热及爆温衡量的能量释放及转化水平，对化学反应产物生成速率和气体运动速度产生影响，从而与脉冲激光作用过程的冲击波传播速度存在关联。本文中所采用的3种发射药的火药力、爆热及爆温参数如表 3所示，其中火药力、爆热为实测值，爆温为计算值，实测数据基于GJB770B-2005试验方法测得。

基于表 2和表 3数据，分别建立冲击波特征速度及修正的冲击波特征速度与发射药能量性能参数的线性定标模型，定标结果如图 9~图 11所示。未修正时，冲击波特征速度对于火药力、爆热及爆温的线性定标效果较好，决定系数R²分别为0.9718、0.9255、0.9380，但在95%的置信度下，都存在置信区间(confi-dence interval，CI)较大的问题。由图中红色点线可知，修正后的冲击波特征速度对于火药力、爆热及爆温的线性定标效果得到进一步提高，决定系数R²分别为0.9912、0.9998、0.9999，均优于未经激光能量修正的定标模型，并且在95%的置信度下，修正后的定标模型置信区间都有所减小，以爆热和爆温的定标关系最为显著。

Figure 9.  Linear calibration result of explosive force

Figure 10.  Linear calibration result of explosive heat

Figure 11.  Linear calibration result of explosive temperature

表 4和表 5为3种发射药火药力、爆热、爆温参数的预测值及误差。可见，基于冲击波特征速度建立的线性定标模型，对发射药性能参数的预测值误差均小于7%，在误差允许的条件下可实现火药力、爆热及爆温参数的有效预测。并且由表 5可知，经过激光能量参数修正，定标模型对火药力的预测误差减小至不高于2%，对爆热、爆温的预测误差减小至不高于0.5%，模型预测准确度显著提高。

建立了脉冲激光与含能材料作用平台及冲击波、等离子体图像等瞬态诊断的实验平台，基于该平台研究了单基发射药和单晶冰糖在不同激光能量和光斑条件下的冲击波及等离子体演化规律。冲击波研究方面，相同激光能量下，对于单晶冰糖，更大的光斑导致冲击波减弱，这是由等离子体减弱引起，对于单基发射药，更大的光斑导致冲击波增强，这是由于含能物质的激发量增大引起的。等离子体图像方面，与单晶冰糖相比，单基发射药起始等离子体更强，但寿命更短，这是由于等离子体能量向含能材料反应区域转移引起的。可见含能材料与非含能材料脉冲激光作用过程冲击波及等离子体特性的主要影响因素不同，含能材料主要受含能物质化学反应的影响，非含能材料主要受等离子体强度影响。

在激光参数条件为400 mJ/1474 μm条件下获取3种发射药冲击波传播距离，并同时监测每次激光能量。利用激光能量参数及SVM算法修正冲击波传播距离，基于LASEM方法建立的线性定标模型，对发射药火药力、爆热及爆温有较好的预测能力，R²分别达到0.9912、0.9998、0.9999，均优于未经激光能量修正的定标模型。研究验证了脉冲激光作用参数用于评估发射药能量性能参数的适用性。下一步将针对更多种类的含能材料开展研究。