新型火工品技術(shù)在未來武器系統(tǒng)的應用分析

鐘杰華 婁依志 張瀝

摘 要：為提高未來武器系統(tǒng)的實戰(zhàn)化水平，采用傳統(tǒng)電火工品已經(jīng)難以滿足要求。新型火工品技術(shù)的快速發(fā)展為武器系統(tǒng)性能的提升提供有力的技術(shù)支持。介紹新型火工品技術(shù)的發(fā)展與應用，結(jié)合未來武器系統(tǒng)對火工品技術(shù)的需求，對新型火工品技術(shù)在未來武器系統(tǒng)的應用前景進行了深入探討。

關(guān)鍵詞：新型火工品；武器系統(tǒng)；應用

中圖分類號：TQ560.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）13-0033-03

Abstract： In order to improve the actual combat level of the future weapon system， we have difficulty in meeting the requirements using the traditional electrical initiating explosive devices. The rapid development of new initiating explosive technology provides powerful technical support for the improvement of weapon system performance. This paper introduces the development and application of the new initiating explosive technology， and discusses the application prospect of the new initiating explosive technology in the future weapon system according to the demand of the future weapon system for the initiating explosive technology.

Keywords： new initiating explosive device； weapon system； application

在導彈武器中，用于點火、起爆的火工品數(shù)量較多，對發(fā)動機及導彈的安全至關(guān)重要。目前廣泛應用于導彈、火箭固體發(fā)動機點火系統(tǒng)的是電點火器，使用鈍感電火工品可減少系統(tǒng)雜散電流等不利因素的影響，但對于射頻、閃電及高空電磁脈沖等環(huán)境因素還不能克服。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和電磁環(huán)境惡劣程度加強，對火工品系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，主要體現(xiàn)在三方面：（1）安全可靠，即防靜電、防射頻、可靠發(fā)火；（2）發(fā)火能量和尺寸越小越好；（3）高瞬發(fā)，即在瞬間完成火工品激活。隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，火工品技術(shù)得到了快速推動。目前，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多與常規(guī)火工品不同的新型火工品，如直列式爆炸箔起爆點火技術(shù)、激光起爆點火技術(shù)及MEMS起爆點火技術(shù)等。這些新型火工品技術(shù)的發(fā)展為武器系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新提供了技術(shù)支持，并逐步開始在各類武器系統(tǒng)中推廣應用。

1 新型火工品技術(shù)的發(fā)展與應用

1.1 爆炸箔起爆點火技術(shù)

爆炸箔起爆（Exploding Foil Initiator，EFI）是通過金屬箔或橋在高能快速脈沖下發(fā)生電爆炸，由此產(chǎn)生的等離子體迅速膨脹、剪切及驅(qū)動一薄塑料片（沖擊片）高速撞擊高密度炸藥，使之迅速完成起爆，所以，爆炸箔起爆器又稱為沖擊片雷管。爆炸箔起爆點火技術(shù)具有安全性好、可靠性高、同步性好、系統(tǒng)設(shè)計簡單等突出優(yōu)點，且可抗很強的靜電、射頻、雜散電流、閃電及電磁干擾等。

爆炸箔點火器主要由沖擊片點火管（包括發(fā)火引線、反射片、橋箔、飛片、加速膛及超細B/KNO3藥柱等組成）和點火藥盒構(gòu)成。它的工作過程是：強大的電流通過金屬橋箔時發(fā)生爆炸，產(chǎn)生迅速膨脹的等離子體，剪切貼在橋箔上方的聚酰亞胺飛片，并推動飛片以高速撞擊超細B/KNO3藥柱輸入端表面使得藥柱爆燃，點燃藥盒中的B/KNO3空心藥柱，相繼點燃火箭發(fā)動機點火藥及推進劑[1]。

爆炸箔直列式安全起爆系統(tǒng)技術(shù)是一種高安全、高可靠引爆技術(shù)，國外首先應用于核武器，并逐步推廣應用到戰(zhàn)術(shù)武器，如“海爾法”機載反坦克導彈、“愛國者”反導防空導彈、薩達姆末敏彈等。隨著技術(shù)的發(fā)展，爆炸箔起爆技術(shù)逐步實現(xiàn)微型化、集成化和低能化發(fā)展，美國等軍事強國正致力于提高爆炸箔起爆技術(shù)的先進性和成熟度，并推廣應用于大部分武器系統(tǒng)，以期提高武器系統(tǒng)起爆的安全性、可靠性、智能化以及設(shè)計的簡單化[2]。國內(nèi)中國工程物理研究院、兵器213所和北京理工大學等研究機構(gòu)也正在致力于發(fā)展爆炸箔起爆技術(shù)和推廣應用。

1.2 激光起爆點火技術(shù)

激光火工品技術(shù)指的是利用激光能量通過光纖傳輸至終端的火藥或炸藥上，使藥劑燃燒或爆炸完成點火、起爆等功能的一項火工技術(shù)。由于激光火工品是通過光纖來傳遞能量，因此它具有不受感應電磁信號干擾的突出優(yōu)勢，可顯著提高系統(tǒng)的安全性，對于實戰(zhàn)化戰(zhàn)爭具有壓倒性的優(yōu)勢。同時實現(xiàn)了炸藥、煙火劑與電源裝置有效隔離及鈍感點火，可實現(xiàn)火工品系統(tǒng)藥劑鈍感化設(shè)計，進一步提高火工品系統(tǒng)的安全性[3][4]。

激光火工品系統(tǒng)由電源、激光控制模塊、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)及激光火工品等組成，如圖1所示。工作時由半導體激光器作為能源產(chǎn)生一定能量的激光，通過光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將能量傳輸?shù)交鸸て凡考希瓜到y(tǒng)發(fā)生作用，完成預定輸出功能。激光起爆屬于藥劑熱點火機理，激光起爆炸藥的過程是一個光/熱轉(zhuǎn)換激發(fā)炸藥發(fā)生快速化學反應的物理化學過程。當足夠能量的激光束照射到藥劑表面上，一部分被反射，其余部分被藥劑吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使藥劑升溫，達到藥劑發(fā)火點而被引發(fā)。

激光火工品系統(tǒng)使用方式有兩種，一是采用一個激光器對應一個終端火工品方式，一對一方式是采用一個激光器通過獨立的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)起爆一個激光火工品，每個激光器、探測器、光纖、激光火工品組成獨立回路。其主要優(yōu)點是激光發(fā)火能量相對集中，各發(fā)火支路完全獨立容易實現(xiàn)同時發(fā)火，分時序發(fā)火，不存在光路分束和切換的情況，主要缺點是激光器數(shù)量較多，系統(tǒng)成本高。二是采用一個激光器對應多路終端火工品的方式，是指采用一個激光器起爆多個激光火工品，主優(yōu)點是激光器數(shù)量少，系統(tǒng)成本低。激光點火器中光纖與點火器的耦合方式有三種基本方式：即光纖插入點火藥內(nèi)，光纖與點火藥接觸，光纖與點火藥之間通過光學窗口耦合。

當前，國外已經(jīng)把激光點火應用在航空航天等軍事領(lǐng)域，針對激光火工技術(shù)，美國開展了大量的工程應用研究，并突破了多項工程應用關(guān)鍵技術(shù)，并在1992年在美國軍標MIL-STD-190中首次要求把激光點火用于直列式點火。并把激光點火技術(shù)工程應用在小型洲際導彈（SICBM）、“侏儒”導彈、F-16A飛機飛行員救生等，主要應用于固體火箭發(fā)動機、飛機逃生系統(tǒng)、電池激活、尾翼展開等方面的火工品系統(tǒng)。國內(nèi)的研究機構(gòu)主要有兵器213所、中國航天科技集團692廠、中國工程物理研究院、北京理工大學等。

1.3 MEMS火工品技術(shù)

微機電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical System，MEMS）是指集微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理電路和控制電路，直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS火工技術(shù)是采用如掩膜、沉積和蝕刻的微機械加工技術(shù)、微煙火技術(shù)和微型裝藥技術(shù)等將多個含能單元、微機械系統(tǒng)和微電子電路集成為具有多功能的含能模塊或含能芯片。MEMS火工品具有微型化、集成化、多功能化、批量化、低成本、高可靠等主要特點。典型的MEMS火工品包括含能橋箔、微推進芯片、微型引信、微型火箭等。MEMS火工品技術(shù)屬于一種典型的多學科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，被國內(nèi)外業(yè)內(nèi)專家視為繼敏感火工品和鈍感火工品之后出現(xiàn)的第三代火工品技術(shù)[5][6]。

目前，MEMS技術(shù)的發(fā)展支撐了類似微型航天器、微型衛(wèi)星、彈道修正彈藥和微型彈藥等信息化武器裝備的發(fā)展，這些數(shù)字化、智能化彈藥的姿態(tài)控制、點火分離、彈道修正和安全保險等都離不開基于MEMS技術(shù)的微型點火序列和微型傳爆序列模塊等技術(shù)。美國國防預研局（DARPA）對MEMS火工品技術(shù)的研究產(chǎn)品包括：微型衛(wèi)星用MEMS微推沖器陣列、6.25in反魚雷MEMS安全起爆系統(tǒng)以及20mmOICW單兵武器的MEMS安保機構(gòu)和引爆系統(tǒng)等。國內(nèi)開展MEMS技術(shù)研發(fā)的單位較多， 如清華大學、中電13所、中國科學院等，這些單位已開發(fā)一批MEMS器件并走向應用，如微型陀螺、微麥克風、微推進器等器件和樣機，開展了MEMS技術(shù)在微納衛(wèi)星、制導炸彈等航天產(chǎn)品的應用研究。但國內(nèi)對MEMS火工品技術(shù)的研究還處于起步階段，在武器系統(tǒng)的應用方面還需要相關(guān)項目的大力牽引，以獲得突破性的進展。

2 新型火工品技術(shù)在未來武器系統(tǒng)應用前景

爆炸箔起爆技術(shù)由于其起爆閾值能量高，達到數(shù)千伏，具有抗靜電、雜散電流及射頻環(huán)境等突出優(yōu)點；且橋箔是印刷電路元件，可以大批量自動化生產(chǎn)，制造成本低；另外它不含起爆藥和松裝猛炸藥等。上述優(yōu)點使得爆炸箔起爆技術(shù)在導彈武器系統(tǒng)及火箭彈固體發(fā)動機點火系統(tǒng)中具有較大的安全性和可靠性優(yōu)勢。爆炸箔起爆技術(shù)的推廣應用主要受到低能耗與小體積的發(fā)展難題，在確?？煽啃院桶踩缘那疤嵯?，低功耗和小型化是爆炸箔起爆技術(shù)面臨的主要應用瓶頸，以實現(xiàn)在武器系統(tǒng)固體發(fā)動機點火、戰(zhàn)斗部起爆等更廣泛領(lǐng)域的應用。

激光火工品技術(shù)不需要將橋絲與敏感點火藥直接接觸，沒有電導線與起爆裝置直接連接，從而使雜散點火源與裝藥隔離，電源與裝藥隔離，從結(jié)構(gòu)上減少了靜電和射頻危害的可能性。顯然，激光火工品技術(shù)降低了火工品大電流激發(fā)對控制系統(tǒng)的干擾，可提高武器系統(tǒng)的可靠性；同時可實現(xiàn)火工品系統(tǒng)無起爆藥，提高武器系統(tǒng)的安全性；另外，還可避免使用前對火工品測試和安裝，還可提高裝備的操作使用性能，縮短作戰(zhàn)準備時間。隨著激光器小型化、集成化等關(guān)鍵技術(shù)的突破，激光火工品將會取代敏感型橋絲電火工品，成為新一代先進的火工品。但是，激光火工品技術(shù)的實際工程應用，還存在一些問題，如：（1）激光起爆需與控制系統(tǒng)設(shè)計一體化設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計還需進一步解決光路系統(tǒng)設(shè)計的穩(wěn)定性和可靠性設(shè)計，并解決武器系統(tǒng)安裝后的可檢測性問題；（2）光電與光學元器件技術(shù)水平限制，激光器和探測器需小型化并一體化設(shè)計并降低成本；（3）提高系統(tǒng)設(shè)計的安全性和可靠性，并實現(xiàn)系統(tǒng)多路點火、系統(tǒng)自診斷功能。

MEMS火工品技術(shù)采用了一種系統(tǒng)化、集成化的設(shè)計理念，應用微機電技術(shù)、微機電與微尺度爆炸序列混合封裝及兼容微機電工藝的自動裝藥等先進技術(shù)，實現(xiàn)火工品器件的微型化、集成化及功能多樣化。降低了傳統(tǒng)火工品統(tǒng)的體積及功耗需求，還賦予了智能化、數(shù)字化的特點，具有高集成、高可靠、高安全等突出優(yōu)勢，更能滿足未來武器系統(tǒng)對火工品技術(shù)微型化、集成化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展需求。隨著MEMS火工集成芯片設(shè)計、蝕刻、沉積、掩膜、封裝、測試等關(guān)鍵技術(shù)的逐步突破，MEMS火工器件逐步邁入工程應用階段，將來取代常規(guī)火工品將成為一種趨勢，在導彈武器系統(tǒng)及各類兵器中也會得到廣泛應用。

3 結(jié)束語

本文重點介紹了激光火工品、爆炸箔火工品、MEMS火工品等新型火工品技術(shù)的發(fā)展與應用，結(jié)合未來武器系統(tǒng)對火工品技術(shù)提出的防靜電、防射頻、高可靠、高瞬發(fā)、低功耗能量、小體積等高性能要求，分析了新型火工品技術(shù)在未來武器系統(tǒng)應用的影響及存在的問題。相對而言，激光火工品需進一步解決工程應用問題，爆炸箔火工品則需進一步解決功耗和體積問題，MEMS火工技術(shù)還需通過項目牽引帶動預研攻關(guān)及工程應用?？傊?，新型火工品技術(shù)的快速發(fā)展將為武器系統(tǒng)性能的提升提供有力的技術(shù)支持，支撐武器系統(tǒng)實戰(zhàn)化能力的全面提升，同時，新型火工品技術(shù)的發(fā)展也需要相關(guān)項目的大力牽引，以獲得突破性的進展。

參考文獻：

[1]楊振英，等.爆炸箔點火器研究[J].含能材料，2004，12（1）：56-58.

[2]呂軍軍，等.爆炸箔起爆系統(tǒng)的發(fā)展[J].科技導報，2011，29（36）：61-65.

[3]趙興海，高楊，趙翔.激光起爆技術(shù)研究進展[J].紅外與激光工程，2009，38（5）：797-810.

[4]王悅勇，等.激光點火多路起爆關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展[J].火工品，2010（1）：53-56.

[5]蔣小華，等.微機電起爆器研究[J].火工品，2009（6）：11-13.

[6]牛蘭杰，等.微機電技術(shù)在引信中的應用[J].探測與控制學報，2008，30（6）：54-59.