航天運載火箭高安全火工起爆技術發展及啟示

唐 科，陳 楷，宋乾強，沈瑞琪，朱 朋

(1.北京宇航系統工程研究所， 北京 100076； 2.南京理工大學 化學與化工學院， 南京 210094)

1 引言

目前我國航天運載火箭用的火工品廣泛采用了以金屬片狀橋帶為換能元的第二代火工起爆技術，其廣泛應用于運載火箭分離、增壓輸送、發動機點火等各個環節。工作時，通入額定電流，橋帶中心區域灼熱，發生電熱轉換，引爆首層起爆藥后逐級引爆后續裝藥，實現起爆或者點火功能。當外部電磁或射頻環境達到異常強度時，產生感應電流通過橋帶橋區，可能造成熱量累積；由于橋區和藥劑直接接觸，藥劑非常敏感，累積的熱量可能導致電起爆器發生誤爆，帶來安全性問題。

20世紀90年代初，美國國防部、能源部以及航天局在關于火工品技術的發展規劃中多次提到激光點火技術和鈍感高能傳爆技術，目的就是革新起爆和傳爆技術，實現爆炸元件的鈍感特性。鈍感彈藥、鈍感火工品，已經成為國際軍事發展的潮流，鈍感爆炸元件在很大程度上能夠保證武器系統的安全性，減少意外事故而造成的人員傷亡和財產損失。本文總結了以激光起爆技術和爆炸箔起爆技術為代表的第三代高安全火工起爆技術的發展歷程和工程應用情況，介紹了航天運載火箭所采用的激光起爆技術和爆炸箔起爆技術系統方案，評估了2種起爆技術的適應性，為推動高安全火工起爆技術在航天運載火箭中的發展和工程應用提供了建議。

2 安全事故案例及安全性要求

人類歷史上，發生了眾多與火炸藥相關的安全事故，帶來了嚴重的人員傷亡和財產損失。例如1967年6月6日美國航空母艦“弗萊斯特”號，飛機掛載的火箭彈機械保險銷被海風刮落，供電系統電路產生浪涌，導致火箭彈的意外發射，引發大火，造成軍械庫爆炸。事故造成了134人死亡，160人受傷，損失20多架飛機，修復工作用時近兩年，花費兩千多萬美元。1969年1月14日美國第一艘核動力航母“企業號”艦載戰斗機起飛時，發動機火焰意外烤燃火箭發動機，彈藥在燃燒環境中發生爆炸，導致28人死亡，344人受傷，15架戰斗機毀壞，17架戰斗機損傷，事故的爆炸現場見圖1。此外2000年8月12日在巴倫支海域進行演習的俄羅斯導彈核潛艇“庫爾斯克號”，由于燃料電池起火，烤爆了一枚未使用不敏感炸藥裝藥的魚雷，導致其他魚雷連環爆炸，造成108人遇難。高敏感性的炸藥和推進劑裝藥、低的安全冗余度設計、弱抗電磁干擾能力的發射控制電路是導致安全事故發生的主要因素，而這些因素一旦疊加或超過安全臨界值，將會導致災難性的安全事故。

由于安全事故導致了重大的人員和財產損傷，彈藥的安全性得到了廣泛和高度的重視。美國海軍對彈藥安全性開展了深入研究，其目的是在不降低彈藥遠射程、高威力等傳統性能的基礎上，提高彈藥對外界環境刺激或戰場意外打擊情況下的安定性，有效降低其意外引爆的風險和對武器平臺后勤系統及人員帶來的附加傷害。美國國防部頒布了適用于所有的火箭非核武器彈藥和含能器件標準——MIL-STD-2105D《非核彈藥危險性評估標準》，囊括了作戰和勤務期間彈藥可能遭遇的威脅，并且建立了快速烤燃、慢速烤燃、子彈撞擊、破片撞擊、殉爆、高速射流撞擊等6項安全性試驗方法和評價準則。根據試驗的反應程度，將危害性分為完全爆轟(Ⅰ級)、部分爆轟(Ⅱ級)、爆炸(Ⅲ級)、爆燃(Ⅳ級)、燃燒(Ⅴ級)和非自持反應(或不反應)(Ⅵ級)等6個等級。安全的彈藥應達到三星水平，除了射流和殉爆反應能達到不低于Ⅲ類水平(殉爆)，其他試驗反應均不能低于Ⅳ類(燃燒)。

圖1 彈藥安全事故現場圖

國內爆炸物感度的相關國軍標主要有GJB770A《火藥分析試驗方法》、GJB771《火炸藥性能試驗方法》、GJB772A《炸藥試驗方法》，規定了炸藥感度原理試驗和評價方法。GJB8142—2013《鈍感炸藥安全性試驗方法——靜電火花感度試驗》，提出了不敏感炸藥的靜電火花感度試驗方法和評定準則。GJB 2178.1A—9A—2005《傳爆藥劑安全性試驗方法》，規定了沖擊感度、摩擦感度、撞擊感度、靜電感度、沖擊波感度、熱絲感度、快烤、慢烤等9項安全性試驗項目，形成了不敏感彈藥試驗和評估方法。滿足GJB 2178—2005規定的火工藥劑，屬于不敏感彈藥，可以作為直列式裝藥使用，具有很高的安全性。但是不敏感藥劑，在提高藥劑鈍感性的同時，也降低了藥劑的能量，其發展趨勢就是讓混合藥劑在擁有不敏感特性的同時，保持其高能的特性。

3 激光起爆技術發展

激光火工系統(Laser Ignition Ordnance system,LIOs)是將激光器輸出的激光能量通過光纜作用于含能材料以實現點火、起爆反應的火工系統。該系統有3個基本結構單元，點火控制單元、光能傳輸單元和激光換能單元，如圖2所示。點火控制單元含有驅動電源、安保機構和半導體激光器，主要功能是接收到控制系統的電信號后，由驅動電源轉換為激光器所需的電信號，并驅動激光器產生激光。為進一步提高系統的安全性，對電源控制電路和光纖傳輸光路設置了電子安保邏輯控制，包括安全、解除保險和發火功能。光能傳輸單元含有光纜和光纖連接器等光學器件，主要功能是傳輸點火激光能量和傳輸光路自檢信號。激光換能單元即激光火工品，含有光學透窗和激光敏感藥劑，主要功能是實現激光點火起爆反應的能量轉換。光路檢測方面，對激光點火系統能量傳遞的機理和光路損耗來源展開了研究，通過點火光纖和檢測光纖獨立的雙光纖自聚焦透鏡組件設計，在確保激光點火功率的前提下，提高了反射光接收率。

圖2 激光火工系統組成示意圖

激光火工系統與電起爆火工系統相比，提供了安全、可控的能量傳遞。激光火工系統需要將電能轉化為光能，再轉化為熱能起爆，因此，激光火工系統相對于電起爆火工系統，需要從電能到光能的額外的能量轉移。這種額外能量轉移的損失是可以接受的，因為激光及光路對雜散電流極不敏感，從本質上提升了火工系統的安全性。雖然電能到光能的能量轉移發生在激光二極管內，這構成了激光起爆系統設計和應用的限制因素，但隨著光電領域技術不斷進步，激光光電轉換和傳輸的性能和效率不斷提高，使得激光起爆技術在航天運載火箭上的應用成為可能。激光火工系統中采用了與電絕緣的石英光纖傳輸能量和信號，能夠避免靜電、電磁輻射等外界干擾的影響，從本質上消除了靜電、射頻、雷擊等復雜電磁環境引起意外起爆的可能性。

激光傳輸的光纖很細，芯徑一般在微米量級，因此激光具有很高的能量密度，另外可以使用光學元件或光路設計使光束聚焦成一個很小的光斑，從而產生更高的能量密度，可以直接起爆鈍感的炸藥或者驅動飛片起爆鈍感炸藥，進一步提升火工系統的安全性。

對于激光火工系統的研究，國外在初始階段就設定了以實現工程應用為目標的研制思路，在每一個研究階段都有明確的工程應用背景。據文獻調研，1991年至2008年間，激光火工系統在國外航天系統中的應用情況見表1，典型的應用案例見圖3、圖4。

表1 激光火工系統在航天系統中的應用

圖3 薩德激光起爆產品圖

圖4 奧地利CTR研究中心的激光點火裝置圖

為了應對未來運載火箭小型化、集成化和智能化發展需要，陜西應用物理化學研究所對激光火工系統單機集成技術開展了研究，通過MEMS制造工藝，將激光二極管、光學傳感器和激光敏感藥劑集成在一起，實現了激光火工系統小型化和集成化發展，見圖5。集成化的激光火工裝置，通過電連接器直接接受控制系統輸入的電信號，在裝置內部完成電光轉化和化學起爆，其擴展了激光火工系統應用場景，避免了工程應用上存在的光纖連接器污染、高量級振動沖擊環境對激光起爆系統造成的傳輸能量損耗等實際工程問題，對控制系統影響更小，更易于實現對電起爆火工系統的升級換代。但是，激光火工品和控制器件高度集成，相對于傳統電起爆器的成本更高、產品質量一致性檢驗和測試缺乏相應的標準、對于電磁防護的效果還需要進一步驗證、產品可靠性還有待評估，距離工程應用尚有差距。

圖5 集成激光火工裝置結構示意圖

4 爆炸箔起爆技術發展

爆炸箔火工系統(Exploding Foil Initiator system，EFIs)組成如圖6所示，其工作原理為：控制系統輸入初始信號，系統解除保險，驅動電源通過變壓器升高壓，對高壓電容進行充電儲能；當充電完成后，系統接收點火指令，高壓開關閉合使放電回路導通產生脈沖大電流，使橋箔發生電爆炸驅動飛片，沖擊起爆鈍感藥劑形成爆轟輸出，完成預定功能。

圖6 爆炸箔火工系統組成示意圖

爆炸箔火工系統與橋帶式電火工品相比，安全性有了顯著提高。爆炸箔起爆器的裝藥具有本質安全性，滿足GJB2178—2005的規定，并且金屬橋箔與裝藥之間隔離無直接接觸，滿足直列式裝藥規范。爆炸箔起爆的作用原理具有本質安全性，只有當儲能電容放電產生數千安培的脈沖大電流時，才足以使金屬橋箔發生電爆炸，產生足夠能量的等離子體驅動飛片高速飛行，沖擊起爆裝藥。通過全電子安全保險策略，保險裝置對接收的輸入信號進行識別、邏輯處理、分析判斷后，輸出控制充電儲能和終端工作的控制信號，能夠有效避免爆炸箔系統意外供電誤觸發。因此，產品對外界的自然環境(靜電與電磁等環境)與人為環境均具有極高的安全性。

目前，美國和歐洲在爆炸箔火工系統研究方面發展迅速。根據爆炸箔火工系統的研究發展歷程，國內學者將爆炸箔起爆系統分為傳統爆炸箔起爆系統(EFIs)、低能量爆炸箔起爆系統(LEEFIs)以及微芯片集成爆炸箔火工系統(McEFIs)3個階段，如圖7所示。

以第二代和第三代爆炸箔技術為特點的集成化爆炸箔火工系統，拓展了使用場景。爆炸箔火工系統存在高壓電路，一般不用于遠距離傳輸部位，通常用在發動機點火和戰斗部起爆上。當系統點火控制模塊、電能儲能模塊以及爆炸箔火工品完成小型化、輕質化和集成化設計后，可實現爆炸箔火工系統的多部位、多場景使用，除了戰斗部、發動機，還可以應用于分離、電爆閥門、安全自毀等各個環節。國外近30年來爆炸箔火工系統在武器系統中的應用見表2。

圖7 爆炸箔火工技術發展歷程示意圖

表2 爆炸炸箔火工系統在國外航天系統中的應用

美國1970年開始在土星V號上就大量使用了高壓爆炸橋絲EBW，其本質就是EFI的前身，用于自毀和分離，如圖8所示。EFI既是以EBW為基礎衍生出的一種新型起爆器，EFI比EBW具有以下特點：

1) EFI爆炸橋箔、飛片和加速膛與始發裝藥完全隔離；

2) EFI始發裝藥的密度比EBW雷管始發藥的密度高得多，EBW雷管很難起爆高密度的次級炸藥；

3) EFI作用時間短，引爆閾值范圍窄，重復性和同步性好；

4) EFI結構緊湊，具有良好的抗振、抗沖擊和抗過載能力；

5) EFI點火需要特殊的能量脈沖(低電感、大電流和短脈沖作用時間)；

6) EFI對靜電和電磁輻射有很好的抗干擾能力等。

圖8 土星V號運載火箭應用爆炸橋絲起爆器示意圖

歐洲自20世紀90年代以來開展了爆炸箔火工系統的研究，包括全電子安保系統(ESAD)與爆炸箔起爆器(EFI)集成研究，近年來低能爆炸箔起爆器和電子安保裝置已經型譜化，并應用在航天以及其他軍工行業，如圖9所示。隨著技術進步，低能化、小型化是爆炸箔起爆技術的發展方向。

圖9 爆炸箔系統朝集成化、小型化方向發展示意圖

5 航天運載火箭激光和爆炸箔火工系統方案

5.1 高安全火工系統技術途徑

火工系統是航天運載火箭中的重要組成部分，也是運載火箭中最敏感的分系統，對運載火箭的安全性影響重大。為了提升火工系統的安全性，可以采取以下技術途徑：

1) 火工品系統控制電路設計上，采取相應的安全保險策略，在起爆電路與控制電路之間采用編碼通訊和光耦隔離技術，防止錯誤指令導致的誤觸發，提高起爆控制系統的抗電磁安全性；

2) 火工藥劑選用上，盡量避免使用起爆藥，使用鈍感裝藥代替敏感裝藥，滿足MIL-STD-2105D或GJB 2178—2005的安全性要求，以保證整個火工系統的安全性；

3) 在安全性關鍵環節，采用隔斷式安全保險裝置或采用滿足直列式規范的全電子保險裝置；

4) 采用激光火工品技術，采用光纖傳輸的光能代替電纜傳輸的電能，避免射頻和電磁感應對發火信號的干擾；

5) 采用爆炸箔(EFI)火工品技術，只能采用特殊的高壓高功率脈沖源進行發火，自然界中的人體靜電、雜散電流、射頻等普通電磁環境、甚至核電磁脈沖環境不可能造成EFI意外發火，由于EFI中僅使用了許用傳爆藥，如六硝基茋(HNS)，滿足直列式起爆規范，具有本質安全性。

5.2 激光火工系統

航天運載火箭激光點火電源和控制模塊是一個通用模件，集成了激光器及其控制器件，根據控制系統指令發出激光，具有引爆控制、檢測及數據采集等功能。光纜網組件由光纖、連接器、光開關、分束器組成，用于傳輸激光。激光火工品點火時，藥劑吸收點火激光能量產生爆燃，輸出燃氣，或通過BNCP將爆燃轉化為爆轟波輸出，見圖10。BNCP屬于安全鈍感的起爆藥，機械感度在PETN和RDX之間，火焰、靜電火花感度比Pb(N)、LTNR等起爆更鈍感，但仍屬于起爆類藥劑，不滿足GJB 2178—2005的規定，不屬于直列式起爆藥劑。目前，激光火工系統已經成功應用于航天運載火箭型號，并成功飛行，全箭所有火工品已經實現激光點火或起爆。

圖10 激光火工系統組成原理示意圖

5.3 爆炸箔火工系統

對于航天運載火箭，傳統的分體式爆炸箔起爆裝置，由于其體積較大，并且放電回路與爆炸箔火工品之間只能通過扁平電纜連接，連接長度有限，造成了使用不便，其往往應用于戰斗部等對安裝空間要求相對較低的環節。而分離系統火工品種類多、供電需求大、安裝空間緊張，傳統的分體式爆炸箔起爆裝置往往難以應用。隨著集成化技術發展，爆炸箔起爆器與控制單元實現了集成設計。通過系統集成，將高壓起爆電路的電感降至最小，從而有效提高脈沖功率源的放電效率，有利于實現EFI的低能化，以達到降低系統成本、實現小型化和高可靠性的目標。

航天運載火箭集成爆炸箔火工系統由控制裝置、屏蔽電纜和起爆裝置3部份組成，分為單通道一拖一、四通道一拖四的2種情況。以四通道一拖四系統為例，爆炸箔火工系統由1臺四出口的控制裝置和4個獨立的起爆裝置組成，兩者之間通過4根屏蔽電纜連接，如圖11所示。一拖四系統設計時，一個控制裝置通過4根屏蔽電纜連接4個起爆裝置，進行分時控制分時起爆。控制裝置主要包括控制模塊、安保模塊、升壓模塊等組成，可實現對起爆裝置控制、安保以及升壓等功能。起爆裝置主要由包括高壓放電回路的電路模塊和包括裝藥組件的爆炸箔起爆器等組成。屏蔽線纜具備高壓防護和靜電屏蔽功能，根據系統設計和布局需要，選配不同長度的線纜。升壓模塊可以在控制裝置中，也可以集成在起爆裝置中。放電回路集成在起爆裝置中，采用高壓電容和MCT開關，以盡可能降低放電回路長度，減小回路電感，提供高功率脈沖能量，實現爆炸箔起爆裝置起爆。

圖11 爆炸箔起爆系統結構示意圖(4通道)

5.4 適應性評估

激光起爆系統和爆炸箔起爆系統，均屬于第三代火工系統，相對于航天運載火箭目前大量使用的第二代電熱式火工系統，安全性有了本質的提升，屬于未來航天運載火箭火工系統的發展方向。

1) 激光和爆炸箔起爆系統均具有很高的安全性，爆炸箔起爆系統能夠直接作為直列式起爆系統，而激光起爆系統采用BNCP裝藥時，不能滿足直列式起爆規范，需要配合安全保險裝置或用在一些危險等級影響相對較低的起爆環節。激光驅動飛片引爆HNS或激光直接起爆HNS，是解決藥劑安全性的途徑之一，距離工程應用尚有差距。

2) 激光起爆系統利用光纜傳輸，傳輸距離更長，有利于運載火箭集中控制使用，但需要解決點火閾值偏高、光纜網組件安裝環境適應性問題、光路損耗、潔凈度防護等工程難題。

3) 爆炸箔系統屬于電爆系統，電能易于控制，但使用更為復雜，需要提前充電，接收到指令后再放電，由于分離系統設計時，各個分離動作指令時間間隔近，造成控制系統設計更加復雜。現有爆炸箔系統由于體積較大，多應用于發動機、戰斗部等環節，分離系統使用較少。在分離系統使用時，需要進一步提高其集成度、減小體積、提高能量利用效率，同時做好放電過程中產生的電磁環境對周邊設備的影響防護。此外，將CDU和EFI集成，提高其能量傳輸效率，為遠距離傳輸創造可行性。

4) 從整個技術路線發展來看，2種起爆技術都是屬于2個成熟的高安全起爆技術方向，從國外的應用來看，爆炸箔更多的應用在海軍項目中，其鹽霧、霉菌環境更加惡劣，艦船上電磁環境也異常復雜，功率也更加巨大，海軍艦船和潛艇，一旦發生安全問題，將帶來嚴重的災難性損失。對于安全性要求極高的環節，爆炸箔起爆系統更加適用。對于陸軍、空軍型號，由于安裝空間限制和長距離傳輸要求，同時對鹽霧、霉菌的要求也相對較低，因此這些型號也許更適用于激光起爆系統。

6 結論

無論是激光起爆系統，還是爆炸箔起爆系統，都向著集成化方向發展，以縮小產品體積，提升能量利用效率，提高環境耐受能力，實現小型化、低成本、模塊化大規模設計和精確制造，推動航天運載火箭火工技術跨越式發展。以激光和爆炸箔起爆系統為代表的第三代火工技術集成化發展后，推動了電子技術、控制技術與火工技術等多學科融合發展，火工品脫離簡單的加工、生產和試驗，集成制造已成為未來火工技術發展的必然之路。