新型火工品技术在未来武器系统的应用分析

钟杰华 娄依志 张沥

摘 要：为提高未来武器系统的实战化水平，采用传统电火工品已经难以满足要求。新型火工品技术的快速发展为武器系统性能的提升提供有力的技术支持。介绍新型火工品技术的发展与应用，结合未来武器系统对火工品技术的需求，对新型火工品技术在未来武器系统的应用前景进行了深入探讨。

关键词：新型火工品；武器系统；应用

中图分类号：TQ560.7 文献标志码：A 文章编号：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

在導弹武器中，用于点火、起爆的火工品数量较多，对发动机及导弹的安全至关重要。目前广泛应用于导弹、火箭固体发动机点火系统的是电点火器，使用钝感电火工品可减少系统杂散电流等不利因素的影响，但对于射频、闪电及高空电磁脉冲等环境因素还不能克服。随着科学技术的发展和电磁环境恶劣程度加强，对火工品系统的性能提出了更高的要求，主要体现在三方面：（1）安全可靠，即防静电、防射频、可靠发火；（2）发火能量和尺寸越小越好；（3）高瞬发，即在瞬间完成火工品激活。随着激光技术、电子技术领域的发展，火工品技术得到了快速推动。目前，国内外出现了许多与常规火工品不同的新型火工品，如直列式爆炸箔起爆点火技术、激光起爆点火技术及MEMS起爆点火技术等。这些新型火工品技术的发展为武器系统的发展和创新提供了技术支持，并逐步开始在各类武器系统中推广应用。

1 新型火工品技术的发展与应用

1.1 爆炸箔起爆点火技术

爆炸箔起爆（Exploding Foil Initiator，EFI）是通过金属箔或桥在高能快速脉冲下发生电爆炸，由此产生的等离子体迅速膨胀、剪切及驱动一薄塑料片（冲击片）高速撞击高密度炸药，使之迅速完成起爆，所以，爆炸箔起爆器又称为冲击片雷管。爆炸箔起爆点火技术具有安全性好、可靠性高、同步性好、系统设计简单等突出优点，且可抗很强的静电、射频、杂散电流、闪电及电磁干扰等。

爆炸箔点火器主要由冲击片点火管（包括发火引线、反射片、桥箔、飞片、加速膛及超细B/KNO3药柱等组成）和点火药盒构成。它的工作过程是：强大的电流通过金属桥箔时发生爆炸，产生迅速膨胀的等离子体，剪切贴在桥箔上方的聚酰亚胺飞片，并推动飞片以高速撞击超细B/KNO3药柱输入端表面使得药柱爆燃，点燃药盒中的B/KNO3空心药柱，相继点燃火箭发动机点火药及推进剂[1]。

爆炸箔直列式安全起爆系统技术是一种高安全、高可靠引爆技术，国外首先应用于核武器，并逐步推广应用到战术武器，如“海尔法”机载反坦克导弹、“爱国者”反导防空导弹、萨达姆末敏弹等。随着技术的发展，爆炸箔起爆技术逐步实现微型化、集成化和低能化发展，美国等军事强国正致力于提高爆炸箔起爆技术的先进性和成熟度，并推广应用于大部分武器系统，以期提高武器系统起爆的安全性、可靠性、智能化以及设计的简单化[2]。国内中国工程物理研究院、兵器213所和北京理工大学等研究机构也正在致力于发展爆炸箔起爆技术和推广应用。

1.2 激光起爆点火技术

激光火工品技术指的是利用激光能量通过光纤传输至终端的火药或炸药上，使药剂燃烧或爆炸完成点火、起爆等功能的一项火工技术。由于激光火工品是通过光纤来传递能量，因此它具有不受感应电磁信号干扰的突出优势，可显著提高系统的安全性，对于实战化战争具有压倒性的优势。同时实现了炸药、烟火剂与电源装置有效隔离及钝感点火，可实现火工品系统药剂钝感化设计，进一步提高火工品系统的安全性[3][4]。

激光火工品系统由电源、激光控制模块、光纤传输网络及激光火工品等组成，如图1所示。工作时由半导体激光器作为能源产生一定能量的激光，通过光纤传输网络将能量传输到火工品部件上，使系统发生作用，完成预定输出功能。激光起爆属于药剂热点火机理，激光起爆炸药的过程是一个光/热转换激发炸药发生快速化学反应的物理化学过程。当足够能量的激光束照射到药剂表面上，一部分被反射，其余部分被药剂吸收转变为热能，使药剂升温，达到药剂发火点而被引发。

激光火工品系统使用方式有两种，一是采用一个激光器对应一个终端火工品方式，一对一方式是采用一个激光器通过独立的光纤传输网络起爆一个激光火工品，每个激光器、探测器、光纤、激光火工品组成独立回路。其主要优点是激光发火能量相对集中，各发火支路完全独立容易实现同时发火，分时序发火，不存在光路分束和切换的情况，主要缺点是激光器数量较多，系统成本高。二是采用一个激光器对应多路终端火工品的方式，是指采用一个激光器起爆多个激光火工品，主优点是激光器数量少，系统成本低。激光点火器中光纤与点火器的耦合方式有三种基本方式：即光纤插入点火药内，光纤与点火药接触，光纤与点火药之间通过光学窗口耦合。

当前，国外已经把激光点火应用在航空航天等军事领域，针对激光火工技术，美国开展了大量的工程应用研究，并突破了多项工程应用关键技术，并在1992年在美国军标MIL-STD-190中首次要求把激光点火用于直列式点火。并把激光点火技术工程应用在小型洲际导弹（SICBM）、“侏儒”导弹、F-16A飞机飞行员救生等，主要应用于固体火箭发动机、飞机逃生系统、电池激活、尾翼展开等方面的火工品系统。国内的研究机构主要有兵器213所、中国航天科技集团692厂、中国工程物理研究院、北京理工大学等。

1.3 MEMS火工品技术

微机电系统（Micro-electro-mechanical System，MEMS）是指集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理电路和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS火工技术是采用如掩膜、沉积和蚀刻的微机械加工技术、微烟火技术和微型装药技术等将多个含能单元、微机械系统和微电子电路集成为具有多功能的含能模块或含能芯片。MEMS火工品具有微型化、集成化、多功能化、批量化、低成本、高可靠等主要特点。典型的MEMS火工品包括含能桥箔、微推进芯片、微型引信、微型火箭等。MEMS火工品技术属于一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，被国内外业内专家视为继敏感火工品和钝感火工品之后出现的第三代火工品技术[5][6]。

目前，MEMS技术的发展支撑了类似微型航天器、微型卫星、弹道修正弹药和微型弹药等信息化武器装备的发展，这些数字化、智能化弹药的姿态控制、点火分离、弹道修正和安全保险等都离不开基于MEMS技术的微型点火序列和微型传爆序列模块等技术。美国国防预研局（DARPA）对MEMS火工品技术的研究产品包括：微型卫星用MEMS微推冲器阵列、6.25in反鱼雷MEMS安全起爆系统以及20mmOICW单兵武器的MEMS安保机构和引爆系统等。国内开展MEMS技术研发的单位较多， 如清华大学、中电13所、中国科学院等，这些单位已开发一批MEMS器件并走向应用，如微型陀螺、微麦克风、微推进器等器件和样机，开展了MEMS技术在微纳卫星、制导炸弹等航天产品的应用研究。但国内对MEMS火工品技术的研究还处于起步阶段，在武器系统的应用方面还需要相关项目的大力牵引，以获得突破性的进展。

2 新型火工品技术在未来武器系统应用前景

爆炸箔起爆技术由于其起爆阈值能量高，达到数千伏，具有抗静电、杂散电流及射频环境等突出优点；且桥箔是印刷电路元件，可以大批量自动化生产，制造成本低；另外它不含起爆药和松装猛炸药等。上述优点使得爆炸箔起爆技术在导弹武器系统及火箭弹固体发动机点火系统中具有较大的安全性和可靠性优势。爆炸箔起爆技术的推广应用主要受到低能耗与小体积的发展难题，在确保可靠性和安全性的前提下，低功耗和小型化是爆炸箔起爆技术面临的主要应用瓶颈，以实现在武器系统固体发动机点火、战斗部起爆等更广泛领域的应用。

激光火工品技术不需要将桥丝与敏感点火药直接接触，没有电导线与起爆装置直接连接，从而使杂散点火源与装药隔离，电源与装药隔离，从结构上减少了静电和射频危害的可能性。显然，激光火工品技术降低了火工品大电流激发对控制系统的干扰，可提高武器系统的可靠性；同时可实现火工品系统无起爆药，提高武器系统的安全性；另外，还可避免使用前对火工品测试和安装，还可提高装备的操作使用性能，缩短作战准备时间。随着激光器小型化、集成化等关键技术的突破，激光火工品将会取代敏感型桥丝电火工品，成为新一代先进的火工品。但是，激光火工品技术的实际工程应用，还存在一些问题，如：（1）激光起爆需与控制系统设计一体化设计，系统设计还需进一步解决光路系统设计的稳定性和可靠性设计，并解决武器系统安装后的可检测性问题；（2）光电与光学元器件技术水平限制，激光器和探测器需小型化并一体化设计并降低成本；（3）提高系统设计的安全性和可靠性，并实现系统多路点火、系统自诊断功能。

MEMS火工品技术采用了一种系统化、集成化的设计理念，应用微机电技术、微机电与微尺度爆炸序列混合封装及兼容微机电工艺的自动装药等先进技术，实现火工品器件的微型化、集成化及功能多样化。降低了传统火工品统的体积及功耗需求，还赋予了智能化、数字化的特点，具有高集成、高可靠、高安全等突出优势，更能满足未来武器系统对火工品技术微型化、集成化、数字化和智能化的发展需求。随着MEMS火工集成芯片设计、蚀刻、沉积、掩膜、封装、测试等关键技术的逐步突破，MEMS火工器件逐步迈入工程应用阶段，将来取代常规火工品将成为一种趋势，在导弹武器系统及各类兵器中也会得到广泛应用。

3 结束语

本文重点介绍了激光火工品、爆炸箔火工品、MEMS火工品等新型火工品技术的发展与应用，结合未来武器系统对火工品技术提出的防静电、防射频、高可靠、高瞬发、低功耗能量、小体积等高性能要求，分析了新型火工品技术在未来武器系统应用的影响及存在的问题。相对而言，激光火工品需进一步解决工程应用问题，爆炸箔火工品则需进一步解决功耗和体积问题，MEMS火工技术还需通过项目牵引带动预研攻关及工程应用。总之，新型火工品技术的快速发展将为武器系统性能的提升提供有力的技术支持，支撑武器系统实战化能力的全面提升，同时，新型火工品技术的发展也需要相关项目的大力牵引，以获得突破性的进展。

参考文献：

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

[2]吕军军，等.爆炸箔起爆系统的发展[J].科技导报，2011，29（36）：61-65.

[3]赵兴海，高楊，赵翔.激光起爆技术研究进展[J].红外与激光工程，2009，38（5）：797-810.

[4]王悦勇，等.激光点火多路起爆关键技术及发展[J].火工品，2010（1）：53-56.

[5]蒋小华，等.微机电起爆器研究[J].火工品，2009（6）：11-13.

[6]牛兰杰，等.微机电技术在引信中的应用[J].探测与控制学报，2008，30（6）：54-59.