航天运载火箭高安全火工起爆技术发展及启示

唐 科，陈 楷，宋乾强，沈瑞琪，朱 朋

(1.北京宇航系统工程研究所， 北京 100076； 2.南京理工大学 化学与化工学院， 南京 210094)

1 引言

目前我国航天运载火箭用的火工品广泛采用了以金属片状桥带为换能元的第二代火工起爆技术，其广泛应用于运载火箭分离、增压输送、发动机点火等各个环节。工作时，通入额定电流，桥带中心区域灼热，发生电热转换，引爆首层起爆药后逐级引爆后续装药，实现起爆或者点火功能。当外部电磁或射频环境达到异常强度时，产生感应电流通过桥带桥区，可能造成热量累积；由于桥区和药剂直接接触，药剂非常敏感，累积的热量可能导致电起爆器发生误爆，带来安全性问题。

20世纪90年代初，美国国防部、能源部以及航天局在关于火工品技术的发展规划中多次提到激光点火技术和钝感高能传爆技术，目的就是革新起爆和传爆技术，实现爆炸元件的钝感特性。钝感弹药、钝感火工品，已经成为国际军事发展的潮流，钝感爆炸元件在很大程度上能够保证武器系统的安全性，减少意外事故而造成的人员伤亡和财产损失。本文总结了以激光起爆技术和爆炸箔起爆技术为代表的第三代高安全火工起爆技术的发展历程和工程应用情况，介绍了航天运载火箭所采用的激光起爆技术和爆炸箔起爆技术系统方案，评估了2种起爆技术的适应性，为推动高安全火工起爆技术在航天运载火箭中的发展和工程应用提供了建议。

2 安全事故案例及安全性要求

人类历史上，发生了众多与火炸药相关的安全事故，带来了严重的人员伤亡和财产损失。例如1967年6月6日美国航空母舰“弗莱斯特”号，飞机挂载的火箭弹机械保险销被海风刮落，供电系统电路产生浪涌，导致火箭弹的意外发射，引发大火，造成军械库爆炸。事故造成了134人死亡，160人受伤，损失20多架飞机，修复工作用时近两年，花费两千多万美元。1969年1月14日美国第一艘核动力航母“企业号”舰载战斗机起飞时，发动机火焰意外烤燃火箭发动机，弹药在燃烧环境中发生爆炸，导致28人死亡，344人受伤，15架战斗机毁坏，17架战斗机损伤，事故的爆炸现场见图1。此外2000年8月12日在巴伦支海域进行演习的俄罗斯导弹核潜艇“库尔斯克号”，由于燃料电池起火，烤爆了一枚未使用不敏感炸药装药的鱼雷，导致其他鱼雷连环爆炸，造成108人遇难。高敏感性的炸药和推进剂装药、低的安全冗余度设计、弱抗电磁干扰能力的发射控制电路是导致安全事故发生的主要因素，而这些因素一旦叠加或超过安全临界值，将会导致灾难性的安全事故。

由于安全事故导致了重大的人员和财产损伤，弹药的安全性得到了广泛和高度的重视。美国海军对弹药安全性开展了深入研究，其目的是在不降低弹药远射程、高威力等传统性能的基础上，提高弹药对外界环境刺激或战场意外打击情况下的安定性，有效降低其意外引爆的风险和对武器平台后勤系统及人员带来的附加伤害。美国国防部颁布了适用于所有的火箭非核武器弹药和含能器件标准——MIL-STD-2105D《非核弹药危险性评估标准》，囊括了作战和勤务期间弹药可能遭遇的威胁，并且建立了快速烤燃、慢速烤燃、子弹撞击、破片撞击、殉爆、高速射流撞击等6项安全性试验方法和评价准则。根据试验的反应程度，将危害性分为完全爆轰(Ⅰ级)、部分爆轰(Ⅱ级)、爆炸(Ⅲ级)、爆燃(Ⅳ级)、燃烧(Ⅴ级)和非自持反应(或不反应)(Ⅵ级)等6个等级。安全的弹药应达到三星水平，除了射流和殉爆反应能达到不低于Ⅲ类水平(殉爆)，其他试验反应均不能低于Ⅳ类(燃烧)。

图1 弹药安全事故现场图

国内爆炸物感度的相关国军标主要有GJB770A《火药分析试验方法》、GJB771《火炸药性能试验方法》、GJB772A《炸药试验方法》，规定了炸药感度原理试验和评价方法。GJB8142—2013《钝感炸药安全性试验方法——静电火花感度试验》，提出了不敏感炸药的静电火花感度试验方法和评定准则。GJB 2178.1A—9A—2005《传爆药剂安全性试验方法》，规定了冲击感度、摩擦感度、撞击感度、静电感度、冲击波感度、热丝感度、快烤、慢烤等9项安全性试验项目，形成了不敏感弹药试验和评估方法。满足GJB 2178—2005规定的火工药剂，属于不敏感弹药，可以作为直列式装药使用，具有很高的安全性。但是不敏感药剂，在提高药剂钝感性的同时，也降低了药剂的能量，其发展趋势就是让混合药剂在拥有不敏感特性的同时，保持其高能的特性。

3 激光起爆技术发展

激光火工系统(Laser Ignition Ordnance system,LIOs)是将激光器输出的激光能量通过光缆作用于含能材料以实现点火、起爆反应的火工系统。该系统有3个基本结构单元，点火控制单元、光能传输单元和激光换能单元，如图2所示。点火控制单元含有驱动电源、安保机构和半导体激光器，主要功能是接收到控制系统的电信号后，由驱动电源转换为激光器所需的电信号，并驱动激光器产生激光。为进一步提高系统的安全性，对电源控制电路和光纤传输光路设置了电子安保逻辑控制，包括安全、解除保险和发火功能。光能传输单元含有光缆和光纤连接器等光学器件，主要功能是传输点火激光能量和传输光路自检信号。激光换能单元即激光火工品，含有光学透窗和激光敏感药剂，主要功能是实现激光点火起爆反应的能量转换。光路检测方面，对激光点火系统能量传递的机理和光路损耗来源展开了研究，通过点火光纤和检测光纤独立的双光纤自聚焦透镜组件设计，在确保激光点火功率的前提下，提高了反射光接收率。

图2 激光火工系统组成示意图

激光火工系统与电起爆火工系统相比，提供了安全、可控的能量传递。激光火工系统需要将电能转化为光能，再转化为热能起爆，因此，激光火工系统相对于电起爆火工系统，需要从电能到光能的额外的能量转移。这种额外能量转移的损失是可以接受的，因为激光及光路对杂散电流极不敏感，从本质上提升了火工系统的安全性。虽然电能到光能的能量转移发生在激光二极管内，这构成了激光起爆系统设计和应用的限制因素，但随着光电领域技术不断进步，激光光电转换和传输的性能和效率不断提高，使得激光起爆技术在航天运载火箭上的应用成为可能。激光火工系统中采用了与电绝缘的石英光纤传输能量和信号，能够避免静电、电磁辐射等外界干扰的影响，从本质上消除了静电、射频、雷击等复杂电磁环境引起意外起爆的可能性。

激光传输的光纤很细，芯径一般在微米量级，因此激光具有很高的能量密度，另外可以使用光学元件或光路设计使光束聚焦成一个很小的光斑，从而产生更高的能量密度，可以直接起爆钝感的炸药或者驱动飞片起爆钝感炸药，进一步提升火工系统的安全性。

对于激光火工系统的研究，国外在初始阶段就设定了以实现工程应用为目标的研制思路，在每一个研究阶段都有明确的工程应用背景。据文献调研，1991年至2008年间，激光火工系统在国外航天系统中的应用情况见表1，典型的应用案例见图3、图4。

表1 激光火工系统在航天系统中的应用

图3 萨德激光起爆产品图

图4 奥地利CTR研究中心的激光点火装置图

为了应对未来运载火箭小型化、集成化和智能化发展需要，陕西应用物理化学研究所对激光火工系统单机集成技术开展了研究，通过MEMS制造工艺，将激光二极管、光学传感器和激光敏感药剂集成在一起，实现了激光火工系统小型化和集成化发展，见图5。集成化的激光火工装置，通过电连接器直接接受控制系统输入的电信号，在装置内部完成电光转化和化学起爆，其扩展了激光火工系统应用场景，避免了工程应用上存在的光纤连接器污染、高量级振动冲击环境对激光起爆系统造成的传输能量损耗等实际工程问题，对控制系统影响更小，更易于实现对电起爆火工系统的升级换代。但是，激光火工品和控制器件高度集成，相对于传统电起爆器的成本更高、产品质量一致性检验和测试缺乏相应的标准、对于电磁防护的效果还需要进一步验证、产品可靠性还有待评估，距离工程应用尚有差距。

图5 集成激光火工装置结构示意图

4 爆炸箔起爆技术发展

爆炸箔火工系统(Exploding Foil Initiator system，EFIs)组成如图6所示，其工作原理为：控制系统输入初始信号，系统解除保险，驱动电源通过变压器升高压，对高压电容进行充电储能；当充电完成后，系统接收点火指令，高压开关闭合使放电回路导通产生脉冲大电流，使桥箔发生电爆炸驱动飞片，冲击起爆钝感药剂形成爆轰输出，完成预定功能。

图6 爆炸箔火工系统组成示意图

爆炸箔火工系统与桥带式电火工品相比，安全性有了显著提高。爆炸箔起爆器的装药具有本质安全性，满足GJB2178—2005的规定，并且金属桥箔与装药之间隔离无直接接触，满足直列式装药规范。爆炸箔起爆的作用原理具有本质安全性，只有当储能电容放电产生数千安培的脉冲大电流时，才足以使金属桥箔发生电爆炸，产生足够能量的等离子体驱动飞片高速飞行，冲击起爆装药。通过全电子安全保险策略，保险装置对接收的输入信号进行识别、逻辑处理、分析判断后，输出控制充电储能和终端工作的控制信号，能够有效避免爆炸箔系统意外供电误触发。因此，产品对外界的自然环境(静电与电磁等环境)与人为环境均具有极高的安全性。

目前，美国和欧洲在爆炸箔火工系统研究方面发展迅速。根据爆炸箔火工系统的研究发展历程，国内学者将爆炸箔起爆系统分为传统爆炸箔起爆系统(EFIs)、低能量爆炸箔起爆系统(LEEFIs)以及微芯片集成爆炸箔火工系统(McEFIs)3个阶段，如图7所示。

以第二代和第三代爆炸箔技术为特点的集成化爆炸箔火工系统，拓展了使用场景。爆炸箔火工系统存在高压电路，一般不用于远距离传输部位，通常用在发动机点火和战斗部起爆上。当系统点火控制模块、电能储能模块以及爆炸箔火工品完成小型化、轻质化和集成化设计后，可实现爆炸箔火工系统的多部位、多场景使用，除了战斗部、发动机，还可以应用于分离、电爆阀门、安全自毁等各个环节。国外近30年来爆炸箔火工系统在武器系统中的应用见表2。

图7 爆炸箔火工技术发展历程示意图

表2 爆炸炸箔火工系统在国外航天系统中的应用

美国1970年开始在土星V号上就大量使用了高压爆炸桥丝EBW，其本质就是EFI的前身，用于自毁和分离，如图8所示。EFI既是以EBW为基础衍生出的一种新型起爆器，EFI比EBW具有以下特点：

1) EFI爆炸桥箔、飞片和加速膛与始发装药完全隔离；

2) EFI始发装药的密度比EBW雷管始发药的密度高得多，EBW雷管很难起爆高密度的次级炸药；

3) EFI作用时间短，引爆阈值范围窄，重复性和同步性好；

4) EFI结构紧凑，具有良好的抗振、抗冲击和抗过载能力；

5) EFI点火需要特殊的能量脉冲(低电感、大电流和短脉冲作用时间)；

6) EFI对静电和电磁辐射有很好的抗干扰能力等。

图8 土星V号运载火箭应用爆炸桥丝起爆器示意图

欧洲自20世纪90年代以来开展了爆炸箔火工系统的研究，包括全电子安保系统(ESAD)与爆炸箔起爆器(EFI)集成研究，近年来低能爆炸箔起爆器和电子安保装置已经型谱化，并应用在航天以及其他军工行业，如图9所示。随着技术进步，低能化、小型化是爆炸箔起爆技术的发展方向。

图9 爆炸箔系统朝集成化、小型化方向发展示意图

5 航天运载火箭激光和爆炸箔火工系统方案

5.1 高安全火工系统技术途径

火工系统是航天运载火箭中的重要组成部分，也是运载火箭中最敏感的分系统，对运载火箭的安全性影响重大。为了提升火工系统的安全性，可以采取以下技术途径：

1) 火工品系统控制电路设计上，采取相应的安全保险策略，在起爆电路与控制电路之间采用编码通讯和光耦隔离技术，防止错误指令导致的误触发，提高起爆控制系统的抗电磁安全性；

2) 火工药剂选用上，尽量避免使用起爆药，使用钝感装药代替敏感装药，满足MIL-STD-2105D或GJB 2178—2005的安全性要求，以保证整个火工系统的安全性；

3) 在安全性关键环节，采用隔断式安全保险装置或采用满足直列式规范的全电子保险装置；

4) 采用激光火工品技术，采用光纤传输的光能代替电缆传输的电能，避免射频和电磁感应对发火信号的干扰；

5) 采用爆炸箔(EFI)火工品技术，只能采用特殊的高压高功率脉冲源进行发火，自然界中的人体静电、杂散电流、射频等普通电磁环境、甚至核电磁脉冲环境不可能造成EFI意外发火，由于EFI中仅使用了许用传爆药，如六硝基茋(HNS)，满足直列式起爆规范，具有本质安全性。

5.2 激光火工系统

航天运载火箭激光点火电源和控制模块是一个通用模件，集成了激光器及其控制器件，根据控制系统指令发出激光，具有引爆控制、检测及数据采集等功能。光缆网组件由光纤、连接器、光开关、分束器组成，用于传输激光。激光火工品点火时，药剂吸收点火激光能量产生爆燃，输出燃气，或通过BNCP将爆燃转化为爆轰波输出，见图10。BNCP属于安全钝感的起爆药，机械感度在PETN和RDX之间，火焰、静电火花感度比Pb(N)、LTNR等起爆更钝感，但仍属于起爆类药剂，不满足GJB 2178—2005的规定，不属于直列式起爆药剂。目前，激光火工系统已经成功应用于航天运载火箭型号，并成功飞行，全箭所有火工品已经实现激光点火或起爆。

图10 激光火工系统组成原理示意图

5.3 爆炸箔火工系统

对于航天运载火箭，传统的分体式爆炸箔起爆装置，由于其体积较大，并且放电回路与爆炸箔火工品之间只能通过扁平电缆连接，连接长度有限，造成了使用不便，其往往应用于战斗部等对安装空间要求相对较低的环节。而分离系统火工品种类多、供电需求大、安装空间紧张，传统的分体式爆炸箔起爆装置往往难以应用。随着集成化技术发展，爆炸箔起爆器与控制单元实现了集成设计。通过系统集成，将高压起爆电路的电感降至最小，从而有效提高脉冲功率源的放电效率，有利于实现EFI的低能化，以达到降低系统成本、实现小型化和高可靠性的目标。

航天运载火箭集成爆炸箔火工系统由控制装置、屏蔽电缆和起爆装置3部份组成，分为单通道一拖一、四通道一拖四的2种情况。以四通道一拖四系统为例，爆炸箔火工系统由1台四出口的控制装置和4个独立的起爆装置组成，两者之间通过4根屏蔽电缆连接，如图11所示。一拖四系统设计时，一个控制装置通过4根屏蔽电缆连接4个起爆装置，进行分时控制分时起爆。控制装置主要包括控制模块、安保模块、升压模块等组成，可实现对起爆装置控制、安保以及升压等功能。起爆装置主要由包括高压放电回路的电路模块和包括装药组件的爆炸箔起爆器等组成。屏蔽线缆具备高压防护和静电屏蔽功能，根据系统设计和布局需要，选配不同长度的线缆。升压模块可以在控制装置中，也可以集成在起爆装置中。放电回路集成在起爆装置中，采用高压电容和MCT开关，以尽可能降低放电回路长度，减小回路电感，提供高功率脉冲能量，实现爆炸箔起爆装置起爆。

图11 爆炸箔起爆系统结构示意图(4通道)

5.4 适应性评估

激光起爆系统和爆炸箔起爆系统，均属于第三代火工系统，相对于航天运载火箭目前大量使用的第二代电热式火工系统，安全性有了本质的提升，属于未来航天运载火箭火工系统的发展方向。

1) 激光和爆炸箔起爆系统均具有很高的安全性，爆炸箔起爆系统能够直接作为直列式起爆系统，而激光起爆系统采用BNCP装药时，不能满足直列式起爆规范，需要配合安全保险装置或用在一些危险等级影响相对较低的起爆环节。激光驱动飞片引爆HNS或激光直接起爆HNS，是解决药剂安全性的途径之一，距离工程应用尚有差距。

2) 激光起爆系统利用光缆传输，传输距离更长，有利于运载火箭集中控制使用，但需要解决点火阈值偏高、光缆网组件安装环境适应性问题、光路损耗、洁净度防护等工程难题。

3) 爆炸箔系统属于电爆系统，电能易于控制，但使用更为复杂，需要提前充电，接收到指令后再放电，由于分离系统设计时，各个分离动作指令时间间隔近，造成控制系统设计更加复杂。现有爆炸箔系统由于体积较大，多应用于发动机、战斗部等环节，分离系统使用较少。在分离系统使用时，需要进一步提高其集成度、减小体积、提高能量利用效率，同时做好放电过程中产生的电磁环境对周边设备的影响防护。此外，将CDU和EFI集成，提高其能量传输效率，为远距离传输创造可行性。

4) 从整个技术路线发展来看，2种起爆技术都是属于2个成熟的高安全起爆技术方向，从国外的应用来看，爆炸箔更多的应用在海军项目中，其盐雾、霉菌环境更加恶劣，舰船上电磁环境也异常复杂，功率也更加巨大，海军舰船和潜艇，一旦发生安全问题，将带来严重的灾难性损失。对于安全性要求极高的环节，爆炸箔起爆系统更加适用。对于陆军、空军型号，由于安装空间限制和长距离传输要求，同时对盐雾、霉菌的要求也相对较低，因此这些型号也许更适用于激光起爆系统。

6 结论

无论是激光起爆系统，还是爆炸箔起爆系统，都向着集成化方向发展，以缩小产品体积，提升能量利用效率，提高环境耐受能力，实现小型化、低成本、模块化大规模设计和精确制造，推动航天运载火箭火工技术跨越式发展。以激光和爆炸箔起爆系统为代表的第三代火工技术集成化发展后，推动了电子技术、控制技术与火工技术等多学科融合发展，火工品脱离简单的加工、生产和试验，集成制造已成为未来火工技术发展的必然之路。