王宇銳，范新中，王曉鵬，程 蕾，雷 豹

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

0 引 言

每一個(gè)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，都要使用火工品完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、級(jí)間分離、裝置作動(dòng)等關(guān)鍵動(dòng)作，對(duì)于導(dǎo)彈的飛行成功起到了至關(guān)重要的作用。其中，點(diǎn)火器和起爆器作為火工系統(tǒng)的首發(fā)元件，引爆傳爆組件或終端火工裝置，應(yīng)用廣泛且不可替代。然而，傳統(tǒng)點(diǎn)火器和起爆器的工作機(jī)理是橋絲或橋帶接受電信號(hào)發(fā)熱從而引燃裝藥，輸出爆燃或爆轟，而在靜電或射頻等干擾信號(hào)作用下橋絲或橋帶容易導(dǎo)致誤引爆，其抗干擾能力相對(duì)較弱，是所有彈上火工品中最敏感和最危險(xiǎn)的元件。

激光火工品系統(tǒng)是一種新型火工品系統(tǒng)，其工作機(jī)理是光源模塊產(chǎn)生激光能量，經(jīng)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)使激光起爆器/點(diǎn)火器中的激光敏感藥劑被引爆或點(diǎn)燃，完成火工品的預(yù)定輸出功能。由于激光火工品系統(tǒng)通過光纖傳遞能量，從根本上實(shí)現(xiàn)火藥與電源的隔離，因此對(duì)靜電和射頻干擾不敏感。同時(shí)，激光火工品系統(tǒng)還可在系統(tǒng)發(fā)火前進(jìn)行實(shí)時(shí)在線自檢，對(duì)系統(tǒng)的發(fā)火回路進(jìn)行健康狀態(tài)檢測(cè)。

1 研究現(xiàn)狀

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境不斷惡化，決定了未來常規(guī)電火工品在抗電磁干擾能力方面存在缺陷，這是由電火工品原理和結(jié)構(gòu)決定的，無法徹底避免。因此，國(guó)內(nèi)外均付出了巨大努力進(jìn)行激光點(diǎn)火技術(shù)的研究和應(yīng)用。

a）國(guó)外研究現(xiàn)狀。

美國(guó)陸軍在20世紀(jì)80年代提出了LIGHT研究計(jì)劃，其近期目標(biāo)為利用激光能源代替點(diǎn)火序列中的火帽或底火，而遠(yuǎn)期目標(biāo)是利用激光束直接點(diǎn)燃火藥床，代替整個(gè)點(diǎn)火系統(tǒng)，并將這些設(shè)想用于20 mm無殼彈藥、先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)（Advanced Field Artilltry System，AFAS）及先進(jìn)坦克武器加農(nóng)炮系統(tǒng)（Advanced Tank Arms Cannon System，ATACS）的點(diǎn)火裝置。激光點(diǎn)火技術(shù)已成為美國(guó)陸軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)主戰(zhàn)炮采用的重要技術(shù)之一。

1992年，美國(guó)軍標(biāo)在MIL-STD-1901《火箭彈、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》中，將激光直列式點(diǎn)火系統(tǒng)推薦用于火箭彈和導(dǎo)彈等點(diǎn)火系統(tǒng)。

實(shí)用型激光點(diǎn)火系統(tǒng)的發(fā)展較為迅速。美國(guó)軍方資助研制的機(jī)械式激光點(diǎn)火系統(tǒng)已經(jīng)推薦用于V-22飛機(jī)的緊急出口系統(tǒng)、B-1B飛機(jī)救生系統(tǒng)、F-16飛機(jī)的緊急出口系統(tǒng)。對(duì)于武器/導(dǎo)彈系統(tǒng)而言，已經(jīng)或正在研究的可能應(yīng)用有：小型洲際導(dǎo)彈、新型空-空導(dǎo)彈、德爾塔火箭系統(tǒng)和新型火箭系統(tǒng)。美國(guó)匡梯克公司已研制出幾種激光點(diǎn)火系統(tǒng)，如為美國(guó)地面攔截工程研制出16輸出的點(diǎn)火系統(tǒng)原理樣機(jī)，并與韓國(guó)公司合作研制激光解除保險(xiǎn)與發(fā)火裝置，其尺寸與海爾法導(dǎo)彈所用相同，目前已開始在導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)中試驗(yàn)。1995年，為美國(guó)航空航天局研制的激光二極管點(diǎn)火系統(tǒng)計(jì)劃在衛(wèi)星的釋放裝置上驗(yàn)證，并推薦將其用于航天飛機(jī)、不回收的運(yùn)載火箭及衛(wèi)星[1]。

b）中國(guó)研究現(xiàn)狀。

中國(guó)在20世紀(jì)70年代中期就已經(jīng)開始了激光點(diǎn)火（起爆）技術(shù)的試驗(yàn)研究。在“九五”期間，激光點(diǎn)火起爆技術(shù)被列為中國(guó)預(yù)研項(xiàng)目，相關(guān)單位開展了對(duì)激光點(diǎn)火機(jī)理、藥劑和激光起爆技術(shù)的研究。

2000年左右，中國(guó)兵器和航天行業(yè)都開展了激光點(diǎn)火（起爆）技術(shù)的工程化應(yīng)用研究，利用半導(dǎo)體激光器初步實(shí)現(xiàn)了用大功率激光對(duì)煙火藥和鈍感炸藥的起爆。

2 激光火工品系統(tǒng)組成

激光火工品系統(tǒng)主要由點(diǎn)火控制單元、光能傳輸單元、激光點(diǎn)火器和終端火工裝置組成。以需要引爆兩個(gè)終端火工裝置為例，激光火工品系統(tǒng)單元功能的典型結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 激光火工品系統(tǒng)組成Fig.1 Laser Ignition System Composition Diagram

其中，點(diǎn)火控制單元由電源模塊、控制模塊和光源模塊組成；光能傳輸單元由光纖和光纖分插（按需）組成。在導(dǎo)彈達(dá)到分離時(shí)刻時(shí)，控制模塊接收控制系統(tǒng)的信號(hào)，電源模塊將電池的電能傳遞給光源模塊，光源模塊產(chǎn)生特定波長(zhǎng)和能量的激光，通過光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將能量傳遞到激光點(diǎn)火器，激光點(diǎn)火器工作點(diǎn)燃終端火工裝置。工作前，光源模塊可以定期向激光火工品發(fā)送檢測(cè)波長(zhǎng)的激光，若光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)通暢，則激光點(diǎn)火器將激光反射回點(diǎn)火控制單元，在需要時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)健康狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈對(duì)于激光火工品需求分析

典型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在實(shí)現(xiàn)固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、自毀、分離、彈上機(jī)構(gòu)觸發(fā)等動(dòng)作過程中，均需使用點(diǎn)火器或起爆器觸發(fā)終端火工裝置，分別對(duì)這幾個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于激光火工品的需求進(jìn)行分析，并對(duì)完成預(yù)定功能所需的傳統(tǒng)火工品系統(tǒng)和激光火工品系統(tǒng)的組成進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火

為提高固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)安全性，一般通過安全點(diǎn)火裝置為點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)置安全防護(hù)。傳統(tǒng)的電安全機(jī)構(gòu)和機(jī)械式安全機(jī)構(gòu)雖然均能滿足廣泛固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的安全點(diǎn)火要求，但是電安全機(jī)構(gòu)不能防止電磁環(huán)境干擾等條件下的意外發(fā)火，機(jī)械式安全機(jī)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、質(zhì)量重、安裝方式受限[3]。這些缺點(diǎn)都是由其工作原理決定的，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改進(jìn)難度很大。因此，可以考慮采用激光點(diǎn)火系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)安全點(diǎn)火機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置Fig.2 Engine Ignition

3.2 導(dǎo)彈自毀

自毀裝置是導(dǎo)彈安全系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)導(dǎo)彈飛行過程中出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)按程序發(fā)出自毀指令，由自毀裝置完成彈體自毀，終止故障彈的飛行。自毀裝置主要由一系列火工品和安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)自毀方式不同，可分為線性爆炸器、柱形爆炸器和聯(lián)合自毀（線性爆炸器+柱形爆炸器）。以聯(lián)合自毀方案為例，傳統(tǒng)非電傳爆系統(tǒng)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈自毀裝置Fig.3 Missile Self-destruction Device

3.3 級(jí)間分離

級(jí)間分離一般含有兩個(gè)動(dòng)作：解鎖和推離。級(jí)間分離需要在級(jí)間分離裝置和推離裝置的共同作用下完成預(yù)定動(dòng)作。級(jí)間分離裝置采用線性分離方式，一般需要兩個(gè)起爆器引爆終端火工裝置（柔性炸藥索等），傳統(tǒng)火工品系統(tǒng)和激光起爆系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 級(jí)間分離裝置Fig.4 Interstage Separation Device

常用推離裝置有反推火箭、正推火箭、反向噴管打開系統(tǒng)和彈簧分離裝置等。以反推火箭為例，一般級(jí)間推離需要2個(gè)反推火箭，傳統(tǒng)火工品系統(tǒng)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 級(jí)間推離裝置Fig.5 Interstage Push-off Device

續(xù)圖5

3.4 頭體分離

與級(jí)間分離一樣，頭體分離也包含解鎖和推離兩個(gè)動(dòng)作，頭體推離裝置與級(jí)間分離相同。彈頭和彈體的連接與解鎖一般通過爆炸螺栓實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)非電傳爆系統(tǒng)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 頭體分離裝置Fig.6 Warhead Separation Device

3.5 彈上機(jī)構(gòu)觸發(fā)

彈上機(jī)構(gòu)的主要功能是實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作，使導(dǎo)彈部件處于要求的工作狀態(tài)或工作位置。典型彈上機(jī)構(gòu)有折疊翼/舵、彈簧分離組件、誘餌釋放機(jī)構(gòu)等。一般情況下，彈上機(jī)構(gòu)未工作時(shí)處于待觸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)控制系統(tǒng)給出作動(dòng)信號(hào)后，通過火工品使其觸發(fā)。例如，折疊舵掛機(jī)時(shí)處于折疊狀態(tài)，導(dǎo)彈投放后，控制系統(tǒng)給出折疊舵展開指令，通過電點(diǎn)火器觸發(fā)拔銷器銷桿縮回，折疊機(jī)構(gòu)限位解除，動(dòng)舵面展開到位。以一個(gè)折疊舵的觸發(fā)為例，傳統(tǒng)火工品系統(tǒng)和激光點(diǎn)火系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 折疊舵觸發(fā)Fig.7 Folding Rudder Trigger

3.6 小 結(jié)

綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、自毀、分離、彈上機(jī)構(gòu)觸發(fā)等環(huán)節(jié)都是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，均需要使用火工系統(tǒng)觸發(fā)相關(guān)裝置進(jìn)行工作，大量火工系統(tǒng)在彈上應(yīng)用，必須保證其安全性滿足型號(hào)要求，不能在受到外部干擾時(shí)誤觸發(fā)。因此，采用安全性更高的激光火工品系統(tǒng)是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的發(fā)展趨勢(shì)。

4 激光火工品系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

根據(jù)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈對(duì)于激光火工品的需求，考慮用于不同用途的激光火工品的安裝位置和總體布局，提出兩種激光火工品系統(tǒng)應(yīng)用方案。

4.1 方案1

根據(jù)激光火工品的安裝位置，將安裝于同一部段的激光火工品作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，則全彈激光火工品系統(tǒng)分布如圖8所示。

圖8 激光火工品系統(tǒng)應(yīng)用方案1布局Fig.8 Laser Ignition System Application Plan 1

如圖8所示，全彈共安裝3套激光火工品系統(tǒng)，分別安裝于尾段、級(jí)間段和儀器艙中，每套激光火工品系統(tǒng)用途及點(diǎn)火支路數(shù)量見表1，系統(tǒng)組成參考圖1典型結(jié)構(gòu)組成并可根據(jù)實(shí)際需求在其基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和適應(yīng)性修改。

表1 激光火工品用途及點(diǎn)火支路Tab.1 Use and Ignition Branch of Laser Ignition System

4.2 方案2

全彈只采用一套激光火工品系統(tǒng)，其點(diǎn)火控制單元安裝于儀器艙內(nèi)，各激光點(diǎn)火器根據(jù)功能需求安裝于各部段（與方案1相同），并通過光能傳輸單元傳遞控制指令和激光能量，激光火工品系統(tǒng)分布如圖9所示。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果，激光火工品總路數(shù)為38，若采用每一個(gè)激光二極管對(duì)應(yīng)一路激光點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)方法，則會(huì)造成點(diǎn)火控制單元中的激光器規(guī)模龐大。為了解決該問題，可以通過光開關(guān)將一路激光二極管在不同時(shí)刻給不同的激光點(diǎn)火器提供能量，最大程度地簡(jiǎn)化系統(tǒng)。以導(dǎo)彈飛行時(shí)序?yàn)樵O(shè)計(jì)依據(jù)，激光火工品系統(tǒng)原理圖如圖10所示。圖中，t1~t5分別表示5個(gè)通道，光開關(guān)模塊具有通道切換功能，同一時(shí)刻只可以同時(shí)控制同一通道的激光火工品工作。按照該方法設(shè)計(jì)，激光模塊只需要采用8個(gè)激光二極管就可以為38路激光火工品提供能量，大大提高了資源的利用率。

圖9 激光火工品系統(tǒng)應(yīng)用方案2布局Fig.9 Laser Ignition System Application Plan 2

圖10 激光火工品系統(tǒng)原理Fig.10 Laser Ignition System System Schematic

4.3 方案對(duì)比

方案1與方案2優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。通過方案對(duì)比，方案1的現(xiàn)有技術(shù)支撐度較高，研制難度相對(duì)較小，可先按照方案1進(jìn)行局部激光火工品系統(tǒng)的搭載試驗(yàn)，并推廣到型號(hào)應(yīng)用中；隨著光纖器件性能指標(biāo)和技術(shù)成熟度的提高，從系統(tǒng)組成最優(yōu)和成本最低的角度考慮，未來應(yīng)用將以方案2為主。

表2 方案對(duì)比Tab.2 Scheme Comparison

5 關(guān)鍵技術(shù)研究

激光火工品系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)火工品具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是針對(duì)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈工程化應(yīng)用的需求，還需開展以下幾個(gè)方面關(guān)鍵技術(shù)的研究。

5.1 高效光能傳輸單元設(shè)計(jì)技術(shù)

在激光火工品系統(tǒng)中，光源模塊產(chǎn)生的能量以光能傳輸網(wǎng)絡(luò)為載體進(jìn)行傳播。激光通過光纖連接器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的光傳輸損耗，此外光纖連接器還需要實(shí)現(xiàn)重復(fù)插接條件下的光纖對(duì)準(zhǔn)精度和軸向間隙的精確控制，因此在光能傳輸單元設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)光纖連接器數(shù)量最小，最大限度降低光能連接界面造成的能量損失。

5.2 光路在線檢測(cè)技術(shù)

光纖、光纖連接器等組件在經(jīng)歷裝配、運(yùn)輸和飛行過程中，受到?jīng)_擊、振動(dòng)、溫度、濕度和污染物等綜合環(huán)境的影響，存在光纖斷裂、彎曲半徑過大、連接面污染等可能降低發(fā)火可靠性的風(fēng)險(xiǎn)，因此需要對(duì)光路完整性和連續(xù)性進(jìn)行在線檢測(cè)并進(jìn)行判斷。對(duì)發(fā)射前發(fā)現(xiàn)的故障，可采取有效措施將故障排除；對(duì)飛行過程中的故障進(jìn)行記錄，為飛行試驗(yàn)結(jié)果的分析提供有力依據(jù)。

5.3 通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)的激光器重復(fù)使用技術(shù)

為了簡(jiǎn)化激光火工品系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一路激光二極管在不同時(shí)刻給不同的激光點(diǎn)火器提供能量，需要開展光開關(guān)的研制。光開關(guān)可以通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)或形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)需求切換為不同通道并保證光路通暢。光開關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括響應(yīng)時(shí)間、對(duì)準(zhǔn)精度、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性等。

5.4 產(chǎn)品化、模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)

由于不同導(dǎo)彈對(duì)于激光點(diǎn)火系統(tǒng)的支路數(shù)量要求不同，若采取傳統(tǒng)的基于型號(hào)的定制模式，則會(huì)造成產(chǎn)品種類繁多。從這個(gè)角度考慮，產(chǎn)品種類越多，產(chǎn)品質(zhì)量保障、技術(shù)狀態(tài)的管控、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、試驗(yàn)、驗(yàn)收等環(huán)節(jié)的工作量和難度也越大，導(dǎo)致的成本相應(yīng)越高。因此可以考慮采取產(chǎn)品化、模塊化的研制方式，將4路激光點(diǎn)火系統(tǒng)及2路激光點(diǎn)火系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)模塊，使用時(shí)按照實(shí)際需求進(jìn)行模塊組合，以提高產(chǎn)品可靠性，簡(jiǎn)化產(chǎn)品狀態(tài)，降低產(chǎn)品成本。

6 結(jié)束語

火工品在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈各系統(tǒng)中發(fā)揮著不可代替的作用，其安全性和可靠性的提高是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈總體性能指標(biāo)和實(shí)戰(zhàn)化水平提升的重要突破點(diǎn)。本文根據(jù)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈典型火工裝置對(duì)于激光火工品的需求，提出了2種激光火工品系統(tǒng)應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的方案，并將產(chǎn)品化和低成本的思路融入了方案設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于激光火工品系統(tǒng)未來的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。雖然目前光纖連接器、光開關(guān)等元器件技術(shù)成熟度和環(huán)境適應(yīng)性還有待提高，但是從發(fā)展趨勢(shì)來看，隨著這些問題的逐步解決和元器件的逐步完善，激光火工品系統(tǒng)將在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中得到廣泛應(yīng)用，也將隨著戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展而得到快速發(fā)展。