激光火工品系統在戰術導彈領域的應用前景與展望

王宇銳，范新中，王曉鵬，程 蕾，雷 豹

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

每一個戰術導彈，都要使用火工品完成發動機點火、級間分離、裝置作動等關鍵動作，對于導彈的飛行成功起到了至關重要的作用。其中，點火器和起爆器作為火工系統的首發元件，引爆傳爆組件或終端火工裝置，應用廣泛且不可替代。然而，傳統點火器和起爆器的工作機理是橋絲或橋帶接受電信號發熱從而引燃裝藥，輸出爆燃或爆轟，而在靜電或射頻等干擾信號作用下橋絲或橋帶容易導致誤引爆，其抗干擾能力相對較弱，是所有彈上火工品中最敏感和最危險的元件。

激光火工品系統是一種新型火工品系統，其工作機理是光源模塊產生激光能量，經光纖傳輸網絡使激光起爆器/點火器中的激光敏感藥劑被引爆或點燃，完成火工品的預定輸出功能。由于激光火工品系統通過光纖傳遞能量，從根本上實現火藥與電源的隔離，因此對靜電和射頻干擾不敏感。同時，激光火工品系統還可在系統發火前進行實時在線自檢，對系統的發火回路進行健康狀態檢測。

1 研究現狀

隨著戰場電磁環境不斷惡化，決定了未來常規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構決定的，無法徹底避免。因此，國內外均付出了巨大努力進行激光點火技術的研究和應用。

a）國外研究現狀。

美國陸軍在20世紀80年代提出了LIGHT研究計劃，其近期目標為利用激光能源代替點火序列中的火帽或底火，而遠期目標是利用激光束直接點燃火藥床，代替整個點火系統，并將這些設想用于20 mm無殼彈藥、先進加榴炮系統（Advanced Field Artilltry System，AFAS）及先進坦克武器加農炮系統（Advanced Tank Arms Cannon System，ATACS）的點火裝置。激光點火技術已成為美國陸軍未來戰斗系統主戰炮采用的重要技術之一。

1992年，美國軍標在MIL-STD-1901《火箭彈、導彈發動機點火系統安全設計準則》中，將激光直列式點火系統推薦用于火箭彈和導彈等點火系統。

實用型激光點火系統的發展較為迅速。美國軍方資助研制的機械式激光點火系統已經推薦用于V-22飛機的緊急出口系統、B-1B飛機救生系統、F-16飛機的緊急出口系統。對于武器/導彈系統而言，已經或正在研究的可能應用有：小型洲際導彈、新型空-空導彈、德爾塔火箭系統和新型火箭系統。美國匡梯克公司已研制出幾種激光點火系統，如為美國地面攔截工程研制出16輸出的點火系統原理樣機，并與韓國公司合作研制激光解除保險與發火裝置，其尺寸與海爾法導彈所用相同，目前已開始在導彈發動機中試驗。1995年，為美國航空航天局研制的激光二極管點火系統計劃在衛星的釋放裝置上驗證，并推薦將其用于航天飛機、不回收的運載火箭及衛星[1]。

b）中國研究現狀。

中國在20世紀70年代中期就已經開始了激光點火（起爆）技術的試驗研究。在“九五”期間，激光點火起爆技術被列為中國預研項目，相關單位開展了對激光點火機理、藥劑和激光起爆技術的研究。

2000年左右，中國兵器和航天行業都開展了激光點火（起爆）技術的工程化應用研究，利用半導體激光器初步實現了用大功率激光對煙火藥和鈍感炸藥的起爆。

2 激光火工品系統組成

激光火工品系統主要由點火控制單元、光能傳輸單元、激光點火器和終端火工裝置組成。以需要引爆兩個終端火工裝置為例，激光火工品系統單元功能的典型結構組成如圖1所示。

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

其中，點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。在導彈達到分離時刻時，控制模塊接收控制系統的信號，電源模塊將電池的電能傳遞給光源模塊，光源模塊產生特定波長和能量的激光，通過光纖傳輸網絡將能量傳遞到激光點火器，激光點火器工作點燃終端火工裝置。工作前，光源模塊可以定期向激光火工品發送檢測波長的激光，若光纖傳輸網絡通暢，則激光點火器將激光反射回點火控制單元，在需要時可以實現光纖傳輸網絡健康狀態的動態監測。

3 戰術導彈對于激光火工品需求分析

典型戰術導彈在實現固體發動機點火、自毀、分離、彈上機構觸發等動作過程中，均需使用點火器或起爆器觸發終端火工裝置，分別對這幾個環節對于激光火工品的需求進行分析，并對完成預定功能所需的傳統火工品系統和激光火工品系統的組成進行了對比。

3.1 固體發動機點火

為提高固體發動機點火系統安全性，一般通過安全點火裝置為點火系統設置安全防護。傳統的電安全機構和機械式安全機構雖然均能滿足廣泛固體火箭發動機的安全點火要求，但是電安全機構不能防止電磁環境干擾等條件下的意外發火，機械式安全機構密封結構復雜、體積大、質量重、安裝方式受限[3]。這些缺點都是由其工作原理決定的，在現有基礎上改進難度很大。因此，可以考慮采用激光點火系統代替傳統安全點火機構。傳統發動機點火系統和激光點火系統組成如圖2所示。

圖2 發動機點火裝置Fig.2 Engine Ignition

3.2 導彈自毀

自毀裝置是導彈安全系統的重要組成部分。當導彈飛行過程中出現故障，控制系統按程序發出自毀指令，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機構組成。根據自毀方式不同，可分為線性爆炸器、柱形爆炸器和聯合自毀（線性爆炸器+柱形爆炸器）。以聯合自毀方案為例，傳統非電傳爆系統和激光點火系統組成如圖3所示。

圖3 導彈自毀裝置Fig.3 Missile Self-destruction Device

3.3 級間分離

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

圖4 級間分離裝置Fig.4 Interstage Separation Device

常用推離裝置有反推火箭、正推火箭、反向噴管打開系統和彈簧分離裝置等。以反推火箭為例，一般級間推離需要2個反推火箭，傳統火工品系統和激光點火系統組成如圖5所示。

圖5 級間推離裝置Fig.5 Interstage Push-off Device

續圖5

3.4 頭體分離

與級間分離一樣，頭體分離也包含解鎖和推離兩個動作，頭體推離裝置與級間分離相同。彈頭和彈體的連接與解鎖一般通過爆炸螺栓實現，傳統非電傳爆系統和激光點火系統組成如圖6所示。

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

3.5 彈上機構觸發

彈上機構的主要功能是實現各種運動或動作，使導彈部件處于要求的工作狀態或工作位置。典型彈上機構有折疊翼/舵、彈簧分離組件、誘餌釋放機構等。一般情況下，彈上機構未工作時處于待觸發狀態，當控制系統給出作動信號后，通過火工品使其觸發。例如，折疊舵掛機時處于折疊狀態，導彈投放后，控制系統給出折疊舵展開指令，通過電點火器觸發拔銷器銷桿縮回，折疊機構限位解除，動舵面展開到位。以一個折疊舵的觸發為例，傳統火工品系統和激光點火系統組成如圖7所示。

圖7 折疊舵觸發Fig.7 Folding Rudder Trigger

3.6 小 結

綜上所述，發動機點火、自毀、分離、彈上機構觸發等環節都是戰術導彈飛行過程中的關鍵環節，均需要使用火工系統觸發相關裝置進行工作，大量火工系統在彈上應用，必須保證其安全性滿足型號要求，不能在受到外部干擾時誤觸發。因此，采用安全性更高的激光火工品系統是戰術導彈的發展趨勢。

4 激光火工品系統應用方案設計

根據戰術導彈對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應用方案。

4.1 方案1

根據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獨立的系統，則全彈激光火工品系統分布如圖8所示。

圖8 激光火工品系統應用方案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，分別安裝于尾段、級間段和儀器艙中，每套激光火工品系統用途及點火支路數量見表1，系統組成參考圖1典型結構組成并可根據實際需求在其基礎上進行擴展和適應性修改。

表1 激光火工品用途及點火支路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，其點火控制單元安裝于儀器艙內，各激光點火器根據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，激光火工品系統分布如圖9所示。根據表1統計結果，激光火工品總路數為38，若采用每一個激光二極管對應一路激光點火器的設計方法，則會造成點火控制單元中的激光器規模龐大。為了解決該問題，可以通過光開關將一路激光二極管在不同時刻給不同的激光點火器提供能量，最大程度地簡化系統。以導彈飛行時序為設計依據，激光火工品系統原理圖如圖10所示。圖中，t1~t5分別表示5個通道，光開關模塊具有通道切換功能，同一時刻只可以同時控制同一通道的激光火工品工作。按照該方法設計，激光模塊只需要采用8個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 激光火工品系統應用方案2布局Fig.9 Laser Ignition System Application Plan 2

圖10 激光火工品系統原理Fig.10 Laser Ignition System System Schematic

4.3 方案對比

方案1與方案2優缺點對比如表2所示。通過方案對比，方案1的現有技術支撐度較高，研制難度相對較小，可先按照方案1進行局部激光火工品系統的搭載試驗，并推廣到型號應用中；隨著光纖器件性能指標和技術成熟度的提高，從系統組成最優和成本最低的角度考慮，未來應用將以方案2為主。

表2 方案對比Tab.2 Scheme Comparison

5 關鍵技術研究

激光火工品系統相對傳統火工品具有無可比擬的優勢，但是針對戰術導彈工程化應用的需求，還需開展以下幾個方面關鍵技術的研究。

5.1 高效光能傳輸單元設計技術

在激光火工品系統中，光源模塊產生的能量以光能傳輸網絡為載體進行傳播。激光通過光纖連接器時，會產生一定的光傳輸損耗，此外光纖連接器還需要實現重復插接條件下的光纖對準精度和軸向間隙的精確控制，因此在光能傳輸單元設計時應通過系統優化實現光纖連接器數量最小，最大限度降低光能連接界面造成的能量損失。

5.2 光路在線檢測技術

光纖、光纖連接器等組件在經歷裝配、運輸和飛行過程中，受到沖擊、振動、溫度、濕度和污染物等綜合環境的影響，存在光纖斷裂、彎曲半徑過大、連接面污染等可能降低發火可靠性的風險，因此需要對光路完整性和連續性進行在線檢測并進行判斷。對發射前發現的故障，可采取有效措施將故障排除；對飛行過程中的故障進行記錄，為飛行試驗結果的分析提供有力依據。

5.3 通過光開關實現的激光器重復使用技術

為了簡化激光火工品系統，實現一路激光二極管在不同時刻給不同的激光點火器提供能量，需要開展光開關的研制。光開關可以通過機械驅動、電磁驅動或形狀記憶合金驅動，可根據需求切換為不同通道并保證光路通暢。光開關的關鍵技術指標包括響應時間、對準精度、環境適應性和可靠性等。

5.4 產品化、模塊化設計技術

由于不同導彈對于激光點火系統的支路數量要求不同，若采取傳統的基于型號的定制模式，則會造成產品種類繁多。從這個角度考慮，產品種類越多，產品質量保障、技術狀態的管控、生產、檢驗、試驗、驗收等環節的工作量和難度也越大，導致的成本相應越高。因此可以考慮采取產品化、模塊化的研制方式，將4路激光點火系統及2路激光點火系統作為標準模塊，使用時按照實際需求進行模塊組合，以提高產品可靠性，簡化產品狀態，降低產品成本。

6 結束語

火工品在戰術導彈各系統中發揮著不可代替的作用，其安全性和可靠性的提高是戰術導彈總體性能指標和實戰化水平提升的重要突破點。本文根據戰術導彈典型火工裝置對于激光火工品的需求，提出了2種激光火工品系統應用于戰術導彈的方案，并將產品化和低成本的思路融入了方案設計過程中，對于激光火工品系統未來的工程應用具有一定的指導意義。雖然目前光纖連接器、光開關等元器件技術成熟度和環境適應性還有待提高，但是從發展趨勢來看，隨著這些問題的逐步解決和元器件的逐步完善，激光火工品系統將在戰術導彈中得到廣泛應用，也將隨著戰術導彈技術的發展而得到快速發展。