激光火工品系统在战术导弹领域的应用前景与展望

王宇锐，范新中，王晓鹏，程 蕾，雷 豹

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

每一个战术导弹，都要使用火工品完成发动机点火、级间分离、装置作动等关键动作，对于导弹的飞行成功起到了至关重要的作用。其中，点火器和起爆器作为火工系统的首发元件，引爆传爆组件或终端火工装置，应用广泛且不可替代。然而，传统点火器和起爆器的工作机理是桥丝或桥带接受电信号发热从而引燃装药，输出爆燃或爆轰，而在静电或射频等干扰信号作用下桥丝或桥带容易导致误引爆，其抗干扰能力相对较弱，是所有弹上火工品中最敏感和最危险的元件。

激光火工品系统是一种新型火工品系统，其工作机理是光源模块产生激光能量，经光纤传输网络使激光起爆器/点火器中的激光敏感药剂被引爆或点燃，完成火工品的预定输出功能。由于激光火工品系统通过光纤传递能量，从根本上实现火药与电源的隔离，因此对静电和射频干扰不敏感。同时，激光火工品系统还可在系统发火前进行实时在线自检，对系统的发火回路进行健康状态检测。

1 研究现状

随着战场电磁环境不断恶化，决定了未来常规电火工品在抗电磁干扰能力方面存在缺陷，这是由电火工品原理和结构决定的，无法彻底避免。因此，国内外均付出了巨大努力进行激光点火技术的研究和应用。

a）国外研究现状。

美国陆军在20世纪80年代提出了LIGHT研究计划，其近期目标为利用激光能源代替点火序列中的火帽或底火，而远期目标是利用激光束直接点燃火药床，代替整个点火系统，并将这些设想用于20 mm无壳弹药、先进加榴炮系统（Advanced Field Artilltry System，AFAS）及先进坦克武器加农炮系统（Advanced Tank Arms Cannon System，ATACS）的点火装置。激光点火技术已成为美国陆军未来战斗系统主战炮采用的重要技术之一。

1992年，美国军标在MIL-STD-1901《火箭弹、导弹发动机点火系统安全设计准则》中，将激光直列式点火系统推荐用于火箭弹和导弹等点火系统。

实用型激光点火系统的发展较为迅速。美国军方资助研制的机械式激光点火系统已经推荐用于V-22飞机的紧急出口系统、B-1B飞机救生系统、F-16飞机的紧急出口系统。对于武器/导弹系统而言，已经或正在研究的可能应用有：小型洲际导弹、新型空-空导弹、德尔塔火箭系统和新型火箭系统。美国匡梯克公司已研制出几种激光点火系统，如为美国地面拦截工程研制出16输出的点火系统原理样机，并与韩国公司合作研制激光解除保险与发火装置，其尺寸与海尔法导弹所用相同，目前已开始在导弹发动机中试验。1995年，为美国航空航天局研制的激光二极管点火系统计划在卫星的释放装置上验证，并推荐将其用于航天飞机、不回收的运载火箭及卫星[1]。

b）中国研究现状。

中国在20世纪70年代中期就已经开始了激光点火（起爆）技术的试验研究。在“九五”期间，激光点火起爆技术被列为中国预研项目，相关单位开展了对激光点火机理、药剂和激光起爆技术的研究。

2000年左右，中国兵器和航天行业都开展了激光点火（起爆）技术的工程化应用研究，利用半导体激光器初步实现了用大功率激光对烟火药和钝感炸药的起爆。

2 激光火工品系统组成

激光火工品系统主要由点火控制单元、光能传输单元、激光点火器和终端火工装置组成。以需要引爆两个终端火工装置为例，激光火工品系统单元功能的典型结构组成如图1所示。

图1 激光火工品系统组成Fig.1 Laser Ignition System Composition Diagram

其中，点火控制单元由电源模块、控制模块和光源模块组成；光能传输单元由光纤和光纤分插（按需）组成。在导弹达到分离时刻时，控制模块接收控制系统的信号，电源模块将电池的电能传递给光源模块，光源模块产生特定波长和能量的激光，通过光纤传输网络将能量传递到激光点火器，激光点火器工作点燃终端火工装置。工作前，光源模块可以定期向激光火工品发送检测波长的激光，若光纤传输网络通畅，则激光点火器将激光反射回点火控制单元，在需要时可以实现光纤传输网络健康状态的动态监测。

3 战术导弹对于激光火工品需求分析

典型战术导弹在实现固体发动机点火、自毁、分离、弹上机构触发等动作过程中，均需使用点火器或起爆器触发终端火工装置，分别对这几个环节对于激光火工品的需求进行分析，并对完成预定功能所需的传统火工品系统和激光火工品系统的组成进行了对比。

3.1 固体发动机点火

为提高固体发动机点火系统安全性，一般通过安全点火装置为点火系统设置安全防护。传统的电安全机构和机械式安全机构虽然均能满足广泛固体火箭发动机的安全点火要求，但是电安全机构不能防止电磁环境干扰等条件下的意外发火，机械式安全机构密封结构复杂、体积大、质量重、安装方式受限[3]。这些缺点都是由其工作原理决定的，在现有基础上改进难度很大。因此，可以考虑采用激光点火系统代替传统安全点火机构。传统发动机点火系统和激光点火系统组成如图2所示。

图2 发动机点火装置Fig.2 Engine Ignition

3.2 导弹自毁

自毁装置是导弹安全系统的重要组成部分。当导弹飞行过程中出现故障，控制系统按程序发出自毁指令，由自毁装置完成弹体自毁，终止故障弹的飞行。自毁装置主要由一系列火工品和安全保险机构组成。根据自毁方式不同，可分为线性爆炸器、柱形爆炸器和联合自毁（线性爆炸器+柱形爆炸器）。以联合自毁方案为例，传统非电传爆系统和激光点火系统组成如图3所示。

图3 导弹自毁装置Fig.3 Missile Self-destruction Device

3.3 级间分离

级间分离一般含有两个动作：解锁和推离。级间分离需要在级间分离装置和推离装置的共同作用下完成预定动作。级间分离装置采用线性分离方式，一般需要两个起爆器引爆终端火工装置（柔性炸药索等），传统火工品系统和激光起爆系统组成如图4所示。

图4 级间分离装置Fig.4 Interstage Separation Device

常用推离装置有反推火箭、正推火箭、反向喷管打开系统和弹簧分离装置等。以反推火箭为例，一般级间推离需要2个反推火箭，传统火工品系统和激光点火系统组成如图5所示。

图5 级间推离装置Fig.5 Interstage Push-off Device

续图5

3.4 头体分离

与级间分离一样，头体分离也包含解锁和推离两个动作，头体推离装置与级间分离相同。弹头和弹体的连接与解锁一般通过爆炸螺栓实现，传统非电传爆系统和激光点火系统组成如图6所示。

图6 头体分离装置Fig.6 Warhead Separation Device

3.5 弹上机构触发

弹上机构的主要功能是实现各种运动或动作，使导弹部件处于要求的工作状态或工作位置。典型弹上机构有折叠翼/舵、弹簧分离组件、诱饵释放机构等。一般情况下，弹上机构未工作时处于待触发状态，当控制系统给出作动信号后，通过火工品使其触发。例如，折叠舵挂机时处于折叠状态，导弹投放后，控制系统给出折叠舵展开指令，通过电点火器触发拔销器销杆缩回，折叠机构限位解除，动舵面展开到位。以一个折叠舵的触发为例，传统火工品系统和激光点火系统组成如图7所示。

图7 折叠舵触发Fig.7 Folding Rudder Trigger

3.6 小 结

综上所述，发动机点火、自毁、分离、弹上机构触发等环节都是战术导弹飞行过程中的关键环节，均需要使用火工系统触发相关装置进行工作，大量火工系统在弹上应用，必须保证其安全性满足型号要求，不能在受到外部干扰时误触发。因此，采用安全性更高的激光火工品系统是战术导弹的发展趋势。

4 激光火工品系统应用方案设计

根据战术导弹对于激光火工品的需求，考虑用于不同用途的激光火工品的安装位置和总体布局，提出两种激光火工品系统应用方案。

4.1 方案1

根据激光火工品的安装位置，将安装于同一部段的激光火工品作为一个独立的系统，则全弹激光火工品系统分布如图8所示。

图8 激光火工品系统应用方案1布局Fig.8 Laser Ignition System Application Plan 1

如图8所示，全弹共安装3套激光火工品系统，分别安装于尾段、级间段和仪器舱中，每套激光火工品系统用途及点火支路数量见表1，系统组成参考图1典型结构组成并可根据实际需求在其基础上进行扩展和适应性修改。

表1 激光火工品用途及点火支路Tab.1 Use and Ignition Branch of Laser Ignition System

4.2 方案2

全弹只采用一套激光火工品系统，其点火控制单元安装于仪器舱内，各激光点火器根据功能需求安装于各部段（与方案1相同），并通过光能传输单元传递控制指令和激光能量，激光火工品系统分布如图9所示。根据表1统计结果，激光火工品总路数为38，若采用每一个激光二极管对应一路激光点火器的设计方法，则会造成点火控制单元中的激光器规模庞大。为了解决该问题，可以通过光开关将一路激光二极管在不同时刻给不同的激光点火器提供能量，最大程度地简化系统。以导弹飞行时序为设计依据，激光火工品系统原理图如图10所示。图中，t1~t5分别表示5个通道，光开关模块具有通道切换功能，同一时刻只可以同时控制同一通道的激光火工品工作。按照该方法设计，激光模块只需要采用8个激光二极管就可以为38路激光火工品提供能量，大大提高了资源的利用率。

图9 激光火工品系统应用方案2布局Fig.9 Laser Ignition System Application Plan 2

图10 激光火工品系统原理Fig.10 Laser Ignition System System Schematic

4.3 方案对比

方案1与方案2优缺点对比如表2所示。通过方案对比，方案1的现有技术支撑度较高，研制难度相对较小，可先按照方案1进行局部激光火工品系统的搭载试验，并推广到型号应用中；随着光纤器件性能指标和技术成熟度的提高，从系统组成最优和成本最低的角度考虑，未来应用将以方案2为主。

表2 方案对比Tab.2 Scheme Comparison

5 关键技术研究

激光火工品系统相对传统火工品具有无可比拟的优势，但是针对战术导弹工程化应用的需求，还需开展以下几个方面关键技术的研究。

5.1 高效光能传输单元设计技术

在激光火工品系统中，光源模块产生的能量以光能传输网络为载体进行传播。激光通过光纤连接器时，会产生一定的光传输损耗，此外光纤连接器还需要实现重复插接条件下的光纤对准精度和轴向间隙的精确控制，因此在光能传输单元设计时应通过系统优化实现光纤连接器数量最小，最大限度降低光能连接界面造成的能量损失。

5.2 光路在线检测技术

光纤、光纤连接器等组件在经历装配、运输和飞行过程中，受到冲击、振动、温度、湿度和污染物等综合环境的影响，存在光纤断裂、弯曲半径过大、连接面污染等可能降低发火可靠性的风险，因此需要对光路完整性和连续性进行在线检测并进行判断。对发射前发现的故障，可采取有效措施将故障排除；对飞行过程中的故障进行记录，为飞行试验结果的分析提供有力依据。

5.3 通过光开关实现的激光器重复使用技术

为了简化激光火工品系统，实现一路激光二极管在不同时刻给不同的激光点火器提供能量，需要开展光开关的研制。光开关可以通过机械驱动、电磁驱动或形状记忆合金驱动，可根据需求切换为不同通道并保证光路通畅。光开关的关键技术指标包括响应时间、对准精度、环境适应性和可靠性等。

5.4 产品化、模块化设计技术

由于不同导弹对于激光点火系统的支路数量要求不同，若采取传统的基于型号的定制模式，则会造成产品种类繁多。从这个角度考虑，产品种类越多，产品质量保障、技术状态的管控、生产、检验、试验、验收等环节的工作量和难度也越大，导致的成本相应越高。因此可以考虑采取产品化、模块化的研制方式，将4路激光点火系统及2路激光点火系统作为标准模块，使用时按照实际需求进行模块组合，以提高产品可靠性，简化产品状态，降低产品成本。

6 结束语

火工品在战术导弹各系统中发挥着不可代替的作用，其安全性和可靠性的提高是战术导弹总体性能指标和实战化水平提升的重要突破点。本文根据战术导弹典型火工装置对于激光火工品的需求，提出了2种激光火工品系统应用于战术导弹的方案，并将产品化和低成本的思路融入了方案设计过程中，对于激光火工品系统未来的工程应用具有一定的指导意义。虽然目前光纤连接器、光开关等元器件技术成熟度和环境适应性还有待提高，但是从发展趋势来看，随着这些问题的逐步解决和元器件的逐步完善，激光火工品系统将在战术导弹中得到广泛应用，也将随着战术导弹技术的发展而得到快速发展。