郝芳 刘世毅

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

火工技术利用火炸药、推进剂的燃烧或爆炸反应产生能量，通过结构机构将化学能转变成机械能，从而完成预定功能[1]，是涉及含能材料、爆炸与燃烧、工程力学、测试测量等多学科专业的综合技术。火工装置以其体积小、质量轻、能量质量比高、可靠性高、动作迅速等优点，在航天飞行任务中发挥着不可替代的重要作用。从发射到在轨飞行，到返回地面整个过程中，运载火箭各级间、火箭与航天器间、航天器与载荷间以及航天器各舱段间，都需要火工装置实现连接和分离功能。在飞行过程中，航天器也需要火工装置完成各类载荷和部件的释放或展开动作。从美国的“水星号”飞船[2]到欧空局的“阿里亚娜”火箭，从俄罗斯“联盟号”飞船到我国的“长征系列”火箭，几乎每个航天飞行器都需要几个乃至几十个火工装置完成关键动作与程序，任何环节的失效都会导致灾难性的后果。因此具有雄厚实力的航天大国都非常重视火工技术的研究与发展，将其作为自主掌握的核心技术，限制与其它国家开展交流与合作。

1 国外发展概况

国外火工技术的发展已有上百年历史，工业基础完备。作为航天技术起步最早的美国、俄罗斯都具有雄厚的技术实力，特别是美国建立了完善的技术体系，欧洲、日本、印度基本上都借用美国的产品规格和技术标准。在20世纪60年代，为了与前苏联抗衡，新成立的美国航空航天局（NASA）开始实施载人航天计划，火工技术也大量应用。作为航天火工装置的主要起爆元件，电起爆器的应用极为广泛。为了提高火工装置可靠性、安全性，NASA首先从统一点火元件入手，为“阿波罗”飞船研制了通用热桥丝式电起爆器（SBASI），为各种火工机构提供了标准的点火接口，保证了“阿波罗”任务的顺利完成。经“海盗号”飞船和航天飞机等型号改进后，现在成为 NASA标准起爆器（NSI）[3]，是目前美国卫星和空间探测器以及运载火箭优先使用的产品，也是NASA负责的项目中唯一使用的电起爆器，为航天火工装置的标准化、系列化发展奠定了基础。同时期，美国率先研究使用了非电传爆系统，在“土星V号”运载火箭、“阿波罗”飞船等多个型号上应用，提高了火工系统的安全性和发火能量[4]。洛克希德·马丁公司在切割索的基础上研制了新一代线性分离装置[5]，即膨胀管分离装置，逐步向无污染、低冲击的线性分离装置方向发展。20世纪70年代，德国和美国开始应用包带进行星箭之间的连接，与爆炸螺栓和线性分离装置相比，包带具有可靠性高、分离冲击小的优点[6]。由于包带式连接结构的诸多优点，逐渐成为包括美国、欧空局、前苏联等各国航天器的主流星箭连接方式。

20世纪90年代，NASA启动了一项火工作动系统发展规划，核心内容是研制系列标准火工品，如标准气体发生器、标准线形分离系统、标准激光雷管和标准激光起爆器等。根据该规划的要求，NASA还制定了火工装置系统技术手册和系统数据库。通过对数据库的收集和整理，飞行器开始采用通用火工产品完成任务。经过多年的发展，美国卫星火工装置的品种已大大减少，从生产厂商提供的产品看，常用的火工装置包括电起爆器、拔销器、分离螺母、推力筒、切割器等，均形成了系列化产品直接选用。飞行器上各种机构的展开和分离主要由这几种火工装置功能组合而成。欧空局也出版了《欧洲航天火工装置产品目录》，强调火工装置的标准化和统一化，并进行了两次修订。这些产品形成产品型谱，便于设计时参考或选用。

为提高航天工程的可靠性、安全性以及发射成功率，1986年NASA委托Langley研究中心牵头，针对1964~1987年中发生的火工失效事故开展调查，归纳总结了飞行任务中火工装置的失效情况，并对设计和可靠性等方面存在的问题进行分析[7]。针对火工装置失效的共性问题，NASA于1992年推动了一项航天火工系统研究规划，该项目主要是对产品进行标准化技术研究，项目内容包括火工装置的设计技术，试验技术和工艺技术等。在这项计划的支持下，NASA与美国国防部陆续编制并发布了一系列航天火工装置的相关标准。这些基础性标准对统一产品技术规范，保证产品品质和可靠性、安全性提供了极其重要的指导，现已成为国际通行要求，欧洲、日本和我国均参照美军标制定了相应标准体系。欧洲的航天工业发展大量借鉴了美国的技术，火工装置的设计、试验和生产也都采用了美国的标准。2000年，欧洲航天标准化组织制定了ECSS-E-30 Part 6A《航天工程 机械 第6部分：火工装置》，标准以美军标为基础，又详细规定了设计、分析、验证、制造、使用和安全各环节的产品保证要求，使火工装置的研制和生产过程控制更加规范。

为充分理解火工装置的作用机理，发现薄弱环节并改进设计，美国等国家也非常重视对火工装置作用过程的仿真和模拟。研究应用热力学方法和多相流理论，对拔销器、切割器、电爆阀等装置的火药燃烧过程和活塞运动过程进行仿真计算[8-9]，从而获得典型压力与时间的关系曲线，并对燃速、导热系数等参变量进行敏感度分析，从而获得不同装置工作性能的影响因素和变化趋势。另一方面利用结构动力学原理模拟火工装置的动力学过程，提供结构受力和变形的信息，预测火工装置在不同装药裕度下的性能变化，作为结构设计的有效辅助手段。近年来，美国一些专业火工装置生产厂商也开发了自己的性能分析和模拟手段，如Scot公司能够对火药燃烧过程、分离作动过程、温度、压力等方面进行计算机仿真，并进行设计优化，极大地提升了专业设计能力和水平。

从国外火工装置近年发展情况看，市场相对稳定、成熟，新概念类产品研发不多，制造商拥有从点火元件到各种作动装置的产品线，具备提供“一站式”服务的能力，即设计、零部件生产、组装、药剂生产、测试试验等环节全部在公司内完成，能够根据用户需要快速开发适用产品，并提供分析和技术支持服务，从而保证产品的品质和可靠性。

2 国内发展概况

我国航天火工技术是在学习与借鉴国外技术的基础上独立发展起来的。从最初结构简单、功能单一的起爆器、爆炸螺栓，到起爆、传爆、分离、作动等多功能、系统组合的火工系统，我国航天火工装置的发展主要经历了三个阶段：第一阶段即起步阶段，自20世纪50年代开始，主要是根据文献资料进行摸索和实践，研制出了我国第一代火工装置产品；第二阶段，是在20世纪的80~90年代，重点是产品的可靠性、安全性方面的提高和发展，以及相关标准体系的建立，这些标准的贯彻和执行对产品的设计和品质的提高起到了很好的指导作用，保证了型号研制的顺利进行；第三阶段是在20世纪90年代后，由于型号任务的增多，研制能力不断增强，国内开始瞄准国外先进技术，并在某些关键技术上达到国际水平，特别是在火箭和飞行器上大量借鉴了国外正在使用的技术。

航天火工装置多采用电起爆形式，第一代火工装置采用的电发火元件起爆能量低，易受到电磁干扰，安全性较差。20世纪80年代后火工装置开始研制和使用钝感电发火元件，在1W能量的1A电流输入下5min内不发火、不失效，并且能够抗静电和射频干扰，通过该项措施，解决了航天火工装置的安全性问题。同时国内也开始了非电传爆装置的研制，从而降低了电磁辐射产生的危害，也减轻了控制系统发火电路的供电压力。到20世纪后期，为了彻底解决电磁干扰问题，国内也提出了激光脉冲点火装置，有效地提升了火工装置抗电磁和脉冲干扰的能力[10]。

航天火工分离装置的结构形式早期多为爆炸螺栓的点式连接结构形式，而且对火药燃烧 产生的污染无特别要求。随着研制任务要求的提高，逐步对火工装置提出了无污染、低冲击等要求。有效载荷的释放解锁开始使用无污染爆炸螺栓，之后又出现了基于“强连接、弱解锁”设计思想的钢球式、楔块式解锁螺栓，均能够很好地实现解锁功能。借鉴国外研制经验开发的分离螺母，以其高连接强度、无污染、低冲击的良好特性而被广泛使用。

随着我国航天飞行器任务的不断发展，使用的火工装置在品种规模和数量上均有了较大的提升，对火工装置的可靠性也提出了更高的要求。航天火工装置多采用冗余设计方式，解决单点失效问题。国内在可靠性方面也做了大量工作，特别是针对火工装置的可靠性评估进行的研究，提出了多种方法如贝叶斯方法、极限爆压法、最大熵试验法、加严试验法等[11-12]。

我国火工专业的发展长期依靠型号需求的牵引，由于各飞行器总体结构不同，总体设计时往往未统一考虑火工装置的应用，造成火工装置通用化程度较低，这与国外飞行器采用同一火工装置完成多个功能的设计存在较大差距。另外，火工装置的设计仍是以满足飞行器某个具体需求而改进设计，标准化程度低，增大了产品的设计风险，对提高产品的可靠性不利。随着航天技术的发展，行业内开始注意到“三化”工作的重要性，如载人飞船逐步统一了电点火元件，而且还推广到其他卫星型号上使用；各种飞行器上用于星箭分离机构的爆炸螺栓也采用了通用化、系列化产品；卫星太阳翼的展开释放也使用了相同的切割器或拔销器。为了提高可靠性、降低研制成本、缩短研制周期，火工装置的型谱建设逐步在各研制单位和总体应用部门推广开来。

3 北京空间机电研究所火工专业发展历程

北京空间机电研究所是国内最早从事航天火工技术研究与应用的单位。1959年建所之初，研究所开展探空火箭回收系统的研制任务，根据任务需求开始着手研制头体分离用爆炸螺栓和开降落伞用弹射螺钉。由于常规兵器中的雷管威力太大，设计人员利用灯丝加硝化棉和黑火药研制出第一批引火头，最终成功应用于探空火箭飞行任务，这是火工装置在航天飞行器上的首次成功应用，标志着我国成功掌握了液体火箭及回收技术。经过系列液体探空火箭回收着陆系统的研制，回收技术建立了相对独立、较为完整的配套体系，也成立了专门的火工品实验室，形成了较为成熟的发火装置生产、试验能力。20世纪60年代，经过挺进系列核试验取样火箭、“东风”高弹道数据舱等回收任务的锻炼，火工专业又掌握了弹射筒弹射开伞，延时收口绳切割器切绳实现主伞二级开伞，火药燃气节流降低火工作用力等技术，形成了自身独特的专业技术优势。

1975年，从太空返回的第一颗返回式卫星回收舱被圆满回收，北京空间机电研究所研制的火工装置发挥了不可替代的重要作用。后续研究所为返回式系列卫星共研制了小火箭、弹射筒、脱伞螺钉、关门推力筒、暗道解锁螺栓等15种43件火工装置，分别用于返回、天线、结构、相机等分系统，完成舱段分离、起旋、消旋、暗道解锁、暗道分离、抛盖、弹伞等功能，是卫星的重要执行部件。这些火工装置以高可靠性成功完成返回式系列卫星、育种星、科学实践卫星等多个型号的飞行任务。

1992年载人飞船立项，北京空间机电研究所再一次承担火工装置的主要研制任务。长征运载器逃逸子系统的锁紧固定机构，结构机构系统的分离密封板解锁、天线盖打开、通气阀门打开装置，回收着陆分系统抛舱盖、开减速伞、开主伞、抛大底盖、缓冲火箭点火及脱主伞等均由该所研制的火工装置完成。在研制过程中，首次采用非电传爆实现16个火工装置的同步点火，保证了伞舱盖弹射分离的点火同步性和工作可靠性；首次使用反推火箭对着陆器进一步减速，实现最小的着陆速度；采用“堵”“疏”结合的方式，解决了舱内火工装置燃气泄漏问题，保证了宇航员的生命安全。经过反复地试验验证和技术改进，火工装置的性能趋向稳定，技术走向成熟，为实现我国载人飞行奠定了坚实的技术基础，也成为北京空间机电研究所火工专业技术成熟和发展的标志及里程碑。

进入新世纪，以“探月工程”、新一代飞船、火星探测、超声速导弹等新型号的立项为契机，火工专业在承担回收系统配套任务的同时，将火工装置的应用拓展到“红旗”、“鹰击”、“长剑”等系列导弹，以及遥感卫星、气象卫星、微小卫星和卫星平台等，形成宇航和武器两大应用领域，同时努力开展民用市场和国际市场的业务拓展，形成良好的发展态势。

火工专业依托于回收系统的应用，不断发展、壮大。经过60年的积累，逐步掌握了火工总体技术、点火（传火）技术、作动机构设计技术、火工制造技术和测试与试验技术等5项专业技术。开发出火工组件、火工装置、火工机构3大类14种产品系列，可实现点火、传爆、能量输出、机构动作等多种功能。作为国内最早开展航天火工技术研究与应用的单位，北京空间机电研究所也是航天火工装置专业基础标准的编制单位。经过几代技术人员的努力和钻研，先后编写和修订了 GJB1307A《航天火工装置通用规范》、GJB2034《航天飞行器系统电爆分系统的安全要求和试验方法》、QJ3198《航天火工装置安全技术要求》等行业基础标准，奠定了研究所火工专业的引领地位。

4 未来发展趋势

（1） 火工降冲击载荷技术

火工冲击具有加速度峰值高、高频段集中、持续时间短的特点。尽管火工冲击很少破坏结构，但会使对高频冲击敏感的电子产品产生失效。20世纪70年代，欧美等国家投入大量的人力、财力、物力对火工冲击的产生机理、传递规律、预示方法和试验技术进行了深入的研究[13]，并颁布了相关标准对航天器火工冲击进行规范。近年来，国内多个航天器也遇到了火工冲击问题，成为通信、遥感、导航和载人等各领域航天器研制的瓶颈。

火工装置解锁时造成的大量级、高频响、短时间的复杂震荡冲击载荷，对航天器电子仪器、脆性材料、轻薄结构的破坏较为突出。系统结构方面，主要是基于火工冲击载荷的系统布局开展分析工作，在火工冲击载荷传递规律、火工解锁冲击环境预示、火工冲击隔离等方面开展研究。火工产品方面，北京空间机电研究所的专业技术研究更加精细与深化，将内弹道设计技术、燃气流阻控制技术、液压（气压）缓冲技术、固体变形缓冲技术等综合应用于单机产品，适应了精密仪器的低冲击耐受需求。

（2） 仿真分析技术

受化学反应本身的不确定性及离散性限制，火工装置的设计很大程度上依赖于工作经验，通过试验验证和评价产品工作效果，导致产品研制成本高，研制周期长，一些设计问题在研制后期才可能暴露，因此需要加强仿真分析技术的应用，实现产品性能的精确调控，提升精细化设计水平和问题分析能力。国外火工装置的研究机构如NASA的兰利研究中心、洛克希德·马丁公司、Hi-Shear公司等都拥有完整的设计开发和分析系统，在火星着陆器等项目的火工装置研制中已经全部利用软件完成设计开发和分析计算工作。国内从事火工专业研究的单位主要侧重于炸药爆炸过程的仿真计算，对于火药燃烧的仿真计算还未有报道，也没有火工装置仿真计算的专业平台。

火工装置工作时涉及爆炸燃烧、压力温度变化、高速运动，以及碰撞、断裂、变形等瞬态现象，产品试验具有瞬时、高动态和不可重复性。现有商业软件中并没有描述火药燃烧的模型，对于火药燃烧过程的描述也还不完善。北京空间机电研究所自主建立了一套火工装置设计仿真平台，内嵌自主开发的火药燃烧模块，可以开展火工装置工作过程的仿真设计工作。后续需要加大技术投入，深入开展瞬时冲击的仿真、测试、评估技术的综合研究，建立爆炸冲击技术的分析与测试平台，强化设计分析能力和试验能力。

（3） 激光点火技术

20世纪90年代，美国国防部、能源部和航天部均将激光点火技术列入重点关键技术系列，推进其应用进程[14]。近几十年来，国内外对激光点火技术投入巨大努力，主要在于它有良好的安全性。在激光点火元件中，由于使用光纤代替导线，从而实现了含能材料与电系统的隔离，对静电泄放、电磁辐射等干扰钝感，提高了抗电磁干扰能力；其次，以固态激光器或激光二级管和点火元件构成的激光点火系统可以制造成直列式点火系统，它们能极大地适应安全电子保险与解除保险装置。

国内经过十几年的基础研究，对激光点火与起爆特性、光能传输特性、换能机理等关键技术已具有较深的认识，并且激光器及其驱动电路设计、光能传输组件制作技术和激光火工品制作技术也日趋成熟[15]。但由于其工作模式变化较大，现有钝感电点火技术应用成熟、使用安全，能够满足航天器任务需求，因此航天型号对该技术的应用意愿不强，在应用上也尚不成熟。

（4） 微机电系统（MEMS）技术

在需求牵引和技术推动的作用下，火工技术向微型化、集成化、灵巧化、低成本、安全、可靠的方向发展。MEMS微型火工技术是将MEMS机电系统、微纳米含能材料、微结构爆轰学等多项技术集成，具有体积小、质量轻、功能丰富以及批量生产成本低等特点[16]。MEMS火工系统是以基于微机电系统设计与制造技术为基础的，通过微型装药及元件完成点火、传火、起爆、传爆、做功等功能的组合体。这一技术使得在具有厘米或毫米尺寸的火工系统芯片上能完成火工动力源、矢量推动、引信爆炸序列的安全与保险等任务。由于 MEMS火工系统技术采用了先进的加工和集成技术，所以，制造的火工系统芯片具有高精度的特点，被称为是继敏感火工品和钝感火工品之后的新一代火工品，即火工集成技术。

MEMS微型火工技术的典型产品有 MEMS推冲器，与冷气推进器系统、等离子推进系统相比，该产品具有体积小、微推力、高精度的特点[17]，可以在微型卫星上广泛应用。

5 结束语

航天技术作为当今世界最具挑战性和广泛带动性的高技术领域之一，是国家综合实力的重要体现。火工技术作为独立的专业分支，也影响着航天技术的发展程度。随着我国载人航天、深空探测、卫星导航系统、高分辨率对地观测系统等重大工程的深入推进，火工技术也面临着发展与创新的需求。一方面需要针对基础理论开展深入研究，掌握极端环境条件等因素下含能材料的起爆、换能转换和失效机理，建立可靠性、安全性评估模型；另一方面需要加强先进的设计、检测技术的推广和应用，提升产品的设计、生产能力，为未来航天火工技术的可持续发展打下坚实基础。