1.3.1 国内外电子安全系统研究的发展历程
电子安全系统自从20世纪70年代在美国首次公开以来,引起了国内外引信界的普遍关注,美、英等国开始对电子安全系统和直列式爆炸序列在各种武器上的应用进行了广泛的研究,并研制成功了高可靠度、高安全性的安全与解保系统。电子安全系统在国外的发展大体上可以概括为三个阶段:概念形成阶段、理论和技术成熟阶段、功能扩展阶段。
1.概念形成阶段
1976年,美国劳伦斯·利沃莫尔国家实验室的约翰·施特劳斯于美国战备协会弹药技术部引信分部年会上公布了一种新型冲击片雷管(Slapper)。此种雷管又被称作EFI(Exploding Foil Initiator),不同于以往的高感度雷管,它依靠高压储能电容,在瞬间以6～10 MW的功率释放到雷管的铜桥箔上,被气化的铜桥箔推动一个高速冲击片起爆钝感高能炸药。此能量很难在自然环境中重现,所以其安全性高,可靠性高。电子安全系统便是以此为核心部件建立起来的。
20世纪80年代初由美国Sandia国家实验室和Harry Diammand实验室提出了系统组成的一般模式。采用两个物理独立控制芯片、三个能量隔离开关实现冗余保险,该结构至今仍作为电子安全系统研究的基本框架,如图1.9所示。该电子安全系统主要由两部分组成,第一部分是低压安全逻辑电路,包括环境与目标探测、保险与解除保险控制逻辑、数据接口电路等。第二部分是高压起爆装置,包括高压变换器、起爆电路以及冲击片雷管等。起爆部分为直列式爆炸序列,不存在机械移动隔爆装置。为满足这种电子控制的非隔断电子爆炸序列的安全冗余性的要求,设计了三个分别由不同安全特性控制的电子开关来隔离能量通道,以避免意外解除保险。
2.理论和技术成熟阶段
20世纪80年代末90年代初,微电子半导体技术的飞速发展使得电子元器件集成度大幅提高,成本逐步下降。ESAD的设计思想和设计专利不断提出,从而推动了ESAD系统的发展和成熟。
1985年著名引信专家S.E.Fowler发表了专利《自检解保发火控制器》,该装置采用微处理器和一组逻辑网络用于状态控制,使得电子安全机构的安全性和可靠性从技术实现上达到了所要求的水平。
1991年由Willis等发表的专利《模块化电子安全与解保装置》对电子安全机构的通用化进行了研究。该设计使用标准的电路结构,将装置模块化,分为逻辑模块、通用的电压控制模块和通用的高能发火模块。逻辑模块是采用时序逻辑设计实现的。
1993年由Hunter等发表的专利《通用电子安全与解保系统》将专用集成电路(ASIC)引入电子安全装置,用于状态控制。将一些分立的逻辑器件,如智能与门、锁存器、指令解保寄存器、可编程计数器等集成到一块芯片内,提高了系统集成度和通用性,该系统可以针对不同的武器系统,选用不同的I/O接口电路,进行应用。
图1.9 电子安全系统结构框图
从这些专利或设计中可以看出,当时电子安全系统的发展重点集中在安全与解保控制逻辑的设计、电子安全与解保装置的通用化和标准化应用、控制模块如何提取有效的环境信息、复杂连锁时序和时间窗设计以及目标解除保险逻辑等问题上。
3.功能扩展阶段
MEMS技术的引入、可编程逻辑器件的运用以及制导引信一体化(GIF)思想的指导,使得ESAD向着微型化、低成本以及应用于更加广泛的武器系统发展。
在1999年美国第43届引信年会上,SANDIA国家实验室的Victor C.Rimkus就电子安全与解保装置的微型化发展做了介绍,指出了ESAD的发展方向,即微型化和低成本,以便将来应用于引爆装置。小型化需重点解决的问题和器件包括低能冲击片雷管、固态高压开关、高压陶瓷电容等。
国外对引爆装置信息的综合利用和硬件资源共享极为重视。早在20世纪70年代中期,美国在论证用于空对空模块式数字引爆装置的制导中,提出了引爆装置系统设计应与制导系统功能结合起来,即引信制导一体化(GIF)的概念。传统机械式安全与解保装置很难实现与制导系统之间信息的传递与共享,电子安全系统能很好地解决这个难题,使得GIF的概念得到进一步拓展,体现在电子安全系统中控制芯片与引爆装置计算机之间进行信息传递,一方面,可将电子安全解保装置的状态反馈给引爆装置上的计算机,参与决策;另一方面,电子安全系统可利用目标信息和引爆装置上的过载信息,参与状态变换,实现目标解除保险,确保引爆装置的安全。此外,还可实现发动机续航点火和起爆一体化等控制。
在美国第45届引信年会上,著名引信提供商KDI公司推出了一款用于“制导多管火箭系统”(GMLRS)中的电子安全与解保装置。设计中,通过一个发送接收器与引爆装置上的计算机进行串口通信,很好地实现了信息共享。装置低压控制部分采用FPGA可编程逻辑器件,不仅可缩短系统开发周期,而且可大大缩小装置体积,同时增强了系统灵活性和通用性:高压起爆部分的高压转换器同时为高压储能电容和触发电路的电容充电,简化了触发电路。
而从近几年的引信年会上可以发现,随着低能冲击片雷管技术的逐步成熟,电子安全系统的高能起爆部分体积越来越小,应用也越来越广泛。美国空军研究实验室在2005—2007年的美国引信年会中介绍了一种适应性小型起爆系统技术(Adaptable Miniature Initiation System Technology),并用该技术实现战斗部的多点顺序起爆。图1.10为小型发火系统的实物图,图1.11为起爆点在战斗部中的布置示意图,图1.12所示为整个系统及附件。
图1.10 小型发火系统
图1.11 起爆点在战斗部中的布置示意图
图1.12 系统样机
在美国第52届引信年会上,以色列兵器工业集团公司已将电子安全系统应用于M203武器系统中,该产品样机如图1.13所示,主要参数为,发火电容电压为1 200 V,充电时间不大于300 ms,外形体积方面,外廓直径为34.7 mm,高度为10～15 mm,该公司还指出未来几年将逐步实现片上引信系统。
图1.13 M203电子安全系统样机
国内电子安全系统的研究始于20世纪80年代,主要由北京理工大学和兵总213所进行预研,其中北京理工大学引信动态特性国防科技重点实验室在电子安全系统的系统设计和状态控制等方面进行了较为全面的研究,包括系统设计原则、系统状态控制原则、电子安全系统可靠性研究、环境识别技术、状态控制电路实现研究、控制电路集成化研究及系统的工程化研究。兵总213所重点对电子安全系统所用的冲击片雷管及其匹配的起爆电路进行了深入研究,并在关键技术上取得了突破性成果。其间所研制的引爆装置的电子安全系统的初样机基本能满足工程要求,样机如图1.14所示。此外,中国工程物理研究院也对该技术展开了全面的研究。目前,国内已有成熟产品在若干引爆装置中得到成功应用。
图1.14 某型号电子安全系统样机