CN109539899B - 一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统，包括一体式爆炸箔起爆装置和分体式爆炸箔起爆装置两种爆炸箔起爆系统。一体式爆炸箔起爆装置上设置有外壳体，外壳体的内部安装有升压电路单元、脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药。升压电路单元的输入端，设置有电缆组件，与控制系统电缆网连接；升压电路单元输出端连接由高压电容器、半导体开关或者真空冷阴极管开关等高压开关组成的脉冲充放电单元，对脉冲单元进行电容的充电、放电操作；分体式爆炸箔起爆装置，从升压电路单元与脉冲功率单元处将一体式的爆炸箔起爆装置断开，通过电缆和连接器连接，形成升压电路单元与剩余单元组合体CDU两部分。

Description

一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统

技术领域

本发明涉及火工品、引信领域领域，具体涉及一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统。

背景技术

目前，对于桥带、桥丝等电起爆器，电磁干扰是一直是一个无法避免的问题。在未来航天发射中，电磁干扰问题、核电磁脉冲等来自外部、内部的电磁问题，对火工品的安全性要求越来越高。而传统的火工品，桥带(桥丝)和起爆药(一般是斯蒂芬酸铅，一种敏感的起爆药剂)，均直接贴紧接触，在复杂的电磁环境中，各种感应电流通过桥带产生热量，直接作用在起爆药上。当外界电磁环境能量达到一定强度，导致热量积累到一定程度，就会引起起爆器发生误爆，发生安全性问题。为了确保航天运载火箭的安全性，一般电起爆器都不随箭存储，并且，装箭后，除了回路电阻，也无法对整个放电回路的性能进行测试，不能实时监测产品状态，严重影响实战化水平，在火箭发动机中，对电起爆器的基本要求是安全、可靠。目前使用的1A1W5min钝感电起爆器虽然可降低杂散电流及射频的危害，但不能完全解决射频的问题，如不能抵抗闪电和高空电磁脉冲等。而发动机点火的安全解保装置，由于结构、机构复杂，并不满足直列式点火的规定。爆炸箔起爆器由于不使用起爆药和和松装猛炸药，且爆炸桥箔与炸药不直接接触，所以它对于机械冲击、静电、杂散电流、射频等都有较强的抵抗能力，是一种极其安全可靠的B类钝感电起爆器，在国外运载火箭上应用广泛，传统的爆炸箔起爆装置的工作原理是：当触发信号来到时，高压开关导通，储能电容放电产生一个大的脉冲电流使桥箔从固态变为等离子态，等离子体剪切桥箔上的聚酰亚胺薄膜层(或其他电介质层)形成飞片，飞片以极高的速度撞击高能装药，使其引爆。爆炸箔起爆器由冲击片雷管和脉冲功率装置两部分组成，国内目前均为两者分体式起爆系统，集成化程度很低。脉冲功率装置包括高压开关、电容器、升压器等部件，高压开关使控制其可靠性的关键元器件。冲击片雷管方面已经形成了较成熟的产品，但普遍要求的发火电压较高，在1800V～2500V左右，要求脉冲功率装置中的控制电路器件需要耐高压，传输线路和控制开关电感要尽可能小。脉冲功率装置中，关键元器件为主放电回路的高压开关，首先，耐高压，约1-3kV；其次，能使发火电流脉冲触发瞬间顺利通过，时间约为30-60ns。因此，高压开关的运行条件及其苛刻，它要求开关的电阻和电感小，导通能力高，寿命长，稳定可靠。

目前，国内脉冲功率装置中多采用立体式真空冷阴极管开关或者气体开关，都是立体式三电极结构，是目前爆炸箔起爆装置常用的高压开关。其中，空气开关的工作电压范围限制较大，在工作电压低于静态击穿电压的50％时，工作可靠性不高，而真空开关制作工艺复杂，对真空度要求高，制作工艺复杂，需要经过仔细的脱气处理，其生产成本很高。两种开关的体积大，工作电压高，生产成品率低，需要筛选电感，成本高昂。对于箭体上安装空间小和大数量的使用需求，完全不适用，由于电感和能量损耗要尽可能小，对于控制系统的要求很高，另外，由于高压控制，对其他设备也会带来相应的电磁环境影响。

发明内容

本发明要为了解决上述技术问题，提供一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统，分为一体式爆炸箔起爆系统和分体式爆炸箔起爆装置两种状态。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供了一种基于冗余平面触发开关的小型化、集成化爆炸箔起爆系统，包括一体式爆炸箔起爆装置和分体式爆炸箔起爆装置，所述一体式爆炸箔起爆装置上外壳体的内部安装有升压电路单元、脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药。升压电路单元的输入端，设置有电缆组件，与控制系统电缆网连接；输出端连接由高压电容器、半导体开关或者真空冷阴极管开关等高压开关组成的脉冲充放电单元，对脉冲单元进行电容的充电、放电操作；脉冲功率单元输出端连接爆炸箔起爆芯片；爆炸箔起爆芯片连接火工装药，分体式爆炸箔起爆装置，从升压电路单元与脉冲功率单元处将一体式的爆炸箔起爆装置断开，通过电缆和连接器连接，形成升压电路单元与剩余单元组合体CDU两部分，CDU包括脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药。升压电路能够同时满足对多个CDU同时或分时充电、放电的要求。

作为本发明的一种优选技术方案，所述爆炸箔起爆芯片爆炸箔起爆芯片所述高压开关和高压电容连接爆炸箔起爆芯片，形成放电回路，起爆爆炸箔芯片。

作为本发明的一种优选技术方案，所述高压开关采用MCT半导体开关或者真空冷阴极管开关，两种开关均能耐受高压，但半导体开关由低压控制开合，真空冷阴极管需要高压控制开合，实现对高压电容的放电。

作为本发明的一种优选技术方案，所述一体式外壳体和所述分体式外壳体、控制盒内部的电路和元器件均进行电子灌封胶。

作为本发明的一种优选技术方案，所述装药体和所述分体式装药体采用“HNS-IV”炸药或“HNS-IV+HNS-II”组合炸药。

本发明所达到的有益效果是：本发明系统设计新颖、操作简便，采用一体式爆炸箔起爆系统集成了升压电路单元、脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片、装药和结构封装爆炸箔起爆芯片具有集成度高、起爆能量低、电感小的特点，是电子技术和火工品的高度集成的系统装置，实现了爆炸箔起爆装置高可靠、小型化特点。分体式爆炸箔起爆装置，在一体式爆炸箔基础上，将升压电路单元与脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片、装药封装成的CDU单元分开，一方面，能够进一步降低与下级火工品直接连接的CDU的体积，另一方面，一套升压装置能同时控制多个CDU，进一步提高了升压装置的利用效率，降低了产品成本。分体式爆炸箔起爆装置，不仅具有集成度高、起爆能量低、电感小的特点，更具有体积小、成本更低的特点，更方便了运载火箭的使用。

一体式爆炸箔起爆芯片(2)和分体式爆炸箔起爆芯片(25)采用MEMS技术制备，易于加工，质量性好，成本低具有电感小，产品一致性好、响应速度快，阻抗低，触发电压小，对脉冲功率装置要求低，环境适应性好和结构简单的特点。

针对爆炸箔起爆芯片，设计了两种对应的封装结构，形成了升压电路单元、脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药爆炸箔起爆芯片封装在一体的一体式集成爆炸箔起爆装置；还形成了一种一套升压电路单元与多个CDU(脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药)一对多的分体式爆炸箔起爆装置，通过不同的时序和指令控制，形成了一对多的同步或分时起爆，具有体积小、成本低、集成度高、工作可靠的优点，可以应用于火工品系统中，本发明发明了升压电路单元和脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药封装在一体的一体式集成爆炸箔起爆系统，以及升压电路单元和脉冲充放电单元、爆炸箔起爆芯片和火工装药分开控制的一对多的分体式集成爆炸箔起爆系统，可适用于火工品分离、发动机点火等相关系统中，提高运载火箭的安全性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明一体式爆炸箔起爆装置的结构示意图；

图2是本发明分体式爆炸箔起爆装置的结构示意图；

图3是本发明爆炸箔起爆芯片的结构示意图；

图4是本发明的一体式爆炸箔起爆系统接口电路示意；

图5是本发明的分体式爆炸箔起爆装置接口电路示意；

图6是本发明的工作模块结构示意；

图中：1、一体式升压电路单元；2、一体式爆炸箔起爆芯片；3、第一电路保护器件；4、第一高压开关；5、高压电容；6、装药体；7、装药壳体组件；8、外壳体；9、电缆组件；12、爆炸箔；13、一体式爆炸箔起爆装置13；18、控制盒；19、CDU；20、分体式升压电路单元；21、分体式爆炸箔起爆装置；22、分体式电缆组件；23、分体式外壳体；24、分体式高压电容；25、分体式爆炸箔起爆芯片；26、分体式装药壳体组件；27、分体式装药体；28、第二高压开关；29、第一电路保护器件；30、电连接器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-6所示，本发明提供一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统，包括一体式爆炸箔起爆系统13和分体式爆炸箔起爆装置21，一体式爆炸箔起爆装置13上设置有外壳体8，外壳体8的内部安装有一体式升压电路单元1，一体式升压电路单元1的顶端安装有半导体或者真空冷阴极管等第一高压开关4、电路保护器件3和高压电容5；一体式升压电路单元1和高压电容5的一端安装有一体式爆炸箔起爆芯片2；外壳体8的一侧设置有电缆组件9；外壳体8的另一侧设置有装药壳体组件7，所述装药壳体组件7的内部安装有装药体6。分体式爆炸箔起爆装置21控制盒18和若干个CDU19组成。控制盒18内有一套或多套升压电路20，通过一侧电连接器30和控制系统连接。控制盒18另一侧通过若干连接器和电缆组件22连接若干个CDU19，CDU19上设置有分体式外壳体23，外壳体23的内部安装有高压电容24，高压电容24的一端设置有半导体开关或者真空冷阴极管开关等第二高压开关28和电路保护器件29，CDU19的另一端设置有分体式一体式爆炸箔起爆芯片25，分体式外壳体23的另一侧设置有分体式装药壳体组件26，分体式装药壳体组件26的内部安装有分体装药体27。

一体式爆炸箔起爆装置13中的高压电容5、第一高压开关4和一体式爆炸箔起爆芯片2形成一个低电感回路，分体式爆炸箔起爆装置CDU19中的高压电容24、第二高压开关28和分体式一体式爆炸箔起爆芯片25形成了一个低电感回路。由于产品集成度高，低电感回路能够有效的降低对起爆能量的损耗，降低回路电感影响，降低起爆能量，爆炸箔12起爆芯片的发火桥区位于芯片正中央，使其易于实现产品结构封装，一体式爆炸箔起爆芯片2和分体式爆炸箔起爆芯片25通过MEMS工艺生产制造，生产工艺简单，成本低，质量一致性好，通过过程控制和批验收的质量一致性检验，可以按照一次性使用火工品管理，确保产品的质量。

第一高压开关4和第二高压开关28为MCT半导体开关或者真空冷阴极管开关。

外壳体8和分体式外壳体23、控制盒18内部的电路和元器件均进行电子灌封胶，防止水分、有害气体对电子器件的侵蚀，减缓振动和稳定元件参数。

装药体6和分体式装药体6采用“HNS-IV”炸药或者“HNS-IV+HNS-II”组合炸药。

该装置是一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统，一体式爆炸箔起爆装置13其工作过程分为：空闲、自检、模拟点火起爆和正式点火起爆四个过程，其中一体式爆炸箔起爆装置13中的控制系统收到通信系统传入指定ID的“自检”指令——内部电路自检——根据通信系统回传自检结果——进入“空闲”状态，收到通信系统传入指定ID的“模拟点火”指令——控制系统供电供测试电(5V)——一升压电路单元升压——接收“点火指令”——采集到点火指令，不触发装置内部开关4——回传模拟点火结果——进入“空闲状态”——电容放电，收到通信系统传入指定ID的“点火”指令——控制系统供电供点火电(28V)——升压电路单元升压1——接收“点火指令”——采集到点火指令，触发装置内部开关4——回传点火结果——进入“空闲状态”——电容放电。

分体式爆炸箔起爆装置21，工作过程与一体式爆炸箔起爆装置13类似，其工作过程分为：空闲、自检、模拟点火起爆和正式点火起爆四个过程。其中，分体式爆炸箔起爆装置21中的控制盒18收到通信系统传入指定ID的指令后，就可以发出对指定ID的CDU19实现空闲、自检、模拟点火起爆和正式点火等操作的具体指令，可以实现分时或同时控制单个或多个CDU的功能。CDU收到“自检”指令——内部电路自检——根据通信系统回传自检结果——进入“空闲”状态，收到通信系统传入指定ID的“模拟点火”指令——控制系统供电供测试电(5V)——一升压电路单元升压——接收“点火指令”——采集到点火指令，不触发装置内部开关28——回传模拟点火结果——进入“空闲状态”——电容放电，收到通信系统传入指定ID的“点火”指令——控制系统供电供点火电(28V)——升压电路单元20升压——接收“点火指令”——采集到点火指令，触发装置内部开关28——回传点火结果——进入“空闲状态”——电容放电。

(1)自检过程

一体式爆炸箔起爆系统13和分体式爆炸箔起爆装置21的自检过程如下：在空闲状态，收到控制系统发出的自检指令后，内部电路各个器件进行低压自检，返回“自检结果”给控制系统后，进入“空闲”状态。

(2)模拟点火过程

一体式爆炸箔起爆系统13具体装置模拟点火过程如下：在空闲状态，一体式升压电路单元1、接收到5V的电压(5V～9V均可)，通过一体式升压电路单元1将电压作用到5高压电容两端，高压电容5的主电压升压的范围为75V，对两电容充电，电容充满时间不大于200ms。接收到控制系统提供的28V点火指令后，第一高压开关4不触发放电，通过通信接口回传模拟点火结果后，进入“空闲”状态，同时高压电容5放电。

分体式爆炸箔起爆装置21模拟点火过程如下：在空闲状态，分体式升压电路单元20单接收到5V的电压，通过分体式升压电路单元20和电缆组件22将电压分别作用到不同的CDU19中的高压电容24两端，电压为75V，对两电容充电，电容充满时间不大于200ms。接收到控制系统提供的28V点火指令后，第二高压开关28不触发放电，通过通信接口回传模拟点火结果后，进入“空闲”状态，同时高压电容25放电。

(3)点火具体工作过程

一体式爆炸箔起爆系统13具体装置点火过程如下：在空闲状态，一体式升压电路单元1、接收到28V的电压(25V～35V均可)，通过一体式升压电路单元1将电压作用到5高压电容两端，高压电容5的主电压升压的典型电压为1250V(也可以是1000V～2500V之间的任何电压)，对两电容充电，电容充满时间不大于200ms。接收到控制系统提供的28V点火指令后，第一高压开关4触发放电，通过通信接口回传模拟点火结果后，进入“空闲”状态，同时高压电容5放电。

分体式爆炸箔起爆装置13具体装置点火过程如下：在空闲状态，分体式控制盒18接收到具体ID的升压指令，升压电路单元20接收到28V的电压(25V～35V均可)，通过升压电路单元20和电缆组件22将电压作用到制定ID的CDU19的高压电容24两端，高压电容24的主电压升压的典型电压为1250V(也可以是1000V～2500V之间的任何电压)，对两电容充电，电容充满时间不大于200ms。接收到控制系统提供的对应ID的28V点火指令后，第二高压开关28触发放电，通过通信接口回传模拟点火结果后，进入“空闲”状态，同时高压电容5放电。

高压电容爆炸箔起爆芯片爆炸箔起爆芯片高压电容爆炸箔起爆芯片高压电容最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种小型化、集成化爆炸箔起爆系统，包括一体式爆炸箔起爆装置(13)和分体式爆炸箔起爆装置(21)，其特征在于，所述一体式爆炸箔起爆装置(13)上设置有外壳体(8)，所述外壳体(8)的内部安装有一体式升压电路单元(1)，所述一体式升压电路单元(1)的顶端安装有脉冲充放电单元，一体式升压电路单元（1）包括第一高压开关(4)、相关的第一电路保护器件(3)和第一高压电容(5)，所述一体式升压电路单元(1)和第一高压电容(5)的一端安装有一体式爆炸箔起爆芯片(2)；所述外壳体(8)的一侧设置有第一电缆组件(9)，所述外壳体(8)的另一侧设置有装药壳体组件(7)，所述装药壳体组件(7)的内部安装有装药体(6)；所述分体式爆炸箔起爆装置(21)由控制盒(18)和若干个CDU(19)组成，所述控制盒(18)内有一套或多套升压电路(20)，控制盒(18)通过一侧电连接器(30)和控制系统连接，所述控制盒(18)另一侧通过若干连接器和第二电缆组件(22)连接若干个CDU(19)， CDU(19)上设置有分体式外壳体(23)，所述分体式外壳体(23)的内部安装有第二高压电容(24)，所述第二高压电容(24)的一端设置有第二高压开关(28)和第二电路保护器件(29)，所述CDU(19)的另一端设置有分体式爆炸箔起爆芯片(25)，所述分体式外壳体(23)的另一侧设置有分体式装药壳体组件(26)，所述分体式装药壳体组件(26)的内部安装有分体装药体(27)；所述一体式爆炸箔起爆芯片(2)和所述分体式爆炸箔起爆芯片(25)上的第一高压开关(4)和第二高压开关(28)为耐高压器件，所述第一高压开关(4)和所述第二高压开关(28)为MCT半导体开关、IGBT半导体开关或者真空冷阴极管开关，所述一体式爆炸箔起爆芯片(2)和所述分体式爆炸箔起爆芯片(25)的一端设有爆炸箔(12)；爆炸箔起爆系统集成了一体式升压电路单元(1)、第一高压开关(4)、相关的第一电路保护器件(3)、第一高压电容(5)、一体式爆炸箔起爆芯片(2)、装药体(6)均通过所述外壳体(8)、所述装药壳体组件(7)封装在一起，并通过电缆分别与所述第一电缆组件(9)和控制系统连接；所述一体式爆炸箔起爆芯片(2)和分体式爆炸箔起爆芯片(25)采用MEMS技术生产，在陶瓷基体上，通过溅射、刻蚀、沉积或光刻MEMS技术，形成了爆炸桥箔、飞片层和加速膛，优于传统的模压工艺生产的爆炸箔起爆芯片；所述一体式爆炸箔起爆装置(13)和所述分体式爆炸箔起爆装置(21)的工作模式分为上电、空闲，然后分为自检、模拟点火、正式点火三种状态，在上电工作模式下，进入自检状态并完成自检后，返回空闲工作模式；进入模拟点火状态并完成模拟点火后，返回空闲工作模式；进入正式点火状态并完成正式点火后，返回空闲工作模式。

2.根据权利要求1所述的小型化、集成化爆炸箔起爆系统，其特征在于，分体式爆炸箔起爆装置(21)由控制盒(18)和若干个CDU(19)组成；所述控制盒(18)内有一套或多套升压电路(20)，控制系统通过所述电连接器(30)和所述控制盒(18)连接，所述控制盒(18)通过连接器和 第二电缆组件(22)连接若干个CDU(19)，根据控制方式不同，实现同时或者分时的充电、放电与起爆功能。

3.根据权利要求1所述的小型化、集成化爆炸箔起爆系统，其特征在于，所述CDU(19)由所述第二高压电容(24)、第二高压开关(28)、所述第二电路保护器件(29)、所述分体式爆炸箔起爆芯片(25)、所述分体装药体(27)组成，封装在所述分体式装药壳体组件(26)和所述分体式外壳体(23)中。

4.根据权利要求1所述的小型化、集成化爆炸箔起爆系统，其特征在于，所述外壳体(8)、分体式外壳体(23)和控制盒(18)内部的电路和元器件均进行电子灌封胶灌封。

5.根据权利要求1所述的小型化、集成化爆炸箔起爆系统，其特征在于，所述装药体(6)和分体式装药壳体组件(26)采用“HNS-IV”或“HNS-IV+HNS-II组合炸药”。

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