基于微光機(jī)電技術(shù)的引信電子安全系統(tǒng)控制方法

單體強(qiáng)，齊杏林，高　敏

(解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊　050003)

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基于微光機(jī)電技術(shù)的引信電子安全系統(tǒng)控制方法

單體強(qiáng)，齊杏林，高敏

(解放軍軍械工程學(xué)院，河北 石家莊050003)

針對(duì)全電子安全系統(tǒng)電磁兼容性差的問題，根據(jù)系統(tǒng)安全性工程法遵循的第一原理，建立電子安全系統(tǒng)過程能量不相容原則，依據(jù)該原則提出了基于微光機(jī)電技術(shù)(MOEMS)的引信電子安全系統(tǒng)安全控制方法。該方法通過在電子安全系統(tǒng)中融入光纖和光學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，采用具有特殊時(shí)域波形的高功率激光脈沖序列作為過程能量傳輸，并以多模光纖為能量傳輸介質(zhì)，通過微機(jī)械保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光纖光路通斷控制邏輯，最終基于砷化鎵激光光伏電池完成高頻高功率激光光電轉(zhuǎn)換。理論分析與實(shí)驗(yàn)表明：基于MOEMS的電子安全系統(tǒng)安全控制方法能夠有效降低引信系統(tǒng)內(nèi)外電磁危害隱患，實(shí)現(xiàn)了微小體積條件下電子安全系統(tǒng)更好的電磁兼容性與更高的集成度。

引信；電子安全系統(tǒng)；安全控制；微光機(jī)電技術(shù)

0　引言

引信電子安全系統(tǒng)采用無隔爆爆炸序列，從根本上改變了引信安全系統(tǒng)的“隔離設(shè)計(jì)思想”[1]。但由于其內(nèi)部沖擊片雷管與戰(zhàn)斗部主裝藥或傳爆藥之間無任何隔離，處于絕對(duì)對(duì)正狀態(tài)，一旦安全控制系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤起爆指令，必然導(dǎo)致戰(zhàn)斗部直接誤起爆。因此，引信電子安全系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)更為嚴(yán)格，必須使其具備內(nèi)在的安全性，即本質(zhì)安全。

文獻(xiàn)[2]對(duì)經(jīng)典模式電子安全系統(tǒng)——全電子安全系統(tǒng)的安全性進(jìn)行了理論分析，得出其理論安全性高于其他類型安全系統(tǒng)。但在實(shí)際應(yīng)用中，文獻(xiàn)[3—6]通過試驗(yàn)研究得出全電子安全系統(tǒng)存在諸多電磁危害隱患：1)高壓轉(zhuǎn)換電路，特別是高頻變壓器升壓，極易產(chǎn)生強(qiáng)脈沖電磁干擾；2)發(fā)火電容充電后在其周圍空間形成強(qiáng)靜電場(chǎng)，引起靜電干擾；3)外界靜電、閃電、射頻及高空電磁脈沖等易通過電子電路引入系統(tǒng)內(nèi)部，產(chǎn)生大量諧波干擾；4)在多點(diǎn)分時(shí)起爆應(yīng)用中，任一起爆點(diǎn)起爆時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾易導(dǎo)致系統(tǒng)中部分電子電路工作異常甚至損壞，造成其他起爆點(diǎn)失效或過早作用。由此得出，電子器件及電子電路在全電子安全系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，致使全電子安全系統(tǒng)不僅在彈藥武器系統(tǒng)內(nèi)與其他環(huán)節(jié)相互間產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾現(xiàn)象，而且容易受到外界干擾而使引信系統(tǒng)失效或早炸，大大降低了直列式爆炸序列彈藥武器系統(tǒng)的安全性與可靠性。本文針對(duì)此問題，提出了基于微光機(jī)電技術(shù)的引信電子安全系統(tǒng)安全控制方法。

1　安全控制原理

引信狀態(tài)控制功能的實(shí)質(zhì)是通過引信安全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“過程能量”的安全控制，目的是確保引信在進(jìn)入預(yù)定解除保險(xiǎn)程序之前，切斷能量傳輸通道，使其可靠地處于安全狀態(tài)；在進(jìn)入預(yù)定解除保險(xiǎn)程序并滿足解除保險(xiǎn)條件時(shí)，閉合能量傳輸通道，使引信可靠地完成解除保險(xiǎn)動(dòng)作而處于待發(fā)狀態(tài)[7]。所謂“過程能量”，是相對(duì)“起爆能量”而言的，是指在引信安全系統(tǒng)內(nèi)部傳輸，最終將轉(zhuǎn)化為起爆能量的傳輸過程中的能量。

與此對(duì)應(yīng)，干擾能量要實(shí)現(xiàn)對(duì)引信安全系統(tǒng)狀態(tài)控制功能的干擾，必須具備三個(gè)基本條件：干擾源、傳輸介質(zhì)和敏感接收單元。除去其中任一條件，干擾將被消除。在安全系統(tǒng)中，相對(duì)于除去干擾源與敏感接收單元，除去干擾能量傳輸介質(zhì)是更為可行的方案。據(jù)此，本文提出“過程能量不相容原則”，該原則是指通過改變電子安全系統(tǒng)中正常能量的傳輸介質(zhì)，切斷干擾能量傳輸?shù)摹皥?chǎng)”或“路”等傳輸途徑，從而消除干擾能量對(duì)引信安全系統(tǒng)的影響。其中，“場(chǎng)”指靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)等，“路”指能量傳輸線路、電子電路等?！斑^程能量不相容原則”的建立遵循了系統(tǒng)安全性工程法第一原理[8]，即基于關(guān)鍵件所用材料的最基本的物理化學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，使該元件在經(jīng)受特定環(huán)境時(shí)的行為完全處于設(shè)計(jì)者預(yù)期的范圍之中，從而使系統(tǒng)響應(yīng)遵循無可辯駁的自然規(guī)律?！斑^程能量不相容原則”的實(shí)現(xiàn)方法是通過在電子安全系統(tǒng)中融入光纖和光學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，采用MOEMS光學(xué)器件進(jìn)行過程能量傳輸與轉(zhuǎn)換，過程能量——具有特殊時(shí)域波形的高功率激光脈沖序列與常見的環(huán)境能量形式差別較大，極難在自然界中出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了電子安全系統(tǒng)內(nèi)在的安全性，即本質(zhì)安全。

美軍WSESRB委員會(huì)在其發(fā)布的《非隔斷式爆炸序列電子安全與解除保險(xiǎn)裝置技術(shù)手冊(cè)》中規(guī)定了電子安全系統(tǒng)的保險(xiǎn)結(jié)構(gòu)形式及組合類型[9]，GJB6456-2008亦參考該手冊(cè)對(duì)引信電子安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)范，如表1所示。基于MOEMS的電子安全系統(tǒng)安全控制方法采用了保險(xiǎn)組合類型B——機(jī)械保險(xiǎn)與動(dòng)態(tài)電保險(xiǎn)相結(jié)合，以增強(qiáng)安全系統(tǒng)的故障保險(xiǎn)功能，同時(shí)降低共因失效概率。

遵循“過程能量不相容原則”設(shè)計(jì)，基于MOEMS的電子安全系統(tǒng)安全控制原理如圖1所示。

圖1　MOEMS電子安全系統(tǒng)安全控制原理框圖Fig.1　Safety control principle of the MOEMS ESA

圖1中，動(dòng)態(tài)電保險(xiǎn)控制半導(dǎo)體激光管輸出預(yù)定特殊時(shí)域波形的高功率激光脈沖序列，微機(jī)械保險(xiǎn)控制系統(tǒng)多模階躍光纖光路的通斷，系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)電保險(xiǎn)與微機(jī)械保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)安全與解除保險(xiǎn)邏輯控制， 過程能量經(jīng)激光光伏電池完成光能脈沖序列到電能脈沖序列的轉(zhuǎn)換。電子安全系統(tǒng)內(nèi)沖擊片雷管的起爆電壓上千伏，即遵循了“起爆能量不相容原則”，“過程能量不相容”與“起爆能量不相容”的結(jié)合致使MOEMS電子安全系統(tǒng)具有高度的安全性。

2　過程能量傳輸控制

2.1光纖光路通斷控制方法

根據(jù)系統(tǒng)安全控制原理可以得出，過程能量傳輸控制的實(shí)質(zhì)是通過微機(jī)械保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)光纖光路的通斷控制?；贛OEMS技術(shù)，光纖光路的通斷控制存在兩種方案：光纖固定式和光纖移動(dòng)式。

1)光纖固定式光路

在光纖固定式光路通斷控制方案中，具體包含兩種實(shí)現(xiàn)類型：阻斷式光路和反射式光路，如圖2所示。顯然，相對(duì)于反射式光路，阻斷式光路具有非常高的光能傳輸效率。但根據(jù)GJB373A-97可以得出，阻斷式光路設(shè)計(jì)不符合引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。具體原因包括：1)引信安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則規(guī)定：在某個(gè)或全部能量隔斷件漏裝或誤動(dòng)作的情況下，引信不應(yīng)解除保險(xiǎn)(啟動(dòng))，但若阻斷式光路中微執(zhí)行器漏裝，則對(duì)應(yīng)保險(xiǎn)功能解除，存在嚴(yán)重的安全控制隱患；2)不符合“故障保險(xiǎn)”設(shè)計(jì)要求，若安全系統(tǒng)出現(xiàn)故障，高能激光經(jīng)能量輸入光纖誤輸出，則微執(zhí)行器上的微擋板極易被高能激光燒蝕，導(dǎo)致光路導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)保險(xiǎn)功能解除。因此，在光纖固定式光路通斷控制方案中，反射式光路是可行方案。

圖2　光纖固定式光路Fig.2　Optical path of the fixed fiber

2)光纖移動(dòng)式光路

在光纖移動(dòng)式光路通斷控制方案中，可以通過能量輸入光纖與能量輸出光纖橫向偏移、軸向偏移、角度偏移及其中兩種或三種偏移方式的組合實(shí)現(xiàn)光纖光路的通斷控制，如圖3所示。

圖3　光纖移動(dòng)式光路Fig.3　Optical path of thelocomotive fiber

當(dāng)兩光纖之間的橫向偏移為x時(shí)，即光軸間距為x，光路光能耦合效率為：

(1)

式(1)中，k為折射率匹配系數(shù)，k=0.679；r為光纖纖芯半徑，r=52.5μm。

當(dāng)兩光纖之間的軸向偏移為z時(shí)，即光纖端面間隙為z，光路光能耦合效率為：

(2)

式(2)中，γ為芯包折射率差，γ=0.016。

當(dāng)兩光纖之間存在軸間夾角為θ時(shí)，光路光能耦合效率為：

(3)

假設(shè)多模階躍光纖橫截面光功率均勻分布，光強(qiáng)角分布與偏振也均勻。根據(jù)幾何光學(xué)理論，由式(1)-式(3)得出光纖橫向偏移、軸向偏移、角度偏移與光路光能耦合效率之間的關(guān)系如圖4所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，光路光能率耦合效率對(duì)光纖橫向偏移最為敏感，其次是角度偏移，而軸向偏移對(duì)光能耦合效率影響最小。因此，在光纖移動(dòng)式光路通斷控制方案中，通過控制光纖橫向偏移與角度偏移能夠?qū)崿F(xiàn)更高的隔離度和光能耦合效率。

2.2微機(jī)械保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)方法

在MOEMS電子安全系統(tǒng)中，過程能量的傳輸狀態(tài)由微機(jī)械保險(xiǎn)控制，而微機(jī)械保險(xiǎn)的實(shí)現(xiàn)方法則是由其內(nèi)部微執(zhí)行器控制光纖光路通斷的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用纖芯直徑為105 μm的多模階躍光纖，光纖芯徑越大，光斑均勻性越高，但對(duì)微執(zhí)行器位移及驅(qū)動(dòng)力的要求也越高。目前能夠?qū)崿F(xiàn)致動(dòng)位移大于100 μm的微執(zhí)行器有三類：電磁式、靜電式和電熱式。電磁式執(zhí)行器不符合引信電子安全系統(tǒng)應(yīng)用背景，故不予采用。

圖4　光纖偏移與光路光能耦合效率的關(guān)系

在光纖移動(dòng)式光路中，由于需要直接驅(qū)動(dòng)光纖，因此要求微執(zhí)行器必須具備大位移與大驅(qū)動(dòng)力輸出能力。顯然，電熱微執(zhí)行器是最優(yōu)選擇。但在光纖固定式光路中，由于微反射鏡的質(zhì)量決定光路光能耦合效率，且微反射鏡與微執(zhí)行器一般直接接觸或?yàn)橐惑w化設(shè)計(jì)，為了避免出現(xiàn)“雙晶體效應(yīng)”，應(yīng)采用靜電微執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)微反射鏡實(shí)現(xiàn)光纖光路通斷控制。但靜電微執(zhí)行器在電子安全系統(tǒng)中的靜電防護(hù)比較困難[6]，且其驅(qū)動(dòng)電壓上百伏，在引信中應(yīng)用具有一定的局限性。因此，通過電熱微執(zhí)行器執(zhí)行光纖光路通斷控制可行性更高。基于電熱微執(zhí)行器的微機(jī)械保險(xiǎn)芯片結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　微機(jī)械保險(xiǎn)芯片結(jié)構(gòu)Fig.5　Structure of micromechanical safety feature

微機(jī)械保險(xiǎn)中，主、輔執(zhí)行器均為V型電熱微執(zhí)行器，主執(zhí)行器用于驅(qū)動(dòng)能量輸入光纖可動(dòng)端運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)能量輸入、輸出光纖對(duì)準(zhǔn)；輔執(zhí)行器用于對(duì)能量輸入光纖可動(dòng)端的位移量進(jìn)行限制，防止因振動(dòng)、沖擊等外界環(huán)境因素而意外解除保險(xiǎn)，微機(jī)械保險(xiǎn)芯片體積小于10 mm×6 mm×1 mm。

不同于其他微結(jié)構(gòu)，由于能量輸入光纖懸臂端長(zhǎng)度較長(zhǎng)，剛度較低，即固有頻率較低，因此懸臂光纖對(duì)于多數(shù)條件下機(jī)械沖擊的響應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，而非準(zhǔn)靜態(tài)。真空條件下，當(dāng)微機(jī)械保險(xiǎn)分別經(jīng)受周期為0.1 ms與1.0 ms的半正弦波沖擊時(shí)，懸臂光纖位移響應(yīng)如圖6所示。光纖裸纖直徑125 μm，懸臂端長(zhǎng)4 mm。從圖中可以得出，當(dāng)沖擊載荷達(dá)到3 500～5 000g時(shí)，光能意外耦合效率約為50%[10]。為解決該問題，必須采用限位機(jī)構(gòu)與主執(zhí)行器配合限制光纖可動(dòng)端移動(dòng)。若采用微彈簧結(jié)構(gòu)與主執(zhí)行器配合，則要求彈簧彈性系數(shù)較大，對(duì)主執(zhí)行器的性能要求更為嚴(yán)苛。因此，本文微機(jī)械保險(xiǎn)采用了雙執(zhí)行器結(jié)構(gòu)控制能量輸入光纖可動(dòng)端位移。

圖6　沖擊條件下懸臂光纖響應(yīng)Fig.6　Response of thecantilever fiber under shock

3　過程能量轉(zhuǎn)換控制

過程能量轉(zhuǎn)換控制的實(shí)質(zhì)是高頻高功率激光脈沖序列的光電轉(zhuǎn)換控制。過程能量轉(zhuǎn)換控制必須解決三個(gè)方面的問題：轉(zhuǎn)換頻率、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。受電子安全系統(tǒng)中變壓器最低工作頻率的限制，光電轉(zhuǎn)換頻率必須大于20 kHz。一般情況下，能量型光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換頻率低(小于1 kHz)，轉(zhuǎn)換效率較低(小于20%)，輸出功率小(毫瓦量級(jí))，這將造成系統(tǒng)功耗過大，解除保險(xiǎn)時(shí)間過長(zhǎng)等問題，很難達(dá)到引信工作需求。

根據(jù)以上三個(gè)方面的要求，通過研究相關(guān)半導(dǎo)體光電材料特性，確定了基于砷化鎵光伏電池的高頻高功率激光光電轉(zhuǎn)換控制方法。砷化鎵為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率最高達(dá)50 MHz[11]，滿足系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換頻率要求。

光伏電池具有N/P和P/N兩種形式。對(duì)多波長(zhǎng)光源而言，由于直隙半導(dǎo)體電池從表面開始，光吸收系數(shù)均大于0.9，且電子擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于空穴擴(kuò)散系數(shù)，為了提高少數(shù)載流子的收集幾率，一般采用P型基區(qū)，即光伏電池一般采用N/P型結(jié)構(gòu)。但對(duì)于單波長(zhǎng)激光入射的砷化鎵光伏電池，應(yīng)采用P/N結(jié)構(gòu)，原因是其接收光子能量單一，不存在短波光子被浪費(fèi)的現(xiàn)象，且由于單波長(zhǎng)激光的能量密度非常大，P/N結(jié)有利于減小電子收集時(shí)的橫向電阻。依據(jù)上述理論分析，本文設(shè)計(jì)砷化鎵激光光伏電池結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，其等效電路如圖7(b)所示。光伏電池I-V特性計(jì)算如下：

(4)

式中，Isc為光生電流，Is1是由準(zhǔn)中性區(qū)中的復(fù)合產(chǎn)生的暗電流，Is2是由空間電荷區(qū)中的復(fù)合產(chǎn)生的飽和暗電流，n為理想因子，k為波爾茲曼常量，q為基本電荷電量，T為溫度。

圖7　激光光伏電池結(jié)構(gòu)及其等效電路模型Fig.7　Structure of laserphotovoltaic cell and its equivalent circuit model

激光光伏電池的基極與發(fā)射極結(jié)構(gòu)對(duì)其性能起決定性作用。通過仿真與實(shí)驗(yàn)得出[12]，對(duì)于波長(zhǎng)為808 nm的單色激光，當(dāng)電池基極摻雜濃度為1×1017cm3，發(fā)射極摻雜濃度為2×1018cm3時(shí)，激光光伏電池性能最優(yōu)。除基極與發(fā)射極外，激光光伏電池結(jié)構(gòu)還包括窗口層、背場(chǎng)層、緩沖層和襯底等結(jié)構(gòu)層?；诒硤?chǎng)層在電池中的作用以及晶體生長(zhǎng)方面的考慮，激光光伏電池采用了N型AlGaAs作為背場(chǎng)層，AlGaAs材料能夠?qū)崿F(xiàn)與GaAs材料的良好晶格匹配。激光光伏電池及其I-V/P-V特性試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，砷化鎵激光光伏電池的最高光電轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到50%，最高輸出功率大于2.5 W，與國(guó)外水平相當(dāng)。

圖8　激光光伏電池I-V/P-V特性Fig.8　The I-V/P-V characters of laserphotovoltaic cell

在一定光功率密度條件下，激光光伏電池具有固定的輸出電壓(約1 V)，而發(fā)火電容所需充電電壓上千伏，直接采用變壓器將1 V電壓升至上千伏十分困難。因此，采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式的光伏電池陣列完成高頻高功率激光的光電轉(zhuǎn)換。六片光伏電池串聯(lián)封裝結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中，單片光伏電池面積為5 mm×5 mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究得出[13]，串聯(lián)封裝后，由于入射光斑光功率密度不均勻，電池陣列光敏面的光電轉(zhuǎn)換效率下降約10%，但最高光電轉(zhuǎn)換效率仍可達(dá)到40%。

圖9　激光光伏電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)Fig.9　Series connected laser photovoltaic cells

4　結(jié)論

本文提出了基于微光機(jī)電技術(shù)的引信電子安全系統(tǒng)安全控制方法。該方法通過在電子安全系統(tǒng)中融入光纖和光學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，以微機(jī)械保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光纖光路通斷控制邏輯，采用微型光學(xué)器件進(jìn)行過程能量傳輸與轉(zhuǎn)換；過程能量是具有特殊時(shí)域波形的高頻高功率激光脈沖序列，與安全系統(tǒng)內(nèi)部器件產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖電磁干擾、靜電干擾以及系統(tǒng)外部靜電、閃電、射頻及高空電磁脈沖能量在能量形式上不具備相容性。理論分析與實(shí)驗(yàn)表明：該方法能夠有效降低引信系統(tǒng)內(nèi)外電磁危害隱患，使電子安全系統(tǒng)具備了本質(zhì)安全性，實(shí)現(xiàn)了微小體積條件下電子安全系統(tǒng)更好的電磁兼容性與更高的集成度。

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Electronic Safety and Arming System Controlling Based on MOEMS

SHAN Tiqiang, QI Xinglin, GAO Min

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

The electromagnetic compatibility of the classic model fuze electronic safety and arming system (ESA) is poor. To solve this problem, according to the first principles of the system safety engineering, the incompatibility principle of the process energy was established. According to this principle, a safety control method of the ESA was proposed based on MOEMS. The technologies of the fiber and optical energy conversion were introduced into ESA. The electric process energy was displaced by the high power laser, which was a pulse sequence with special time-domain waveform. The multimode fibers were adopted as medium of the process energy transmission. The optical path on-off logic was controlled by the MEMS safety feature. The laser photovoltaic cells based on GaAs was used in laser photoelectric conversion. The analytic and experimental results showed that the ESA safety control method based on MOEMS was effective to restrain the electromagnetic damage inside/outside of the system and promoted the electromagnetic compatibility and integration degree of the ESA with miniature scale volume.

fuze; electronic safety and arming system; safety control; MOEMS

2015-12-27

裝備預(yù)研基金項(xiàng)目資助(9140A05050115JB34065)

單體強(qiáng)(1987—)，男，山東高密人，博士研究生，研究方向：信息感知與控制技術(shù)。E-mail: stq0701@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2016)04-0027-06