MEMS加速度計在防空導(dǎo)彈引信中的應(yīng)用

范衛(wèi)民，劉雙杰，王麗爽，劉洪濤，趙忠海，史英智

(1.沈陽理工大學(xué) 裝備工程學(xué)院， 沈陽　110000； 2.遼寧華興機電有限公司， 遼寧 錦州　121017)

一般情況下，便攜式地對空導(dǎo)彈引信都是以觸發(fā)作用為主，所以引信的觸發(fā)發(fā)火部件在引信中起非常重要的作用。國產(chǎn)單兵導(dǎo)彈的前期產(chǎn)品的引信觸發(fā)發(fā)火部件采用沖擊閉合器，如果沖擊閉合器的發(fā)火過載值選擇較低，在導(dǎo)彈初始段，沖擊閉合器容易在發(fā)動機的發(fā)射過載作用下閉合，引信解除保險后，導(dǎo)彈仍在加速，如沖擊閉合器不能復(fù)位，導(dǎo)彈就會發(fā)生早炸[1]。沖擊閉合器等開關(guān)采用機械結(jié)構(gòu)，加工精度不會很高，實際工作時誤差較大，所以為了提高導(dǎo)彈引信的安全性，采用MEMS技術(shù)的加速度計可以實現(xiàn)武器彈藥的智能化和小型化，在引信中應(yīng)用MEMS技術(shù)是今后引信發(fā)展的必然趨勢[2]。

1　導(dǎo)彈測試下的加速度信號變化分析

為分析導(dǎo)彈發(fā)射過程過載情況，在某導(dǎo)彈內(nèi)安裝MEMS加速度計測量導(dǎo)彈飛行彈道全量程過載值。導(dǎo)彈飛行彈道過載曲線如圖1、圖2、圖3所示。

從彈道過載曲線可以看出最大過載為點火發(fā)射瞬間為85g，導(dǎo)彈出筒后發(fā)動機才工作，此時最大過載為發(fā)生在導(dǎo)彈發(fā)射初期——加速段，彈道最大過載45g左右，而在導(dǎo)彈非加速段，導(dǎo)彈沿彈軸方向只有4g～5g飛行過載，y軸、z軸方向有小于30g的機動過載。試驗中彈丸飛行發(fā)射過程的部分三軸加速度如表1所示。

表1　彈丸發(fā)射時引信三軸加速度測試結(jié)果

參考以上數(shù)據(jù)，在本文中的硬件設(shè)計應(yīng)注意以下幾點：第一，MEMS加速度計在選擇量程時不應(yīng)過大，確保靈敏度應(yīng)為首要選擇；第二，硬件設(shè)計應(yīng)有較高的抗高過載特性；第三，設(shè)計時電路應(yīng)必須避免剛發(fā)射及剛出炮口時立即工作，必須有延時功能躲開最大加速度產(chǎn)生的時段，保證引信安全；第四，MEMS加速度計在實際應(yīng)用以正向加速度變化作為閾值(x軸正向為導(dǎo)彈發(fā)射方向)。

2　導(dǎo)彈碰撞薄目標的數(shù)值分析

為了確定防空導(dǎo)彈引信的發(fā)火策略、提高發(fā)火機構(gòu)作用可靠性和適用性，通過ANSYS/LS-DYNA動力學(xué)仿真計算分析了導(dǎo)彈以600 m/s著速，不同著角碰擊不同厚度目標進行數(shù)值仿真，得到彈丸碰擊薄弱目標時的前沖過載曲線，為發(fā)火觸發(fā)靈敏度和瞬發(fā)度的設(shè)計提供依據(jù)。

導(dǎo)彈總長1 520 mm，被動段飛行質(zhì)量5.9 kg，末端速度600 m/s。彈丸簡化為導(dǎo)引段、舵機段、引信段和彈體段，導(dǎo)引段簡化為為半球形塑料；舵機段外殼材料為鋁合金，壁厚 3 mm，內(nèi)部為塑料；引信段材料為鋁合金，彈體段材料為鋼。彈體長度根據(jù)仿真需要進行調(diào)整。靶體選為薄板，選擇鋼板方形結(jié)構(gòu)，厚度分別選取為2 mm、5 mm和10 mm。彈丸碰擊靶板過程中，除導(dǎo)彈頭部、翼片外輪廓有侵蝕變形外，彈丸整體基本不發(fā)生形變，彈丸與靶板網(wǎng)格單元均采用Lagrange算法，節(jié)省計算量，建立四分之一模型。

由參考文獻[3-7]，得7A04鋁合金，各材料模型主要參數(shù)如表2～表4所列。

表2　30CrMnSiA Johnson-Cook材料模型參數(shù)

表3　7A04鋁合金Johnson-Cook材料模型參數(shù)

表4　改性酚醛樹脂Johnson-Cook材料模型參數(shù)

隨著碰擊深度的不斷增加，導(dǎo)彈頭部逐漸穿透靶板，當導(dǎo)彈頭部穿透靶板后過載逐漸減小，當導(dǎo)彈圓形部穿過靶板時出現(xiàn)一峰值，如圖4～圖9所示。

導(dǎo)彈不同著角碰擊不同厚度目標仿真結(jié)果如表5所示。引信設(shè)計輸入要求導(dǎo)彈30°著角時碰撞5 mm鋼靶板時引信可靠作用，而本文中MEMS加速度計所采用的“閾值十時間窗”算法，并依據(jù)上述仿真結(jié)果確定了引信碰炸發(fā)火機構(gòu)的發(fā)火過載范圍和脈寬時間，閾值設(shè)置為185g，時間窗為15 μs。

3　MEMS加速度計方案

MEMS加速度計在經(jīng)歷了模擬量信息處理和數(shù)字量交換這兩階段后，正朝著智能化、集成一體化、小型化方向發(fā)展，利用微處理技術(shù)使傳感器智能化是新型傳感器的一大進展[7]。此方案采用的MEMS加速度計是一種三軸傳感器，采用MEMS半導(dǎo)體技術(shù)把微型機械結(jié)構(gòu)與電子電路集成于同一芯片上，MEMS加速度計就是利用這種技術(shù)實現(xiàn)對三軸加速度進行測量并產(chǎn)生模擬或數(shù)字輸出的傳感器[8]。這種加速度計體積小、質(zhì)量輕，安裝方便，性能可靠，適合應(yīng)用于引信這種結(jié)構(gòu)要求緊湊的產(chǎn)品上[9]。MEMS加速度計應(yīng)用于防空導(dǎo)彈引信時，將MEMS加速度計安裝于引信電路上并進行灌封，使MEMS加速度計與引信電路成為一個整體，并外接A/D轉(zhuǎn)換芯片提高采用頻率達到200 kHz。而本文中所采用的“閾值十時間窗”算法，閾值設(shè)置為185g，方向為正方向(導(dǎo)彈飛行方向為正)，時間窗為15 μs，發(fā)火過載理論為15 μs時間段上的采集數(shù)據(jù)都超過185 g，就可認為引信撞擊目標，從而MEMS加速度計輸出信號并通過控制電路使引信作用。

3.1　傳感器的選擇

由于引信所處的特殊環(huán)境,對MEMS加速度計提出了苛刻的要求:抗高過載、體積小、重量輕、功耗低。微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,為引信環(huán)境傳感器特別是引信MEMS加速度計找到了一個其他技術(shù)無法比擬的適宜的技術(shù)途徑。在20世紀70年代采用微加工技術(shù)成功地制作了壓力傳感器,在20世紀80年代微加工技術(shù)在MEMS加速度計上也得到了成功的應(yīng)用。傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、潛在成本低、可靠性高、可輸出連續(xù)的加速度信號、加速度測量范圍大、數(shù)字化和智能化的優(yōu)點?？勺龀深l率輸出形式,能對輸出信號進行全數(shù)字處理,同時便于應(yīng)用微機進行信號處理,對輸出誤差進行補償[9]。

表5　最大前沖過載仿真結(jié)果

經(jīng)過篩選，選擇了ADXL377型號MEMS加速度計，其各項特性如表6所示。

表6　MEMS加速度計特性

3.2　微控制器的選擇

系統(tǒng)工作主要依靠微控制器來完成，微控制器在系統(tǒng)中實現(xiàn)對MEMS加速度計信號的AD轉(zhuǎn)換，并對觸發(fā)閾值進行判斷，上電開始計時并由微控制器判別：延時2 s后接收到導(dǎo)彈與目標特性信號(接近目標信號)輸出遠距離接電信號或延時15 s時輸出遠距離接電信號、19 s后輸出自毀信號。

微控制器上電后系統(tǒng)進入延時狀態(tài)，延時2 s后微控制器開啟過載判讀功能(避免MEMS加速度計發(fā)射時誤動作信號輸出)，當達到動作條件，即滿足閾值+時間要求后輸出開關(guān)動作。根據(jù)控制流程與功能，本文選擇了SILAB公司的C8051F530A單片機作為引信的微控制器，該微控制器在系統(tǒng)實現(xiàn)的功能如下：

a) 延時狀態(tài):上電后延時時間為2 s、15 s和19 s，延時采用漏極開路方式，上電后設(shè)置為時間0點，定時到達后，設(shè)置為1；

b) A/D轉(zhuǎn)換：ADC采用外接A/D轉(zhuǎn)換芯片提高采用頻率，采樣頻率達到200 kHz，P1.7設(shè)置為模擬輸入；

c) 閾值判讀：采樣頻率為200 kHz，傳感器輸出達到設(shè)置值時計數(shù)器加1，反之清零，5 μs對應(yīng)一個采樣周期，可以設(shè)計成當計數(shù)器大于3時閉合開關(guān)；

本文的MCU采用C8051F530A單片機，芯片引腳分配為：VDD為內(nèi)核電源，內(nèi)部基準電壓接2.7 V；PST為上電復(fù)位；VRGIN與GND接5V工作電源；P0.6用于程序編寫、調(diào)試；P0.7與P1.0連接晶振，提供精準時鐘；P1.7、Poo為通信接口，實現(xiàn)MCU與MEMS加速度計、MCU與導(dǎo)彈間的通信，讀取相關(guān)數(shù)值信號；P1.6和P1.5為遠距離接電控制輸出，可控制發(fā)火控制電路供電；P0.2、P0.1控制遠解輸出，起爆電拔銷器；P1.3、P1.4控制起爆輸出，接受起爆信號后輸出高電平起爆電雷管；其余引腳空。

軟件的流程圖如圖10所示。

主要判別為：傳感器達到185g時輸出，計數(shù)器加1，成當計數(shù)器大于3時輸出起爆電雷管信號，反之清零。

3.3　電源管理

MEMS加速度計由20 V電池供電，通過電源芯片L7805C2T將+20 V電源轉(zhuǎn)換為+5 V，為微控制器供電，通過LD1117-3.3 (SOT223)將+5 V轉(zhuǎn)換為+3.3 V為MEMS加速度計供電。電源管理原理圖如圖11。

3.4　發(fā)火控制電路

發(fā)火控制電路如圖12所示，由距離接電控制與發(fā)火電路組成，遠距離接電控制是保證導(dǎo)彈接近目標時向發(fā)火電路的供電，避免剛發(fā)射及剛出炮口時立即工作。

3.5　系統(tǒng)的工作流程

導(dǎo)彈發(fā)射后，舵開關(guān)閉合，引信開始上電，上電后微控制器進入延時狀態(tài)，延時2 s結(jié)束，此時，對導(dǎo)彈近區(qū)信號判別和MEMS加速度計模塊同時工作。接收到導(dǎo)彈與目標特性信號(接近目標信號)輸出遠距離接電信號或延時15 s時輸出遠距離接電信號，使發(fā)火電路供電，保證導(dǎo)彈出筒后近距離不會誤作用，保證發(fā)射人員的安全；g值MEMS加速度計模塊工作，感知外部加速度，將加速度轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過濾波模塊對信號進行濾波后進入微控制器，由微控制器ADC內(nèi)部進行采集，并由微控制器進行定時和閾值判斷，當?shù)竭_設(shè)定時間后，如果加速度模塊輸出信號超過設(shè)定閾值和時間窗，由微控制器發(fā)出起爆信號；未接受碰炸發(fā)火信號，到預(yù)定時間19 s時微控制器輸出自毀信號，引信自毀。

系統(tǒng)具體分為以下幾種狀態(tài)：

a) 延時：彈丸發(fā)射時為引信系統(tǒng)供電，微控制器開啟定時，定時后，輸出高電平；

b) 遠距離解除保險判別：微控制器開啟定后，導(dǎo)彈提供近區(qū)信號時，微控制器對其時間進行判別，當超過2 s時輸出遠距離解除保險信號。

c)g值采集：延時結(jié)束后，系統(tǒng)正常工作，采集并檢測MEMS加速度計的信號，將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，微控制器控制在2 s前不采集信號，保證導(dǎo)彈發(fā)射過程中安全；

d) 閾值判定：判斷加速度信號是否達到閾值門限，即加速度達到或185g；

e) 起爆判斷：某一次信號采集達到閾值門限后，用微控制器判別信號在15 μs內(nèi)信號都達到閾值門限后輸出起爆信號。

f) 接通起爆回路：MEMS加速度計輸出信號達到起爆值時立即接通起爆回路，或者達到預(yù)定延時時間后接通起爆回路，并將接通前開始的數(shù)據(jù)存儲在微控制器中，以便測試和分析。

4　選用MEMS加速度計方案的安全性分析

采用MEMS加速度計作為觸發(fā)發(fā)火部件在某防空導(dǎo)彈上應(yīng)用，其抗彈道環(huán)境干擾能力是保證引信安全性的關(guān)鍵因數(shù)。

1) 導(dǎo)彈勤務(wù)處理時的安全性

勤務(wù)處理環(huán)境指引信從生產(chǎn)出廠到發(fā)射之前通常會經(jīng)歷的一系列環(huán)境，一般包括運輸、儲存、搬運中引信受到的沖擊、振動、磕碰等，以及上述過程中引信經(jīng)受的振動、沖擊、高低溫、潮濕、腐蝕等物理化學(xué)環(huán)境[10]。導(dǎo)彈在搬運、空投等勤務(wù)處理時，可能會產(chǎn)生較大的沖擊過載，但此時導(dǎo)彈的電源沒有激活，引信沒有供電，MEMS加速度計不會工作，因此導(dǎo)彈勤務(wù)處理過程中不會因為受到?jīng)_擊而發(fā)生危險。

2) 導(dǎo)彈發(fā)射時的安全性

根據(jù)前文導(dǎo)彈發(fā)射過程過載分析得出引信在彈道正常飛行過程中所經(jīng)受的最大過載只有幾十個g，根據(jù)圖1所示，導(dǎo)彈發(fā)射發(fā)動機點火發(fā)射瞬間過載X軸為85g，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，導(dǎo)彈出筒后發(fā)彈載電源延時給引信供電，此時引信內(nèi)的MEMS加速度計與發(fā)火控制電路等還未工作，而且85g過載值也低于發(fā)火過載閾值185g；導(dǎo)彈在主發(fā)動機點火時，導(dǎo)彈處于加速階段，MEMS加速度計已工作，此時導(dǎo)彈受向后的最大過載為40g，遠低于MEMS加速度計設(shè)置的發(fā)火過載閾值185g，引信不會因正常發(fā)動機工作產(chǎn)生誤動作信號。

5　MEMS加速度計方案試驗數(shù)據(jù)分析

MEMS加速度計發(fā)火過載理論設(shè)置：用微控制器對在采集數(shù)據(jù)進行判別，既在15 μs內(nèi)時間窗采樣都達到閾值門限185g，此時可認為引信撞擊目標，微控制器輸出起爆信號。

為了驗證MEMS加速度計可行性，將其固定在沖擊臺上進行沖擊試驗。沖擊試驗時用計算機中對MEMS加速度計檢測的數(shù)據(jù)進行采集、分析并形成曲線，同時用示波器MEMS加速度計信號直接測量形成波形曲線。

1) 模擬沖擊加速度為170g時沖擊過程數(shù)據(jù)曲線

試驗條件：沖擊臺設(shè)定加速度170g，實際沖擊臺測量輸出為166g，X、Y、Z三軸同時采樣。一個大格(5個采樣點)對應(yīng)t=100 μs，縱軸對應(yīng)檢測加速度值，如圖13、圖14所示。

對圖13、圖14進行分析，示波器抓取MEMS加速度計源輸出電壓峰值為2.7 V，對應(yīng)最大加速度180g，平臺維持時間40 μs。加速度測量值沒有超過設(shè)定的閾值185g時，未滿足引信作用條件，引信無輸出信號。

2) 模擬沖擊加速度為200g時沖擊過程數(shù)據(jù)曲線

試驗條件：沖擊臺設(shè)定加速度為200g，實際沖擊臺測量輸出為208g，X軸獨立采樣。一個大格(5個采樣點)對應(yīng)t=100 μs，縱軸對應(yīng)檢測加速度值，如圖15、圖16所示。

對圖15、圖16進行分析，示波器抓取MEMS加速度計源輸出電壓峰值為3.3 V，對應(yīng)最大加速度200g，平臺維持時間80 μs；185g時輸出電壓為3.165 V，維持時間約120 μs。加速度測量值超過設(shè)定的閾值，并滿足時間窗要求，滿足MEMS加速度計發(fā)火指標，引信有輸出信號。

3) 模擬沖擊加速度為400g時沖擊過程數(shù)據(jù)曲線

試驗條件：沖擊臺設(shè)定加速度為400g，實際沖擊臺測量輸出為432g，X軸獨立采樣。一個大格(5個采樣點)對應(yīng)t=100 μs，縱軸對應(yīng)檢測加速度值，如圖17、圖18所示。

對圖17、圖18進行分析，示波器抓取MEMS加速度計源輸出電壓峰值為3.3 V，對應(yīng)最大加速度200g，平臺維持時間700 μs；加速度測量值變化超過設(shè)定的閾值和時間窗，滿足MEMS加速度計發(fā)火指標，引信有輸出信號。

通過上述試驗數(shù)據(jù)，可得出結(jié)論，沖擊加速度從小到大增加時不但過載值變大，持續(xù)時間也會增加。采用的“閾值十時間窗”算法符合導(dǎo)彈撞擊目標特征，當沖擊加速度大于185g時且15 μs時間窗采樣都達到閾值門限能滿足導(dǎo)彈撞擊目標特征；而當沖擊加速度小于185g時，或時間窗達不到設(shè)定的寬度(為15 μs)引信不作用，閾值和時間窗雙重條件保證引信作用的可靠性[11]。

5.4　飛行試驗

為驗證MEMS加速度計作為某導(dǎo)到引信的觸發(fā)發(fā)火部件在實彈中作用情況，在某基地參加了引信碰靶試驗，MEMS加速度計信號飛行過程的輸出波形如圖19、圖20、圖21所示。

MEMS加速度計X軸信號波形變化最大，說明X軸方向受力最大。三幅圖表明：MEMS加速度計從引信上電開始，到與目標撞擊過程中，除因主發(fā)動機點火(時刻0.3 s)和電拔銷器作用(約2 s)造成輸出電壓變化外，無其他觸發(fā)信號波形。根據(jù)上述圖可知其波形幅值產(chǎn)生的電壓幅值不能達到發(fā)火電壓輸出值，并且因引信發(fā)火電路在2 s后才會供電，引信不會因主發(fā)動機點火和電拔銷器作用造成輸出電壓變化外產(chǎn)生誤動作而發(fā)火。

引信起爆信號與MEMS加速度計信號疊加匯總波形見圖22所示，其中MEMS加速度計起始信號為1 V，在39.2 s處產(chǎn)生3.5 V輸出信號；起爆信號起始為0 V，在39.2 s時輸出電壓為15 V。

引信起爆信號與MEMS加速度計輸出信號重合，起爆信號輸出正常，無干擾信號，表明引信MEMS加速度計輸出正常，滿足引信設(shè)計要求。

6　結(jié)論

1) 采用MEMS加速度計作為引信觸發(fā)發(fā)火機構(gòu)，其安全性和可靠性能夠滿足引信設(shè)計要求，原理可行。

2) 所提出的方案使引信結(jié)構(gòu)小型化，具有三軸敏感、智能化并適應(yīng)不同作戰(zhàn)用途，大大提高了引信靈敏度和導(dǎo)彈擊中目標時作用可靠性，可以進行應(yīng)用推廣。

參考文獻：

[1]景華,牛蘭杰,宋永強.小口徑榴彈引信微機電安全系統(tǒng)設(shè)計與仿真方法[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2010(4)：100-104.

[2]時黨勇,李裕春,張勝民.基于ANSYS/LS-DYNA8.1進行顯示動力分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[3]尚曉江,蘇建宇,王化鋒.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實例[M].北京：中國水利水電出版社,2008.

[4]李鵬飛,李柱,喬文生等.基于ANSYS/LS-DYNA的彈丸侵徹鋼靶特性對比分析[J].機電技術(shù),2006(3):6-8.

[5]李雪,許加堂,陶文圣.彈九侵徹雙層鋼板的三維數(shù)值模擬[J].四川兵工學(xué)報,2009,30(1):120-122.

[6]蔣榮峰.動能侵徹彈侵徹混凝土技術(shù)研究[D].成都：四川大學(xué),2003.

[7]黨安明,張欽軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011：193-200.

[8]網(wǎng)絡(luò).iMEMS加速度傳感器ADXL345[EB/OL].http://m.eepw.com.cn/article/201311/204430.html.

[9]馬寶華,高世橋.抓住MEMS技術(shù)帶來的機遇,實現(xiàn)我國引信技術(shù)大跨度發(fā)展[C]//國防科工委科技委年會論文集.1995：32-35.

[10] 李豪杰.引信環(huán)境分析、測試與迫彈引信安全系統(tǒng)設(shè)計研究[D].南京：南京理工大學(xué),2006.

[11] 牛蘭杰,施坤林,趙旭,等.微機電技術(shù)在引信中的應(yīng)用[C]//中國兵工學(xué)會第十五屆引信學(xué)術(shù)年會會議文集貴陽：探測與指導(dǎo)學(xué)報出版社,2007：23-28.