MEMS引信安全系統(tǒng)用火工作動器特性分析

耿萬鈞,孫興昀,嚴(yán) 楠,梁安定

(1.西安近代化學(xué)研究所，西安 710065； 2.北京理工大學(xué)，北京 100081)

MEMS引信安全系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，在降低尺寸及質(zhì)量、減少零件數(shù)、提高集成化等方面相比傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)有明顯優(yōu)勢，是引信實現(xiàn)靈巧小型化和信息智能化的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]，圖1為國內(nèi)外小尺寸MEMS引信安全系統(tǒng)零部件實物。

本文從典型的MEMS引信安全系統(tǒng)的作用原理和結(jié)構(gòu)組成總結(jié)分析了MEMS引信用火工作動器的功能特性和作用原理，提出了MEMS引信用火工作動器設(shè)計的關(guān)鍵問題。

1 MEMS引信安全系統(tǒng)

1.1 MEMS引信用作動器特點

引信的安全系統(tǒng)主要包括隔爆機(jī)構(gòu)、延期解除保險機(jī)構(gòu)、保險機(jī)構(gòu)、安全與解除保險電路和自炸機(jī)構(gòu)等[3]。

圖1 國內(nèi)外小尺寸MEMS引信安全系統(tǒng)零部件實物

作動器是安全系統(tǒng)實現(xiàn)安全解除保險功能的重要組成部分，其主要作用是通過做功輔助實現(xiàn)安全系統(tǒng)的解除保險。用于MEMS安全系統(tǒng)的作動器從驅(qū)動能量角度區(qū)分主要包括電驅(qū)動、形狀記憶驅(qū)動、熱變形驅(qū)動和火工藥劑驅(qū)動，非火工藥劑驅(qū)動類的作動器應(yīng)用于引信MEMS安全系統(tǒng)中時存在以下問題：

1) 啟動電壓偏高。目前研究的電驅(qū)動作動器需要在大于十幾伏的電壓條件下才能夠正常工作[4-6]，會給引信系統(tǒng)的供電帶來較大負(fù)擔(dān)，而利用火工藥劑驅(qū)動的作動器的發(fā)火電壓可以低于5 V[7]。

2) 響應(yīng)時間較長。形狀記憶驅(qū)動和熱變形驅(qū)動的作動器響應(yīng)時間較長，達(dá)到幾百毫秒[8-9]，難以滿足部分MEMS引信安全系統(tǒng)快速解保的時間要求；而火工藥劑驅(qū)動的作動器的作用完成時間僅需要幾個毫秒[10]。

3) 作動距離小。用于小口徑彈藥引信的電磁作動器作動距離在mm級以下[4-5]；而火工藥劑驅(qū)動的作動器的作動距離可達(dá)到10 mm以上[11]。

火工藥劑驅(qū)動的作動器可稱為火工作動器，具有結(jié)構(gòu)簡單、能量消耗小、響應(yīng)時間短輸出能量高的特點，通過小型化、集成化設(shè)計，引信與微小火工品相互匹配，滿足引信的使用環(huán)境，適用于多種MEMS引信安全系統(tǒng)[12]。

1.2 典型MEMS引信作動器工作原理

Tu Hongmao設(shè)計了一種MEMS引信安全系統(tǒng)[13]，見圖2，作動器作用如下：彈藥發(fā)射后，電推銷作動器(圖中4#)作用，解除安全鎖(圖中7#)，隔爆滑塊在環(huán)境力作用下移動到解除保險位置。

圖2 小尺寸MEMS引信安全系統(tǒng)

Charles H.Robinson等在專利中介紹了一種用于榴彈MEMS引信的安全系統(tǒng)[14]，見圖3，作動器作用如下：在彈藥發(fā)射到預(yù)定解除保險位置時，膨脹式作動器(圖中14#)中的火工藥劑燃燒產(chǎn)生的氣體使彈性材料膨脹并推動旋轉(zhuǎn)鎖，釋放保險滑塊。

圖3 小口徑榴彈MEMS引信安全系統(tǒng)

李國中設(shè)計了一種小口徑彈藥MEMS引信安全系統(tǒng)[10]，見圖4，作動器作用如下：發(fā)射前，火工作動器的滑動平板銷下端作為安全鎖插入到隔爆滑塊的凹槽內(nèi)；發(fā)射后火工作動器點火，滑動平板銷向上運(yùn)動，滑動平板銷的上端推動后續(xù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動解鎖，滑動平板銷的下端解除對隔爆滑塊的保險。

圖4 單兵小口徑彈藥MEMS引信安全系統(tǒng)示意圖

Hélène Pezous等介紹了一種體積約1 cm3的集成一體化MEMS引信安全系統(tǒng)，此安全系統(tǒng)是整體式滑塊式火工作動器[15]，見圖5，作動器作用如下：彈藥發(fā)射時，慣性銷從隔爆滑塊中拔出，裝藥發(fā)火產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物推動隔爆滑塊移動到解保險位置。

圖5 集成一體化MEMS引信安全系統(tǒng)

Nan Yan設(shè)計了一種可作為安保機(jī)構(gòu)的平板式火工作動器[16]，如圖6所示，作動器作用如下：裝有片狀傳爆藥的平板被過盈配合結(jié)構(gòu)限制在安全位置；彈藥發(fā)射后，裝藥發(fā)火，氣體產(chǎn)物推動平板克服過盈配合結(jié)構(gòu)的摩擦阻力移動到解除保險位置，此時滑塊上的片狀傳爆藥恰好位于微型雷管和受主裝藥之間，平板式火工作動器安保機(jī)構(gòu)處于解除保險狀態(tài)。

2 火工作動器的功能特性分析

GJB373A—97《引信安全性設(shè)計準(zhǔn)則》中對引信安全保險系統(tǒng)的定義為：“用來防止引信在感受到預(yù)定的發(fā)射環(huán)境并完成延期解除保險之前解除保險(啟動)和作用的各種裝置(如環(huán)境敏感裝置、發(fā)射動作敏感裝置、指令動作裝置、可動關(guān)鍵件或邏輯網(wǎng)絡(luò)，以及傳火序列的隔火件或傳爆序列的隔爆件)的組合”。應(yīng)用于安全系統(tǒng)的火工作動器就屬于該定義中的指令動作裝置。

圖6 平板式作動器及安全解保險原理示意圖

不同工作原理的MEMS引信安全系統(tǒng)對火工作動器的功能要求差別很大，通過分析國內(nèi)外MEMS安全保險系統(tǒng)工作原理可以得出火工作動器在MEMS引信安全系統(tǒng)中的功能主要包括以下3種：① 輔助解除安保機(jī)構(gòu)的安全鎖，這是火工作動器在小口徑彈藥MEMS引信中的重要應(yīng)用形式，主要為推銷式火工品；② 作為安保機(jī)構(gòu)的安全鎖，主要為拔銷式火工品；③ 作為安保機(jī)構(gòu)的隔爆機(jī)構(gòu)并能夠通過自身作用實現(xiàn)安全與解除保險功能，主要為滑塊作動式火工品。

3 火工作動器的作用原理分析

火工作動器有如下特征：① 包含若干機(jī)械部件，其中某些機(jī)械部件最終能夠產(chǎn)生一定動作效果；② 火工藥劑生產(chǎn)高溫高壓氣體產(chǎn)物驅(qū)動機(jī)械部件產(chǎn)生特定方向和形式的運(yùn)動。火工作動器的最終效果就是將火工藥劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動。

從MEMS引信安全系統(tǒng)中的火工作動器的作用原理看，可以將其分為兩大類：輸出做功類火工作動器和執(zhí)行動作類火工作動器。

3.1 輸出做功類火工作動器

輸出做功類火工作動器是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動對其他機(jī)械部件做功，在MEMS引信安全系統(tǒng)中的主要功能是輔助解除安全鎖。

輸出做功類火工作動器以推銷(活塞銷)式為典型設(shè)計，如文獻(xiàn)[10-11,13,17-18]，典型的活塞式火工作動器解鎖設(shè)計MEMS引信安全系統(tǒng)[17-18]見圖7。推銷式火工作動器的基工作原理為：活塞銷和火工藥劑裝在一個密閉的空間內(nèi)，換能元點燃火工藥劑，氣體產(chǎn)物推動活塞銷沿著某一方向運(yùn)動，推動安全鎖產(chǎn)生位移或者變形破壞等，圖8為推銷式火工作動器實物。

圖7 活塞式火工作動器解鎖設(shè)計MEMS引信安全系統(tǒng)

圖8 推銷式火工作動器實物圖

另外還有膨脹式作動器,如文獻(xiàn)[14,19],典型的膨脹式火工作動器解鎖設(shè)計MEMS引信安全系統(tǒng)[19]見圖9。其作用原理如下：火工藥劑裝在一個密閉的腔體中，其中腔體的一個面為與腔體密封相連的彈性薄膜，換能元點燃火工藥劑，氣體產(chǎn)物使彈性薄膜膨脹，推動安全鎖產(chǎn)生位移。

圖9 膨脹式火工作動器解鎖設(shè)計MEMS引信安全系統(tǒng)

圖10 膨脹式火工作動器示意圖

3.2 執(zhí)行動作類火工作動器

執(zhí)行動作類火工作動器的特征是作用過程沒有向外界的能量傳遞，在MEMS引信安全系統(tǒng)中的主要功能是通過自身執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械運(yùn)動實現(xiàn)安全鎖解鎖或隔爆機(jī)構(gòu)運(yùn)動到解保險位置。

拔銷式火工作動器是典型的可作為MEMS引信安全系統(tǒng)安全鎖的執(zhí)行動作類火工作動器,典型的拔銷式火工安全鎖設(shè)計MEMS引信安全系統(tǒng)[20]見圖11。作為MEMS安全保險系統(tǒng)的安全鎖，解除保險原理如下：保險狀態(tài)時，銷子伸出部分卡住并限制隔爆件的移動；解除保險時，銷子拔回，解除對隔爆機(jī)構(gòu)的限制，隔爆機(jī)構(gòu)能夠移動到解保險位置，圖12為有拔銷功能的火工作動器實物。

圖11 拔銷式火工作動器安全鎖設(shè)計MEMS引信安全系統(tǒng)作用前作用后

圖12 有拔銷功能的火工作動器實物圖

滑塊式火工作動器是典型的能夠作為MEMS引信隔爆機(jī)構(gòu)的執(zhí)行動作類火工作動器，如文獻(xiàn)[15-16]。作為MEMS安全保險系統(tǒng)的隔爆機(jī)構(gòu)，解除保險原理如下：保險狀態(tài)時，作為隔爆機(jī)構(gòu)的滑塊位于保險位置并被限位結(jié)構(gòu)鎖定；解除保險時，換能元點燃火工藥劑，氣體產(chǎn)物推動滑塊克服限位結(jié)構(gòu)的阻力，運(yùn)動到解保險位置，安全系統(tǒng)解除保險，圖13為滑塊式火工作動器實物。

圖13 滑塊式火工作動器實物

4 MEMS引信用火工作動器設(shè)計關(guān)鍵

1) 尺寸小型化設(shè)計

MEMS技術(shù)最大的特點就是加工尺寸已經(jīng)達(dá)到微米乃至亞微米量級，MEMS引信安全系統(tǒng)具有體積小特點，小型化設(shè)計是MEMS引信用火工作動器的首要的問題，其核心器件尺度為亞毫米量級，系統(tǒng)尺度為毫米量級，典型結(jié)構(gòu)設(shè)計、典型作用原理的火工作動器可能在毫米級小尺寸下難以實現(xiàn)，這就要求設(shè)計人員必須突破常規(guī)，探索新的結(jié)構(gòu)、新的作用原理。

2) 限位結(jié)構(gòu)設(shè)計

火工作動器的作用效果是執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生特定的機(jī)械運(yùn)動，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在發(fā)火前應(yīng)被鎖定在初始位置、發(fā)火后執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動到位后應(yīng)被鎖定在最終位置，保證火工作動器的作用可靠性，因此，MEMS引信用火工作動器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上必須對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限位結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的考慮，如過盈配合結(jié)構(gòu)、可移動鎖銷結(jié)構(gòu)等。

3) 低發(fā)火能量換能元設(shè)計

MEMS引信體積的減小迫切要求其供電系統(tǒng)相應(yīng)的減小，電源的小型化使得其可提供的能量非常有限?；鸸ぷ鲃悠鞯幕鸸に巹┬枰膿Q能元的刺激實現(xiàn)起爆，所以微型的、低能量的、可靠的換能元是MEMS引信用火工作動器的迫切需求，利用半導(dǎo)體橋、金屬薄膜換能元等新型起爆技術(shù)，起爆電壓可以小于5 V。

4) 低裝藥量設(shè)計

從整個MEMS引信系統(tǒng)來講，系統(tǒng)中的火工作動器先于引信的傳爆序列作用，其藥量越少，對MEMS引信系統(tǒng)的影響就會降到越小，通過相關(guān)文獻(xiàn)資料調(diào)研分析，應(yīng)用于MEMS引信系統(tǒng)的火工作動器裝藥量設(shè)計應(yīng)為mg量級。

5 結(jié)論

基于國內(nèi)外MEMS引信安全系統(tǒng)的工作原理，分析總結(jié)MEMS引信用火工作動器特性如下：

1) MEMS引信用火工作動器中的主要功能為：輔助解除安保機(jī)構(gòu)的安全鎖、作為安保機(jī)構(gòu)的安全鎖或作為安保機(jī)構(gòu)的隔爆機(jī)構(gòu)。

2) MEMS引信用火工作動器的典型結(jié)構(gòu)形式為推銷式、膨脹式、拔銷式和滑塊式。

3) MEMS引信用火工作動器的設(shè)計關(guān)鍵為：尺寸小型化設(shè)計、限位結(jié)構(gòu)設(shè)計、低能量微型換能元設(shè)計和低裝藥量設(shè)計。