微起爆序列設(shè)計(jì)及傳爆與隔爆性能

解瑞珍，褚恩義，戴旭涵，蘇謙，薛艷，任小明，劉蘭，劉衛(wèi)

(1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710061；2.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

0 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備對(duì)彈藥性能以及毀傷效能的提高，要求在現(xiàn)有彈藥的固有體積中增大主裝藥量并壓縮引信的空間[1]。另外，城市反恐、單兵作戰(zhàn)用微型彈藥的發(fā)展也對(duì)微小型引信技術(shù)提出了迫切需求。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)提供了降低質(zhì)量與體積的優(yōu)勢(shì)[2-3]，適用于引信火工品的微小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

2015—2019年美國(guó)引信年會(huì)連續(xù)報(bào)道了MEMS安全保險(xiǎn)裝置技術(shù)的研究工作，公開(kāi)了海軍、陸軍設(shè)計(jì)的兩種微小型爆炸序列結(jié)構(gòu)、工藝、功能和性能[2-4]，爆炸序列裝藥優(yōu)化、可靠性評(píng)估，以及MEMS安全保險(xiǎn)裝置溫濕度、振動(dòng)、跌落等環(huán)境適應(yīng)性研究[5-7]。從上述成果中可以看出，一方面MEMS技術(shù)的引入有效減少了安全保險(xiǎn)裝置的體積，另一方面火工品安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)已成為引信火工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一。國(guó)內(nèi)針對(duì)火工品、安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)微小型化設(shè)計(jì)，先后開(kāi)展了微橋膜換能元[8-9]、平面微起爆器[10-12]、微納結(jié)構(gòu)含能材料[13-15]、MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)[16]等技術(shù)的研究[8-15]，而將平面微起爆器、MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等集成為微起爆序列的設(shè)計(jì)及傳爆、隔爆性能的研究工作還鮮有報(bào)道。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中可以看出，基于MEMS工藝技術(shù)的安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)層即用于隔爆的滑塊厚度越小，工藝上越容易實(shí)現(xiàn)，越有利于微小型化設(shè)計(jì)。隨著滑塊厚度的減小，引信爆炸序列采用傳統(tǒng)雷管無(wú)法做到安全隔爆。采用基于MEMS工藝制作的平面微起爆器，由于引信爆炸序列設(shè)計(jì)一般在微起爆器與導(dǎo)爆藥柱之間是安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔，微起爆器因裝藥量較小，其爆轟能量經(jīng)傳爆空腔衰減后無(wú)法正常起爆傳爆藥柱。

本文設(shè)計(jì)了基于沖擊起爆的微起爆序列，即利用安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔作為加速膛，采用微起爆器驅(qū)動(dòng)飛片，經(jīng)傳爆空腔加速后形成高速飛片，高速飛片沖擊起爆傳爆藥的爆轟能量放大方式。通過(guò)對(duì)微起爆器裝藥、安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔尺寸等參數(shù)的優(yōu)化，微起爆序列實(shí)現(xiàn)了安全隔爆、保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)、傳爆等功能，有效減少了起爆序列的初級(jí)裝藥量和軸向尺寸。

1 微起爆序列的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微起爆序列主要由控制電路、微起爆器、MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、傳爆藥等組成，示意圖如圖1所示。

圖1 微起爆序列示意圖

微起爆序列作用過(guò)程為：安全狀態(tài)下，微起爆器與傳爆藥之間是安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)隔爆滑塊，即安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔與起爆器、傳爆藥錯(cuò)位，實(shí)現(xiàn)了起爆器與傳爆藥之間的物理隔離。解除保險(xiǎn)狀態(tài)下，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)隔爆滑塊完成設(shè)計(jì)位移，微起爆器、安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔、傳爆藥對(duì)準(zhǔn)，形成爆轟通道。作用時(shí)，微起爆器爆轟剪切并驅(qū)動(dòng)飛片經(jīng)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔加速形成高速飛片，高速飛片沖擊起爆傳爆藥，傳爆藥爆轟完成序列功能。

微起爆序列傳爆結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 微起爆序列傳爆結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)主要由上蓋板、結(jié)構(gòu)層、下蓋板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)層主要由后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。采用紫外光刻、微電鑄、微復(fù)制(UV-LIGA)工藝制作。MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，功能結(jié)構(gòu)層示意圖如圖4所示。MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的作用過(guò)程為：安全狀態(tài)下，離心保險(xiǎn)的隔爆滑塊被后坐保險(xiǎn)和離心保險(xiǎn)的限位銷卡??；發(fā)射時(shí)當(dāng)發(fā)射過(guò)載達(dá)到一定數(shù)值時(shí)后坐保險(xiǎn)限位銷釋放，運(yùn)動(dòng)一定的位移，完成后坐解除保險(xiǎn)功能，釋放離心保險(xiǎn)限位銷。離心保險(xiǎn)在離心力的作用下運(yùn)動(dòng)解除對(duì)隔爆滑塊的第2道保險(xiǎn)；當(dāng)彈丸飛行至炮口安全距離之外，延期保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)(圖4中不含延期保險(xiǎn))作用，通過(guò)彈道實(shí)時(shí)信息控制，解除對(duì)隔爆滑塊的最后一道保險(xiǎn)，隔爆滑塊在離心力的作用下運(yùn)動(dòng)到位并鎖定。

圖3 MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)層示意圖

上蓋板、下蓋板的厚度為0.15 mm，結(jié)構(gòu)層的厚度越大，解除保險(xiǎn)需要的后坐力、離心力越小，但厚度越大工藝的可實(shí)現(xiàn)性越差，綜合考慮加摸底試驗(yàn)，厚度設(shè)計(jì)尺寸為0.3～0.7 mm.

微起爆器采用表面微加工工藝在基底上完成Ni-Cr橋膜換能元的制作，采用深硅刻蝕工藝完成裝藥腔體層上裝藥腔體的制作，采用晶圓鍵合工藝、劃片完成未裝藥的單個(gè)微起爆器的制作。起爆藥選用微納結(jié)構(gòu)多孔疊氮化銅，采用原位裝藥工藝完成微起爆器裝藥[11，15]。之所以選擇微納結(jié)構(gòu)多孔疊氮化銅與原位裝藥工藝，主要是因?yàn)榀B氮化銅具有感度高、起爆威力大、極限起爆藥量小等特點(diǎn)，如疊氮化銅起爆太安的極限藥量是0.000 4 g，疊氮化鉛則為0.005 g.粉末疊氮化銅對(duì)摩擦較為敏感，用傳統(tǒng)的起爆藥合成和裝藥方法制備疊氮化銅的安全性保證難度較大，而采用原位裝藥直接形成器件，有效提升了裝藥操作的安全性。

傳爆藥選用沖擊感度高的六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)基傳爆藥，CL-20的最大爆速和爆壓可分別達(dá)到9.5～9.6 km/s及43～44 GPa，當(dāng)爆速為9 580 m/s時(shí)爆壓為42～43 GPa，標(biāo)準(zhǔn)生成焓約為980 kJ/kg，比奧克托今(HMX)的爆熱高9.2%、密度高7%、能量輸出高10%～15%，且CL-20的沖擊波感度較高[17-18]。CL-20基傳爆藥的配方與美國(guó)引信年會(huì)報(bào)道的RSI007相當(dāng)[4]，裝藥直徑3.0 mm、高度3.0 mm，裝藥密度1.8 g/cm3，為其最大理論密度的90%.

2 微起爆序列傳隔爆性能研究

2.1 微起爆序列傳爆性能

依照國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5309.17—2004(K)火工品試驗(yàn)方法：軸向輸出測(cè)定鋁塊凹痕法，對(duì)微起爆序列傳爆性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試原理為炸藥的爆轟以爆轟波的形式向前傳播：當(dāng)爆壓大于鑒定塊彈性極限時(shí)，鑒定塊將變形；當(dāng)鑒定塊的表面大于炸藥表面時(shí)，鑒定塊的變形就是一個(gè)凹坑。產(chǎn)生凹痕的能量等于傳遞給鑒定塊的能量減去鑒定塊彈性形變消耗掉的那部分能量。因此鑒定塊凹痕深度可以作為測(cè)定雷管軸向輸出的一種相對(duì)量度。

傳爆空腔的高度為MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的總高度，即包括上蓋板、下蓋板、結(jié)構(gòu)層。結(jié)合含能材料驅(qū)動(dòng)飛片運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)理論與安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能，傳爆空腔的直徑設(shè)計(jì)值選擇0.5～2.0 mm，總高度設(shè)計(jì)值選擇0.65～1.50 mm，其中上下蓋板的高度是固定的，即0.15 mm.

2.1.1 微起爆器裝藥量對(duì)序列傳爆性能的影響

安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)材料為Ni，傳爆空腔直徑為1.5 mm、高度為1.0 mm.微起爆器裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm.分別對(duì)不同裝藥量的微起爆器驅(qū)動(dòng)飛片起爆CL-20基傳爆藥的情況進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試用發(fā)火電路如圖5所示，充電電阻為5 000 Ω，電容為33 μF，放電開(kāi)關(guān)是水銀開(kāi)關(guān)。微起爆器作用時(shí)，加載電壓為15 V.測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5 硅基微雷管發(fā)火電路原理圖

表1 不同裝藥量時(shí)序列傳爆測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出：裝藥量小于7 mg時(shí)，微起爆序列未正常傳爆；裝藥量大于7.5 mg時(shí)，微起爆序列正常傳爆；裝藥量為7.0～7.5 mg之間時(shí)，微起爆序列部分正常傳爆，部分未正常傳爆。

2.1.2 傳爆空腔直徑對(duì)序列傳爆性能的影響

安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)材料為Ni，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度1.0 mm，微起爆器裝藥直徑2.0 mm、高度1.5 mm.裝藥密度為1.67 g/cm3，起爆電路加載電壓15 V、充放電電容33 μF.對(duì)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑不同時(shí)微起爆序列傳爆性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出：當(dāng)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑在1.0～2.0 mm范圍時(shí)，微起爆序列均實(shí)現(xiàn)了正常傳爆；當(dāng)傳爆空腔直徑大于2.0 mm時(shí)未進(jìn)行測(cè)試，主要是傳爆空腔直徑的增大會(huì)要求安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)離心保險(xiǎn)隔爆滑塊位移增大，相應(yīng)的安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)尺寸也會(huì)增大。

2.1.3 安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度對(duì)序列傳爆性能的影響

安保機(jī)構(gòu)材料為Ni，微起爆器裝藥直徑為2.0 mm，高度為1.5 mm，裝藥密度為1.67 g/cm3，起爆電路加載電壓為15 V、充放電電容為33 μF，對(duì)安保機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度不同時(shí)微起爆序列傳爆性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 傳爆空腔高度不同時(shí)序列傳爆測(cè)試結(jié)果

從表3中可以看出，微起爆序列安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度在0.65～1.50 mm，序列均能正常傳爆。

對(duì)微起爆序列傳爆性能測(cè)試用的全部鋁凹深度進(jìn)行測(cè)量，凹痕平均深度為1.83 mm.序列正常傳爆后，部分鑒定塊照片如圖6所示。

圖6 部分鑒定塊照片

2.2 微起爆序列隔爆性能驗(yàn)證

微起爆序列內(nèi)置安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，隔爆滑塊對(duì)起爆器的隔爆性能是其安全性設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一。微起爆序列隔爆性能驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)隔爆滑塊將微起爆器與傳爆藥柱隔開(kāi)，該測(cè)試的目的是測(cè)試隔爆滑塊對(duì)平面微起爆器爆轟的隔爆情況。

圖7 隔爆狀態(tài)時(shí)序列結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)微起爆序列傳爆性能研究結(jié)果，優(yōu)選微起爆序列設(shè)計(jì)參數(shù)為起爆藥裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm，裝藥密度為1.67 g/cm3，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑為2.0 mm.其隔爆性能測(cè)試結(jié)果如表4所示，隔爆效果照片如圖8所示。從表4和圖8中可以看出，當(dāng)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)滑塊厚度大于等于0.3 mm時(shí)，微起爆序列能夠正常隔爆。

表4 序列隔爆性能測(cè)試結(jié)果

圖8 滑塊厚0.65 mm時(shí)的隔爆效果

3 微起爆序列解除保險(xiǎn)功能驗(yàn)證

根據(jù)微起爆序列傳爆與隔爆性能研究結(jié)果，優(yōu)選了微起爆序列設(shè)計(jì)參數(shù)，即微起爆器裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm，裝藥密度為1.67 g/cm3，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑為1.5 mm、高度為1.0 mm(含上蓋板、下蓋板和結(jié)構(gòu)層)。完成制作的微起爆序列照片如圖9所示。

圖9 微起爆序列照片

采用空氣炮對(duì)微起爆序列解除保險(xiǎn)功能進(jìn)行驗(yàn)證，空氣炮主要是利用高壓氣體作為動(dòng)力源，使得試驗(yàn)彈體帶著被測(cè)樣品在炮管內(nèi)完成加速度運(yùn)動(dòng)，模擬彈藥發(fā)射環(huán)境?？諝馀谠囼?yàn)彈主要由氣體炮主體裝置、液壓泵站、操作控制系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)和空氣壓縮站等組成。根據(jù)充氣壓強(qiáng)、膛線長(zhǎng)度，彈丸配重，經(jīng)計(jì)算本次試驗(yàn)條件為發(fā)射過(guò)載21 000g，轉(zhuǎn)速6 000 r/min.微起爆序列安裝狀態(tài)如圖10所示。

圖10 微起爆序列樣機(jī)安裝照片

試驗(yàn)后微起爆序列樣機(jī)外觀完好，試驗(yàn)前后微起爆序列X射線照片如圖11所示，可以看出微起爆序列實(shí)現(xiàn)了解除保險(xiǎn)功能。

圖11 試驗(yàn)前后微起爆序列X射線照片

依據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5309.16—2004(K)火工品試驗(yàn)方法：軸向輸出測(cè)定鋼塊凹痕法，對(duì)解除保險(xiǎn)后的微起爆序列傳爆性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 微起爆序列傳爆性能測(cè)試結(jié)果

從表5中可以看出，經(jīng)受過(guò)21 000g過(guò)載、轉(zhuǎn)速6 000 r/min旋轉(zhuǎn)的發(fā)射環(huán)境后，微起爆序列正常傳爆，表明微起爆序列可以抗21 000g的發(fā)射過(guò)載。

4 討論與分析

國(guó)外公開(kāi)報(bào)道的典型起爆序列[2，5]主要由蓋板、MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、飛片、傳爆藥等構(gòu)成，蓋板上制作有換能元，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔中裝填起爆藥。安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)與傳爆藥之間是飛片層、加速膛層。安全狀態(tài)下，起爆藥與換能元、加速膛、傳爆藥錯(cuò)位，即換能元與飛片之間是隔爆滑塊；解除保險(xiǎn)狀態(tài)下，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)至設(shè)計(jì)位置，起爆藥隨之產(chǎn)生一定的位移，使得換能元、起爆藥、加速膛、傳爆藥由錯(cuò)位狀態(tài)轉(zhuǎn)換成對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)，爆轟通道形成。

與國(guó)外典型微起爆序列相比較，本文設(shè)計(jì)的起爆序列，換能元與起爆藥一體化集成為起爆器，起爆藥與換能元橋區(qū)緊密接觸，發(fā)火可靠性更高。其次，將安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔作為加速膛，結(jié)構(gòu)更緊湊，有效減少了序列軸向尺寸；同時(shí)規(guī)避了由于安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上裝填機(jī)械感度較高的起爆藥，在高過(guò)載條件下移動(dòng)帶來(lái)的安全隱患。初步試驗(yàn)結(jié)果表明該起爆序列能夠抗21 000g的發(fā)射過(guò)載。

5 結(jié)論

本文基于MEMS工藝技術(shù)的微起爆序列對(duì)火工品安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索，對(duì)微起爆序列的設(shè)計(jì)及傳隔爆性能進(jìn)行了研究。所得主要結(jié)論如下：

1)微起爆器裝藥直徑為1.67 g/cm3，裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm，安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑為1.0～2.0 mm、高度為0.65～1.50 mm時(shí)，序列可靠傳爆；安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)隔爆滑塊厚度≮0.3 mm時(shí)序列安全隔爆。表明對(duì)于微起爆序列的設(shè)計(jì)，采用微起爆器驅(qū)動(dòng)飛片經(jīng)安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔加速，高速飛片沖擊起爆下一級(jí)裝藥的能量放大方式是可行的。

2)微起爆器裝藥量小于7 mg時(shí)，微起爆序列不能正常傳爆；大于7.5 mg時(shí)，微起爆序列正常傳爆。與最小的制式雷管相比較，裝藥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，裝藥量減少了70%以上，且能夠與MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)較薄的隔爆滑塊相匹配，易于實(shí)現(xiàn)安全隔爆。

3)設(shè)計(jì)的內(nèi)置安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)微起爆序列，實(shí)現(xiàn)了保險(xiǎn)與解除保險(xiǎn)、傳爆、隔爆功能；初步獲得了微起爆器裝藥閾值、傳爆空腔直徑、高度以及隔爆厚度等序列設(shè)計(jì)的優(yōu)化參數(shù)，為引信微小型輕量化設(shè)計(jì)提供了支持。

由于對(duì)優(yōu)化參數(shù)選擇的理論分析及試驗(yàn)支撐還相對(duì)薄弱，下一步需要深入開(kāi)展相關(guān)的研究工作，進(jìn)一步探索其邊界條件。其次是開(kāi)展序列環(huán)境適應(yīng)性研究，為其應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。