引信微光機(jī)電系統(tǒng)安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張 笑 ,謝 晉,熊 壯,張 德,代 俊

(1.中國工程物理研究院電子工程研究所,四川 綿陽 621900;2.北京理工大學(xué)機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

0 引言

引信是彈藥終端毀傷控制子系統(tǒng),在武器系統(tǒng)中具有不可替代的地位與作用。我軍參考國外最新標(biāo)準(zhǔn)頒布了新版GJB 373B—2019 《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》,對(duì)引信明確提出全彈道、全壽命安全性要求。因此,引信對(duì)各類目標(biāo)要能夠?qū)崟r(shí)快速精確探測(cè)、識(shí)別,抗各種干擾能力要強(qiáng)。引信的早炸、瞎火以及低作用可靠性將降低彈藥的毀傷效能[1]。

隨著武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)空間從陸地向遠(yuǎn)/深海、臨近空間和外太空轉(zhuǎn)移,臨近空間飛行器、空天飛機(jī)等成為目標(biāo)后,引信將遇到前所未見的超低溫、低氣壓、高水壓、宇宙射線輻射等新環(huán)境。彈藥射程的增加、彈速的提高,導(dǎo)致發(fā)射過載、著靶過載大幅提高[2]。彈目高速交會(huì)及全天候作戰(zhàn)使得云霧、煙塵、靜電、地海雜波以及雨雪、雷電等自然與氣象環(huán)境影響更為嚴(yán)重。電子器件和電子電路在引信內(nèi)部的大量使用以及電磁脈沖武器的快速發(fā)展,導(dǎo)致未來戰(zhàn)場(chǎng)中的電磁環(huán)境更加復(fù)雜[3]。新的自然環(huán)境、電磁兼容問題和電子對(duì)抗技術(shù)對(duì)引信的安全性與可靠性提出了更高的要求。

微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)與微光學(xué)技術(shù)結(jié)合形成的一支極具活力的新技術(shù)系統(tǒng),它能將微尺度的機(jī)械、光學(xué)以及其他一些器件與微電子電路集成在一起,完成傳感、信號(hào)處理、計(jì)算和執(zhí)行等功能,具有體積小、重量輕、能耗低、集成度高和可批量生產(chǎn)等特點(diǎn),在引信中有較好的應(yīng)用前景[4-7]。將MOEMS技術(shù)應(yīng)用于引信安全系統(tǒng),結(jié)合激光點(diǎn)火/起爆技術(shù)使用,通過電-機(jī)械-光信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換,切斷電磁干擾能量的傳輸路徑,能夠有效提高引信的抗電磁干擾能力[8]。

1 引信MOEMS安全系統(tǒng)的工作原理

引信MOEMS安全系統(tǒng)通常由微機(jī)械保險(xiǎn)、電保險(xiǎn)、驅(qū)動(dòng)器、閉鎖機(jī)構(gòu)、輸入光纖和輸出光纖等組成,如圖1所示。在勤務(wù)處理階段,輸入光纖與輸出光纖錯(cuò)開,微機(jī)械保險(xiǎn)與電保險(xiǎn)將驅(qū)動(dòng)器鎖定在安全位置,保證引信的安全性;在發(fā)射和彈道的初始階段,MOEMS安全系統(tǒng)感受到正確的環(huán)境信息,依次解除兩道獨(dú)立的保險(xiǎn),此時(shí)光路依然斷開;在炮口安全距離后,控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)器推動(dòng)光纖使其對(duì)準(zhǔn),光路導(dǎo)通,引信處于待發(fā)狀態(tài)[9]。

圖1 引信MOEMS安全系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 Diagram of working principle of the fuze MOEMS safety system

MOEMS安全系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用方式大致可分為兩種:一種為信號(hào)型,即在電子安全系統(tǒng)中引入光纖和光學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù),通過MOEMS器件實(shí)現(xiàn)電-機(jī)械-光信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換,切斷電磁干擾能量的傳輸路徑,提高電子安全系統(tǒng)的電磁兼容性[10],這種方式對(duì)激光能量要求較低;另一種為能量型,即將MOEMS安全系統(tǒng)與激光點(diǎn)火/起爆技術(shù)相結(jié)合,MOEMS光路的輸入端連接半導(dǎo)體激光器,輸出端連接激光火工品,半導(dǎo)體激光器出射的高能激光經(jīng)光纖光路傳遞到激光火工品并直接引爆鈍感裝藥,由于起爆能量形式為激光,能量傳輸采用絕緣光纖而非電導(dǎo)線,能量信號(hào)的傳輸形式與其他的能量信號(hào)不兼容,實(shí)現(xiàn)了含能材料與電系統(tǒng)的隔離,可有效降低甚至消除電磁環(huán)境對(duì)含能材料的安全隱患,提升引信的抗電磁干擾能力[11-12],但此種方式所需的激光能量較高,其配用的激光火工品也需要滿足GJB 373B—2019的要求。

2 MOEMS安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 國外MOEMS安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代中期,美國海軍水面作戰(zhàn)中心研究的第一代魚雷引信MEMS安全系統(tǒng)為基于MOEMS的引信電子安全系統(tǒng)(第二代魚雷引信MEMS安全系統(tǒng))的發(fā)展提供了較為完備的設(shè)計(jì)制造技術(shù)基礎(chǔ)[13]。20世紀(jì)90年代末期,美國海軍水面作戰(zhàn)中心提出發(fā)展基于MOEMS的引信電子安全系統(tǒng),以克服經(jīng)典模式的電子安全系統(tǒng)中邏輯器件抗電磁干擾能力弱、環(huán)境適應(yīng)性差等不足,加強(qiáng)引信安全系統(tǒng)的故障保險(xiǎn)功能[14],所設(shè)計(jì)的MEMS安全系統(tǒng)光邏輯控制系統(tǒng)如圖2所示[15],根據(jù)其工作原理,屬于信號(hào)型MOEMS安全系統(tǒng)。

圖2 MEMS安全系統(tǒng)光邏輯控制系統(tǒng)Fig.2 Schematic of the MEMS S&A optical charging system

美軍將MOEMS電子安全系統(tǒng)應(yīng)用于美國海軍水面作戰(zhàn)中心與美國賓夕法尼亞大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)的筒裝式反魚雷對(duì)抗系統(tǒng)(CCAT)的反魚雷魚雷(ATT)引信中,并進(jìn)行了演示驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明了MOEMS電子安全系統(tǒng)在嚴(yán)酷環(huán)境下具有良好的適應(yīng)性。圖3為ATT引信及其安全系統(tǒng)中的微機(jī)構(gòu)芯片。

圖3 ATT引信及其安全系統(tǒng)中的微機(jī)構(gòu)芯片F(xiàn)ig.3 ATT fuze and MEMS chip in its safety system

在2009年美國第53屆引信年會(huì)上,美國海軍公布了其下一代引信技術(shù)研究計(jì)劃中“光學(xué)鏈路遙控發(fā)火序列”項(xiàng)目的研究進(jìn)展,如圖4所示。光學(xué)鏈路遙控發(fā)火序列主要由MOEMS電子安全系統(tǒng)、高壓爆炸箔起爆器、遙控裝置以及光學(xué)能源等部件構(gòu)成,通過控制光纖的錯(cuò)位與對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)安全系統(tǒng)的安全與解除隔離控制,其滿足美國引信工程標(biāo)準(zhǔn)化工作小組(FESWG)對(duì)遙控發(fā)火序列安全應(yīng)用的指導(dǎo)性要求[16]。

文獻(xiàn)[17]提出了一種采用雙電熱驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的雙光纖直接耦合式MEMS光隔離機(jī)構(gòu),如圖5所示。當(dāng)接收到開關(guān)導(dǎo)通信號(hào)后,兩個(gè)電熱驅(qū)動(dòng)器同時(shí)推動(dòng)兩根光纖由隔離狀態(tài)向?qū)φ隣顟B(tài)轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)光路導(dǎo)通。采用雙電熱驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)光纖,一方面能夠減小每根光纖的運(yùn)動(dòng)行程,另一方面能夠減少開關(guān)通斷的響應(yīng)時(shí)間。

圖5 雙驅(qū)動(dòng)器MEMS光開關(guān)Fig.5 MEMS optical switch with two thermal actuators

文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種用于引信安全系統(tǒng)的硅基閉鎖式雙隔離板光隔離機(jī)構(gòu),如圖6所示。該光開關(guān)的芯片尺寸為6 mm×4 mm,由感受彈丸發(fā)射環(huán)境信息的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和感受彈丸飛行環(huán)境信息的電保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成,并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光路通斷的時(shí)序邏輯控制。該機(jī)構(gòu)采用柔性抗過載技術(shù),設(shè)計(jì)有彈性梁后坐緩沖機(jī)構(gòu),能夠承受10 000～80 000g的后坐沖擊過載。

圖6 MEMS閉鎖光開關(guān)Fig.6 MEMS latching optical switch

美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的Garcia等人研制了一種帶有閉鎖機(jī)構(gòu)的光開關(guān),如圖7所示。光開關(guān)中間的電熱驅(qū)動(dòng)器尾部帶有閉鎖機(jī)構(gòu),可以使光路穩(wěn)定地保持在導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài),通過對(duì)最下方的復(fù)位執(zhí)行器施加電壓,光路能由導(dǎo)通狀態(tài)返回關(guān)斷狀態(tài)。光路導(dǎo)通時(shí)系統(tǒng)的最大光能傳輸效率約為90%,不過其響應(yīng)速度較慢,主要適用于太空或機(jī)載等沖擊、振動(dòng)較強(qiáng)的環(huán)境中[19-20]。

圖7 閉鎖式微光開關(guān)Fig.7 Latching micro optical switch

2.2 國內(nèi)MOEMS安全系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于引信MOEMS安全系統(tǒng)的研究處于起步階段。中國工程物理研究院的趙興海等人針對(duì)激光點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種光電安解裝置,在激光器與火工品之間加入MEMS光開關(guān)作為保險(xiǎn)環(huán)節(jié),如圖8(a)所示;光開關(guān)通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)微小型凸輪旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)光纖的對(duì)準(zhǔn)與錯(cuò)開,如圖8(b)所示[11,21]。

圖8 激光點(diǎn)火安解裝置原理圖Fig.8 Schematic of laser ignition S&A device

陸軍工程大學(xué)的單體強(qiáng)等人提出了一種基于微光機(jī)電技術(shù)的引信電子安全系統(tǒng)控制方法,如圖9所示。以激光作為過程傳輸能量,以光纖作為能量傳輸介質(zhì),通過微機(jī)械保險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)光纖光路通斷的邏輯控制,最后利用砷化鎵激光光伏電池完成高頻高功率激光光電轉(zhuǎn)換[10]。該控制方法采用“電→光→電→起爆”的形式,經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換,加之光伏電池完成的“光電”轉(zhuǎn)換效率有限,使得整個(gè)系統(tǒng)的能量傳輸效率較低。同時(shí)發(fā)火部分保留了高壓轉(zhuǎn)換電路和發(fā)火電容,不僅產(chǎn)生電磁和靜電干擾,而且容易受到外界干擾。

圖9 電子安全系統(tǒng)控制方法Fig.9 The control method of electronic safety system

西安機(jī)電信息技術(shù)研究所開展了MOEMS的概念性研究工作,利用微型電熱執(zhí)行器控制光路斷通的方式實(shí)現(xiàn)隔離與解除隔離,并聯(lián)合南京理工大學(xué)開發(fā)了應(yīng)用于中大口徑榴彈的硅基MOEMS安全系統(tǒng)模塊,如圖10所示。該模塊集成了微結(jié)構(gòu)、微執(zhí)行器及光纖等,涉及機(jī)械-電-熱-光等多重能量的耦合,技術(shù)成熟度達(dá)到4級(jí),具備10 000g的抗過載能力。

圖10 MOEMS安全系統(tǒng)模塊Fig.10 MOEMS safety system module developed

南京理工大學(xué)的席占穩(wěn)、聶偉榮教授課題組設(shè)計(jì)了一種可恢復(fù)的MOEMS安解裝置,如圖11所示,其中環(huán)境信號(hào)從外部傳感器獲取,通過改變4個(gè)電熱執(zhí)行器施加電壓的時(shí)序,從而控制光纖光路的通斷,實(shí)現(xiàn)“安全”與“解除隔離”狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換[22]。

圖11 可恢復(fù)MOEMS安解裝置Fig.11 Structure of the resettable MOEMS S&A device

北京理工大學(xué)開展了基于電熱驅(qū)動(dòng)的MOEMS光邏輯控制系統(tǒng)研究。以155 mm口徑榴彈引信為背景,提出通過電熱執(zhí)行器與MEMS加速度傳感器相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)激光起爆系統(tǒng)的安全與延遲解除隔離功能,如圖12所示。

圖12 光邏輯控制系統(tǒng)Fig.12 MEMS optical logic control system

通過對(duì)國內(nèi)外MOEMS安全系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀分析可知,MOEMS安全系統(tǒng)對(duì)于提升引信的抗電磁干擾能力,實(shí)現(xiàn)引信的安全、可靠控制具有重要意義。信號(hào)型MOEMS安全系統(tǒng)在國外最早開始研制并投入使用。近年來,隨著大功率半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)和激光火工品技術(shù)的不斷發(fā)展,使得能量型MOEMS安全系統(tǒng)在火炮中的應(yīng)用成為可能。MOEMS安全系統(tǒng)與激光點(diǎn)火/起爆一體化研究也將成為今后引信安全系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

2.3 微驅(qū)動(dòng)器在MOEMS中的應(yīng)用

微驅(qū)動(dòng)器(micro-actuator)是MOEMS控制光路通斷的核心部件,也是MOEMS動(dòng)力部分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),其功能主要是實(shí)現(xiàn)力或位移的轉(zhuǎn)化與輸出。目前MOEMS的驅(qū)動(dòng)方式主要有電熱驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)等。電熱驅(qū)動(dòng)器通過電-熱-機(jī)械多物理場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)位移與驅(qū)動(dòng)力的輸出,具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于集成、驅(qū)動(dòng)位移及驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)[23]。目前,在MOEMS中應(yīng)用的熱驅(qū)動(dòng)器主要有雙層膜式、U型和V型電熱驅(qū)動(dòng)器,以及這三種形狀結(jié)構(gòu)的組合變形機(jī)構(gòu),如圖13所示。

圖13 電熱驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Diagram of electrothermal actuators

U型電熱驅(qū)動(dòng)器具有較大的位移量和驅(qū)動(dòng)力,可并列組合使用。圖14所示為一種MEMS安全系統(tǒng)中用于遠(yuǎn)距離控制的驅(qū)動(dòng)器,該驅(qū)動(dòng)器由三個(gè)U型電熱驅(qū)動(dòng)器組成,增大了驅(qū)動(dòng)力。另外,每個(gè)細(xì)梁旁邊增加了一條橫截面積相同但長度更長的細(xì)梁,根據(jù)熱膨脹原理,可有效地增加驅(qū)動(dòng)器的伸長量,同時(shí)增大驅(qū)動(dòng)力[24]。平面內(nèi)直線驅(qū)動(dòng)一般采用V型電熱驅(qū)動(dòng)器,V型電熱驅(qū)動(dòng)器的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,能夠?qū)崿F(xiàn)大驅(qū)動(dòng)力、大位移直線輸出。在近幾年的美國引信年會(huì)上,提出了多種MEMS安全系統(tǒng)模型,如圖15和圖16所示,在這些MEMS安全系統(tǒng)模型中,采用了一個(gè)或多個(gè)V型電熱驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)的“安全”和“解除隔離”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換[25-26]。

圖14 并列組合形式的電熱微驅(qū)動(dòng)器Fig.14 A parallel combined electrothermal actuator

圖15 MEMS安全系統(tǒng)模型Fig.15 MEMS safety system model

圖16 可恢復(fù)的MEMS安全系統(tǒng)芯片F(xiàn)ig.16 Resettable MEMS safety system chip

靜電微驅(qū)動(dòng)器是MOEMS中使用較多的一類驅(qū)動(dòng)器,常見的靜電驅(qū)動(dòng)方式有平行板式靜電驅(qū)動(dòng)和梳齒式靜電驅(qū)動(dòng)等,如圖17所示為梳齒式靜電驅(qū)動(dòng)器[27]。

靜電驅(qū)動(dòng)具有功耗低、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì),在MOEMS系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。但通過靜電微驅(qū)動(dòng)器的研究資料可以看出,常規(guī)靜電微驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓普遍較高,一般在50～100 V左右,而驅(qū)動(dòng)位移僅為幾微米,抗高過載能力有待提高[28]。

電磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)制是基于電、磁之間相互作用產(chǎn)生的靜電力使可動(dòng)體產(chǎn)生變形。2006年,在發(fā)表的美國專利中,Maurer設(shè)計(jì)了一種新型電磁式MEMS安全系統(tǒng),該安全系統(tǒng)主要是通過電磁執(zhí)行器對(duì)隔爆滑塊進(jìn)行安全邏輯的執(zhí)行,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其安全系統(tǒng)的所有功能,如圖18所示[29-30]。

圖18 基于電磁驅(qū)動(dòng)的MEMS安全系統(tǒng)Fig.18 MEMS safety system based on electromagnetic drive

2.4 MOEMS加工與封裝技術(shù)

MOEMS微加工工藝是實(shí)現(xiàn)MOEMS安全系統(tǒng)芯片制備的基礎(chǔ)。MOEMS主要應(yīng)用的是硅微機(jī)械加工技術(shù),該技術(shù)源于微電子加工技術(shù),它將傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)由二維的平面加工發(fā)展為三維的立體加工,按加工的方式可分為體微加工和表面微加工工藝兩大類[31]。對(duì)于含有可動(dòng)懸空結(jié)構(gòu)的MOEMS器件,采用絕緣體上硅(SOI)和深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)(DRIE)相結(jié)合的方法進(jìn)行器件加工,工藝較為簡單,器件層單晶硅的厚度可達(dá)幾百微米,能夠?qū)崿F(xiàn)高深寬比、大質(zhì)量的三維結(jié)構(gòu),同時(shí)具有優(yōu)異的力學(xué)性能。目前美國AD公司采用SOI+DRIE工藝開發(fā)了第四代MEMS慣性器件,成功地將慣性器件與外圍CMOS檢測(cè)控制電路集成在一個(gè)芯片上。新加坡南洋理工大學(xué)的Teo等人采用雙面DRIE工藝在SOI圓片上制作了基于光柵質(zhì)量塊的MOEMS加速度計(jì),如圖19所示,通過采用SOI工藝容易獲得厚度一致的光柵梁[32]。

圖19 采用SOI+DRIE工藝制作的MOEMS加速度計(jì)Fig.19 MOEMS accelerometer fabricated by using SOI+DRIE proces

MOEMS封裝工藝雖然是在傳統(tǒng)微電子封裝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,但與之又有許多不同之處。MOEMS封裝通常需要提供光學(xué)和電學(xué)通道、氣密性保證、機(jī)械強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定性以及長期可靠性[33]。對(duì)于密封的光信號(hào)通道,必須使用金屬化或玻璃密封的、具有減反射涂層的窗口。氣密封裝的目的在于確保昂貴而又先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)的長期可靠性,避免水汽進(jìn)入和腐蝕光學(xué)系統(tǒng)[34]。一些窗口設(shè)計(jì)成楔形,從而避免法布里-珀羅效應(yīng)。

MOEMS封裝工藝是MOEMS芯片工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。對(duì)于MOEMS安全系統(tǒng)芯片而言,輸入光纖與輸出光纖的任何對(duì)準(zhǔn)偏差很容易引起光路損耗,進(jìn)而引起系統(tǒng)性能下降,因此設(shè)計(jì)的封裝系統(tǒng)必須保持光學(xué)對(duì)準(zhǔn)以獲得最優(yōu)的光學(xué)性能[35]。此外,火炮具有高過載的使用環(huán)境特點(diǎn),因此,為了提高芯片的抗過載能力,一方面在MOEMS芯片設(shè)計(jì)時(shí)需要融入一些抗過載元素,例如添加倒角以避免應(yīng)力的集中,制作限位結(jié)構(gòu)防止可動(dòng)結(jié)構(gòu)的過度運(yùn)動(dòng)等;另一方面還可以從封裝入手,例如選用抗沖擊能力較強(qiáng)的塑料或金屬管殼對(duì)MOEMS芯片進(jìn)行封裝,以及采用灌封的方法對(duì)器件進(jìn)行固定和保護(hù)[36]。圖20為美國馬里蘭大學(xué)的Deeds設(shè)計(jì)的一種MOEMS安全系統(tǒng)芯片封裝流程,其中管殼材料采用可伐合金,SAD芯片上方的蓋板芯片所起的作用為約束MEMS結(jié)構(gòu)在面外方向(Z向)的位移,并在封裝過程中保護(hù)可動(dòng)的MEMS結(jié)構(gòu),同時(shí)不會(huì)影響之后的引線鍵合和光纖布線等操作[37]。

3 激光微起爆研究現(xiàn)狀

當(dāng)前,MOEMS芯片工程化較為成熟的應(yīng)用多集中在信號(hào)傳輸型光開關(guān)。如何將能量傳輸型MOEMS芯片與火工品微起爆技術(shù)結(jié)合,是推動(dòng)MOEMS安全與起爆一體化的關(guān)鍵。目前軍用火工品中應(yīng)用最廣泛的是橋絲式電火工品,該類火工品具有發(fā)火能量小、作用迅速、性能容易控制等優(yōu)點(diǎn),但電火工品在生產(chǎn)、儲(chǔ)存、使用過程中容易受到靜電放電、射頻、電磁脈沖和雷電等信號(hào)的干擾,引起火工品的誤觸發(fā),且火藥與半導(dǎo)體橋絲直接接觸,長時(shí)間存放容易造成橋絲腐蝕、橋路電阻變化以及絕緣電阻變化等問題,進(jìn)一步影響發(fā)火性能[38-39]。激光火工品采用絕緣光纖傳輸激光能量使藥劑發(fā)火,沒有金屬導(dǎo)線、電極和橋絲,不存在電磁感應(yīng)能量的可能,從根本上解決了常規(guī)電火工品的安全問題,同時(shí)激光火工品密封在藥劑盒內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)了激光點(diǎn)火裝置與藥劑的分離,更利于長期儲(chǔ)存,國內(nèi)外對(duì)激光點(diǎn)火技術(shù)的研究投入了巨大的努力[40-41]。

激光點(diǎn)火研究最早開始于20世紀(jì)60年代中期,經(jīng)過50余年的發(fā)展,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)。國外激光點(diǎn)火技術(shù)研究過程大體可以分為三個(gè)階段。第一階段:1965—1985年,主要是起爆、點(diǎn)火基本原理性研究,取得了類似藥劑激光感度等一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù);第二階段:1985—1990年,使用先進(jìn)的低損耗光纖和小型化光纖激光器,在飛機(jī)逃生系統(tǒng)、洲際導(dǎo)彈及空空導(dǎo)彈和“PEGA-SUS”運(yùn)載火箭上的點(diǎn)火、級(jí)間分離技術(shù)上成功使用了激光直接點(diǎn)火技術(shù),并研制出可以使用的激光多路點(diǎn)火系統(tǒng)和激光火工品檢測(cè)技術(shù);第三階段:1990至今,完成激光火工品性能優(yōu)化,完善激光火工品檢測(cè)技術(shù),研究激光安解控制技術(shù),建立激光點(diǎn)火系統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收規(guī)范,開始激光火工品的推廣和使用。美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的Sheffield等人設(shè)計(jì)了各種不同的激光驅(qū)動(dòng)飛片裝置,產(chǎn)生的飛片速度達(dá)到2.3～4 km/s,成功引爆了太安和HNS-FP等不同規(guī)格的裝藥[42]。Rastegar和Feng在美國專利上提出了一種具有自供電、解除隔離邏輯和誤觸發(fā)保護(hù)功能的激光激活起爆裝置,如圖21所示[43]。

圖21 激光激活起爆裝置Fig.21 Laser activated initiation device proposed

我國從1967年開始激光點(diǎn)火的研究,與國外基本同步。中國工程物理研究院、陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所、北京理工大學(xué)、中北大學(xué)、長春光機(jī)所等開展了激光點(diǎn)火的理論與試驗(yàn)研究,并取得了一系列的成果。在激光起爆機(jī)理研究方面,中國工程物理研究院對(duì)激光驅(qū)動(dòng)飛片技術(shù)進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn),他們采用小型固體YAG激光器的波長為1.06 μm、脈寬為9～10 ns,飛片為厚度5.5 μm、直徑約1 mm的鋁材料,當(dāng)激光束的能量為205 mJ,脈寬為9.5 ns時(shí),驅(qū)動(dòng)飛片速度達(dá)到6.6 km/s,可瞬間引爆密度1.2 g/cm3、直徑5 mm、高5 mm的細(xì)顆粒太安炸藥[44]。與固體激光器相比,半導(dǎo)體激光器具有體積小、驅(qū)動(dòng)電流小、效率高、壽命長、可直接電調(diào)制等特點(diǎn),更適合運(yùn)用在武器系統(tǒng)中[45]。北京理工大學(xué)的湛贊等人采用激光輸出功率為8 W、波長980 nm的半導(dǎo)體激光器對(duì)摻雜1%碳黑的太安炸藥進(jìn)行激光起爆試驗(yàn),并借助AUTODYN軟件對(duì)炸藥激光起爆過程進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了半導(dǎo)體激光直接起爆炸藥的可行性[46]。硼/硝酸鉀(B/KNO3)具有高輸出性、高可靠性和感度適中等優(yōu)點(diǎn),是直列式點(diǎn)火系統(tǒng)許用的點(diǎn)火藥劑[47]。中北大學(xué)的王端、郭偉等人搭建激光點(diǎn)火系統(tǒng),研究了硝酸鉀粒徑、硼與硝酸鉀配比、添加粘結(jié)劑、裝藥密度以及輸入端密封性等因素對(duì)激光點(diǎn)火延遲時(shí)間和發(fā)火功率的影響[48-49]。目前,激光火工品藥劑在火炮中還未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用[50],其安全性需要依據(jù)GJB 2178《傳爆藥安全性試驗(yàn)方法》鑒定,符合GJB 373B—2019規(guī)定以后,才可用于引信內(nèi)直列式傳爆序列裝藥。

在激光點(diǎn)火光路檢測(cè)方面,陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所和中國工程物理研究院化工材料研究所分別研制出了帶尾纖和不帶尾纖的密封結(jié)構(gòu)激光點(diǎn)火器,突破了激光火工品的檢測(cè)技術(shù),這使得激光火工品走向應(yīng)用成為可能。長春光機(jī)所的韓金樑等人設(shè)計(jì)了一種單光纖雙波長輸出的光學(xué)結(jié)構(gòu),如圖22所示,獲得了出纖功率大于10 W的976 nm點(diǎn)火激光和大于1 mW的1 310 nm檢測(cè)激光,可實(shí)現(xiàn)光路自檢以及高功率點(diǎn)火激光的輸出功率同步自檢,滿足對(duì)點(diǎn)火光源高效率、高可靠性的要求[51]。

圖22 光路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.22 Schematic of light path structure

在激光點(diǎn)火系統(tǒng)研制方面,長春光機(jī)所的曹軍勝研制了具有三路多時(shí)序起爆、雙光纖光路自檢、起爆器反射率定量檢測(cè)和點(diǎn)火時(shí)間測(cè)量等功能的半導(dǎo)體激光點(diǎn)火系統(tǒng),如圖23所示,模塊體積小于140 mm×100 mm×40 mm[52]。陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所的王浩宇等人分析了空間輻射效應(yīng)對(duì)激光火工品系統(tǒng)各模塊的影響,并提出了相應(yīng)的抗輻射加固設(shè)計(jì)[53]。

圖23 激光點(diǎn)火系統(tǒng)Fig.23 Laser ignition device

西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)基本掌握了激光點(diǎn)火技術(shù),并且在航空、航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工程化應(yīng)用。國內(nèi)經(jīng)過十多年的研究發(fā)展,在激光點(diǎn)火技術(shù)方面也取得了長足的進(jìn)步:激光點(diǎn)火光源已從早期的固體激光器發(fā)展為半導(dǎo)體激光器;激光點(diǎn)火系統(tǒng)的光路檢測(cè)結(jié)構(gòu)也從原來的雙光纖光路逐步替代為單光纖光路,單光纖光路結(jié)構(gòu)具有光纖數(shù)量少、與起爆器接口工藝簡單的優(yōu)點(diǎn),容易實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用,有很好的發(fā)展前景[54];激光點(diǎn)火系統(tǒng)也從機(jī)理研究逐步向工程化邁進(jìn)。

4 MOEMS安全系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 抗高過載試驗(yàn)

在彈藥的勤務(wù)意外跌落與發(fā)射過程中,彈上系統(tǒng)通常會(huì)承受很大的過載,MOEMS安全系統(tǒng)不僅應(yīng)保證不會(huì)損壞,還應(yīng)能夠準(zhǔn)確區(qū)分勤務(wù)處理與發(fā)射環(huán)境,以保證引信的安全性[55]。常采用的高過載模擬試驗(yàn)裝置主要有馬歇特錘擊試驗(yàn)機(jī)、霍普金森桿和空氣炮等。

馬歇特錘擊試驗(yàn)裝置由砧座、錘頭、錘柄及重錘四部分組成,試驗(yàn)時(shí)將試件安裝在錘頭上,利用重錘下落給錘柄提供轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,通過不同速度的錘頭與剛性砧座碰撞,最高可產(chǎn)生幅值4萬g左右、持續(xù)時(shí)間約100 μs的加速度過載,其試驗(yàn)裝置如圖24所示[56]。該方法所需的試驗(yàn)條件簡單,易于操作,適用于模擬彈藥的勤務(wù)跌落過載。

圖24 馬歇特錘試驗(yàn)裝置Fig.24 Machete hammer experimental device

霍普金森桿應(yīng)力波加載試驗(yàn)的原理是通過子彈撞擊霍普金森桿,從而在桿中產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖應(yīng)力波對(duì)試件進(jìn)行加載。根據(jù)試件的不同加載方式或試件在桿中放置的位置,霍普金森桿試驗(yàn)裝置可分為分離式霍普金森桿和自由式霍普金森桿。在相同的子彈速度下,自由式霍普金森桿獲得的過載加速度值更大,最高能達(dá)到20萬g,過載脈寬一般在20 μs左右[57]。圖25為自由式霍普金森桿試驗(yàn)裝置。霍普金森桿裝置常用于對(duì)高g值加速度傳感器的測(cè)試及校準(zhǔn)[58]。

圖25 自由式霍普金森桿試驗(yàn)裝置Fig.25 Freedom Hopkinson bar experimental device

空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)平臺(tái)、發(fā)射炮管、子彈、氣動(dòng)控制系統(tǒng)、測(cè)速系統(tǒng)和回收靶室等組成,如圖26所示[59],其試驗(yàn)原理是利用高壓氣體為動(dòng)力源,使得試驗(yàn)彈體帶著試件在身管內(nèi)完成加速運(yùn)動(dòng),通過撞擊不同介質(zhì)的目標(biāo),產(chǎn)生較高的反向加速度。它可以發(fā)射從百米每秒到萬米每秒速度的不同形狀和材質(zhì)的彈體,彈丸速度可調(diào)且反復(fù)試驗(yàn)穩(wěn)定性好,適用于模擬火炮發(fā)射及作用過程中產(chǎn)生的過載[60]。

圖26 空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.26 Gas gun experimental system

4.2 電磁兼容試驗(yàn)

隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的日益復(fù)雜,對(duì)引信的抗電磁干擾能力提出了更高的要求。MOEMS安全系統(tǒng)通過引入光纖和光學(xué)能量轉(zhuǎn)換技術(shù),理論上使引信安全系統(tǒng)具有更好的電磁兼容性,但其實(shí)際的抗電磁干擾能力必須通過電磁兼容試驗(yàn)來驗(yàn)證。根據(jù)GJB 373B—2019規(guī)定,引信的電磁干擾試驗(yàn)按照GJB 151B—2013展開。目前沒有專門針對(duì)引信電磁兼容試驗(yàn)的統(tǒng)一試驗(yàn)方法[61],一般根據(jù)實(shí)際情況以及設(shè)計(jì)要求,合理選用GJB 151B—2013中的試驗(yàn)項(xiàng)目,其中選用比較多的試驗(yàn)有[62-64]:

1) 傳導(dǎo)發(fā)射:CE101,CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射;

2) 傳導(dǎo)敏感度:a. CS101 25 Hz～150 kHz電源線傳導(dǎo)敏感度;b. CS106 電源線尖峰信號(hào)傳導(dǎo)敏感度;c. CS114 4 kHz～400 MHz電纜束注入傳導(dǎo)敏感度;d. CS115 電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度;e. CS116 10 kHz～100 MHz電纜和電源線阻尼正弦瞬態(tài)傳導(dǎo)敏感度;

3) 輻射發(fā)射:RE102 10 kHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射;

4) 輻射敏感度:RS103 10 kHz～40 GHz電場(chǎng)輻射敏感度。

通常,初次設(shè)計(jì)的MOEMS安全系統(tǒng)樣機(jī)不容易一次通過電磁兼容試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后,需要根據(jù)出現(xiàn)的問題排查故障,并進(jìn)一步優(yōu)化電路設(shè)計(jì)及組件布局,直至滿足電磁兼容試驗(yàn)的要求。

5 結(jié)語

綜上所述,MOEMS技術(shù)為推動(dòng)引信的小型化、智能化發(fā)展提供了技術(shù)支撐。引信MOEMS安全系統(tǒng)利用微機(jī)械保險(xiǎn)控制系統(tǒng)光纖光路的通斷,實(shí)現(xiàn)了電-機(jī)械-光信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換,其與激光點(diǎn)火/起爆技術(shù)的結(jié)合使用能進(jìn)一步提升引信的抗電磁干擾能力,是引信設(shè)計(jì)創(chuàng)新、性能優(yōu)化與應(yīng)用創(chuàng)新的一個(gè)重要方向。然而,由于火炮具有高過載的使用環(huán)境特點(diǎn),為研制出能夠應(yīng)用于高過載環(huán)境的MOEMS安全系統(tǒng),形成微光機(jī)電引信樣機(jī),支撐彈藥的智能化發(fā)展,尚有如下問題需要解決:

1) 激光能量傳輸與激光起爆匹配。對(duì)于能量型MOEMS安全系統(tǒng),其所需的激光能量較高,如何設(shè)計(jì)出光纖傳輸光路,實(shí)現(xiàn)MOEMS安全系統(tǒng)在高過載環(huán)境下的激光能量傳輸,在此基礎(chǔ)上選取滿足GJB373B—2019要求的引信傳爆序列,實(shí)現(xiàn)激光傳輸能量與微爆炸序列起爆能量的匹配,是微光機(jī)電安全系統(tǒng)研究必須要解決的問題。

2) 抗過載設(shè)計(jì)與加工、封裝工藝協(xié)同優(yōu)化。針對(duì)火炮的高過載使用環(huán)境,如何在芯片設(shè)計(jì)時(shí)融入抗過載元素,并進(jìn)一步優(yōu)化微加工與封裝工藝,實(shí)現(xiàn)安全與解除隔離、激光能量傳輸、微起爆控制等功能的集成,是微光機(jī)電安全系統(tǒng)研究的重要技術(shù)支撐。

3) 微光機(jī)電安全系統(tǒng)測(cè)試與評(píng)估方法。針對(duì)引信安全系統(tǒng)安全性與可靠性的要求,如何建立系統(tǒng)的測(cè)試方法,測(cè)試微光機(jī)電安全系統(tǒng)的抗過載能力與電磁兼容性等指標(biāo),是推動(dòng)微光機(jī)電安全系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)走向工程化應(yīng)用的關(guān)鍵。