MEMS加速度计在防空导弹引信中的应用

2018-04-04范卫民刘双杰王丽爽刘洪涛赵忠海史英智

兵器装备工程学报 2018年3期

范卫民，刘双杰，王丽爽，刘洪涛，赵忠海，史英智

(1.沈阳理工大学装备工程学院，沈阳　110000； 2.辽宁华兴机电有限公司，辽宁锦州　121017)

一般情况下，便携式地对空导弹引信都是以触发作用为主，所以引信的触发发火部件在引信中起非常重要的作用。国产单兵导弹的前期产品的引信触发发火部件采用冲击闭合器，如果冲击闭合器的发火过载值选择较低，在导弹初始段，冲击闭合器容易在发动机的发射过载作用下闭合，引信解除保险后，导弹仍在加速，如冲击闭合器不能复位，导弹就会发生早炸[1]。冲击闭合器等开关采用机械结构，加工精度不会很高，实际工作时误差较大，所以为了提高导弹引信的安全性，采用MEMS技术的加速度计可以实现武器弹药的智能化和小型化，在引信中应用MEMS技术是今后引信发展的必然趋势[2]。

1　导弹测试下的加速度信号变化分析

为分析导弹发射过程过载情况，在某导弹内安装MEMS加速度计测量导弹飞行弹道全量程过载值。导弹飞行弹道过载曲线如图1、图2、图3所示。

从弹道过载曲线可以看出最大过载为点火发射瞬间为85g，导弹出筒后发动机才工作，此时最大过载为发生在导弹发射初期——加速段，弹道最大过载45g左右，而在导弹非加速段，导弹沿弹轴方向只有4g～5g飞行过载，y轴、z轴方向有小于30g的机动过载。试验中弹丸飞行发射过程的部分三轴加速度如表1所示。

表1　弹丸发射时引信三轴加速度测试结果

参考以上数据，在本文中的硬件设计应注意以下几点：第一，MEMS加速度计在选择量程时不应过大，确保灵敏度应为首要选择；第二，硬件设计应有较高的抗高过载特性；第三，设计时电路应必须避免刚发射及刚出炮口时立即工作，必须有延时功能躲开最大加速度产生的时段，保证引信安全；第四，MEMS加速度计在实际应用以正向加速度变化作为阈值(x轴正向为导弹发射方向)。

2　导弹碰撞薄目标的数值分析

为了确定防空导弹引信的发火策略、提高发火机构作用可靠性和适用性，通过ANSYS/LS-DYNA动力学仿真计算分析了导弹以600 m/s着速，不同着角碰击不同厚度目标进行数值仿真，得到弹丸碰击薄弱目标时的前冲过载曲线，为发火触发灵敏度和瞬发度的设计提供依据。

导弹总长1 520 mm，被动段飞行质量5.9 kg，末端速度600 m/s。弹丸简化为导引段、舵机段、引信段和弹体段，导引段简化为为半球形塑料；舵机段外壳材料为铝合金，壁厚 3 mm，内部为塑料；引信段材料为铝合金，弹体段材料为钢。弹体长度根据仿真需要进行调整。靶体选为薄板，选择钢板方形结构，厚度分别选取为2 mm、5 mm和10 mm。弹丸碰击靶板过程中，除导弹头部、翼片外轮廓有侵蚀变形外，弹丸整体基本不发生形变，弹丸与靶板网格单元均采用Lagrange算法，节省计算量，建立四分之一模型。

由参考文献[3-7]，得7A04铝合金，各材料模型主要参数如表2～表4所列。

表2　30CrMnSiA Johnson-Cook材料模型参数

表3　7A04铝合金Johnson-Cook材料模型参数

表4　改性酚醛树脂Johnson-Cook材料模型参数

随着碰击深度的不断增加，导弹头部逐渐穿透靶板，当导弹头部穿透靶板后过载逐渐减小，当导弹圆形部穿过靶板时出现一峰值，如图4～图9所示。

导弹不同着角碰击不同厚度目标仿真结果如表5所示。引信设计输入要求导弹30°着角时碰撞5 mm钢靶板时引信可靠作用，而本文中MEMS加速度计所采用的“阈值十时间窗”算法，并依据上述仿真结果确定了引信碰炸发火机构的发火过载范围和脉宽时间，阈值设置为185g，时间窗为15 μs。

3　MEMS加速度计方案

MEMS加速度计在经历了模拟量信息处理和数字量交换这两阶段后，正朝着智能化、集成一体化、小型化方向发展，利用微处理技术使传感器智能化是新型传感器的一大进展[7]。此方案采用的MEMS加速度计是一种三轴传感器，采用MEMS半导体技术把微型机械结构与电子电路集成于同一芯片上，MEMS加速度计就是利用这种技术实现对三轴加速度进行测量并产生模拟或数字输出的传感器[8]。这种加速度计体积小、质量轻，安装方便，性能可靠，适合应用于引信这种结构要求紧凑的产品上[9]。MEMS加速度计应用于防空导弹引信时，将MEMS加速度计安装于引信电路上并进行灌封，使MEMS加速度计与引信电路成为一个整体，并外接A/D转换芯片提高采用频率达到200 kHz。而本文中所采用的“阈值十时间窗”算法，阈值设置为185g，方向为正方向(导弹飞行方向为正)，时间窗为15 μs，发火过载理论为15 μs时间段上的采集数据都超过185 g，就可认为引信撞击目标，从而MEMS加速度计输出信号并通过控制电路使引信作用。

3.1　传感器的选择

由于引信所处的特殊环境,对MEMS加速度计提出了苛刻的要求:抗高过载、体积小、重量轻、功耗低。微机电系统(MEMS)技术的发展,为引信环境传感器特别是引信MEMS加速度计找到了一个其他技术无法比拟的适宜的技术途径。在20世纪70年代采用微加工技术成功地制作了压力传感器,在20世纪80年代微加工技术在MEMS加速度计上也得到了成功的应用。传感器具有体积小、质量轻、潜在成本低、可靠性高、可输出连续的加速度信号、加速度测量范围大、数字化和智能化的优点。可做成频率输出形式,能对输出信号进行全数字处理,同时便于应用微机进行信号处理,对输出误差进行补偿[9]。

表5　最大前冲过载仿真结果

经过筛选，选择了ADXL377型号MEMS加速度计，其各项特性如表6所示。

表6　MEMS加速度计特性

3.2　微控制器的选择

系统工作主要依靠微控制器来完成，微控制器在系统中实现对MEMS加速度计信号的AD转换，并对触发阈值进行判断，上电开始计时并由微控制器判别：延时2 s后接收到导弹与目标特性信号(接近目标信号)输出远距离接电信号或延时15 s时输出远距离接电信号、19 s后输出自毁信号。

微控制器上电后系统进入延时状态，延时2 s后微控制器开启过载判读功能(避免MEMS加速度计发射时误动作信号输出)，当达到动作条件，即满足阈值+时间要求后输出开关动作。根据控制流程与功能，本文选择了SILAB公司的C8051F530A单片机作为引信的微控制器，该微控制器在系统实现的功能如下：

a) 延时状态:上电后延时时间为2 s、15 s和19 s，延时采用漏极开路方式，上电后设置为时间0点，定时到达后，设置为1；

b) A/D转换：ADC采用外接A/D转换芯片提高采用频率，采样频率达到200 kHz，P1.7设置为模拟输入；

c) 阈值判读：采样频率为200 kHz，传感器输出达到设置值时计数器加1，反之清零，5 μs对应一个采样周期，可以设计成当计数器大于3时闭合开关；

本文的MCU采用C8051F530A单片机，芯片引脚分配为：VDD为内核电源，内部基准电压接2.7 V；PST为上电复位；VRGIN与GND接5V工作电源；P0.6用于程序编写、调试；P0.7与P1.0连接晶振，提供精准时钟；P1.7、Poo为通信接口，实现MCU与MEMS加速度计、MCU与导弹间的通信，读取相关数值信号；P1.6和P1.5为远距离接电控制输出，可控制发火控制电路供电；P0.2、P0.1控制远解输出，起爆电拔销器；P1.3、P1.4控制起爆输出，接受起爆信号后输出高电平起爆电雷管；其余引脚空。

软件的流程图如图10所示。

主要判别为：传感器达到185g时输出，计数器加1，成当计数器大于3时输出起爆电雷管信号，反之清零。

3.3　电源管理

MEMS加速度计由20 V电池供电，通过电源芯片L7805C2T将+20 V电源转换为+5 V，为微控制器供电，通过LD1117-3.3 (SOT223)将+5 V转换为+3.3 V为MEMS加速度计供电。电源管理原理图如图11。

3.4　发火控制电路

发火控制电路如图12所示，由距离接电控制与发火电路组成，远距离接电控制是保证导弹接近目标时向发火电路的供电，避免刚发射及刚出炮口时立即工作。

3.5　系统的工作流程

导弹发射后，舵开关闭合，引信开始上电，上电后微控制器进入延时状态，延时2 s结束，此时，对导弹近区信号判别和MEMS加速度计模块同时工作。接收到导弹与目标特性信号(接近目标信号)输出远距离接电信号或延时15 s时输出远距离接电信号，使发火电路供电，保证导弹出筒后近距离不会误作用，保证发射人员的安全；g值MEMS加速度计模块工作，感知外部加速度，将加速度转换为电压信号，通过滤波模块对信号进行滤波后进入微控制器，由微控制器ADC内部进行采集，并由微控制器进行定时和阈值判断，当到达设定时间后，如果加速度模块输出信号超过设定阈值和时间窗，由微控制器发出起爆信号；未接受碰炸发火信号，到预定时间19 s时微控制器输出自毁信号，引信自毁。

系统具体分为以下几种状态：

a) 延时：弹丸发射时为引信系统供电，微控制器开启定时，定时后，输出高电平；

b) 远距离解除保险判别：微控制器开启定后，导弹提供近区信号时，微控制器对其时间进行判别，当超过2 s时输出远距离解除保险信号。

c)g值采集：延时结束后，系统正常工作，采集并检测MEMS加速度计的信号，将信号转换为数字信号，微控制器控制在2 s前不采集信号，保证导弹发射过程中安全；

d) 阈值判定：判断加速度信号是否达到阈值门限，即加速度达到或185g；

e) 起爆判断：某一次信号采集达到阈值门限后，用微控制器判别信号在15 μs内信号都达到阈值门限后输出起爆信号。

f) 接通起爆回路：MEMS加速度计输出信号达到起爆值时立即接通起爆回路，或者达到预定延时时间后接通起爆回路，并将接通前开始的数据存储在微控制器中，以便测试和分析。

4　选用MEMS加速度计方案的安全性分析

采用MEMS加速度计作为触发发火部件在某防空导弹上应用，其抗弹道环境干扰能力是保证引信安全性的关键因数。

1) 导弹勤务处理时的安全性

勤务处理环境指引信从生产出厂到发射之前通常会经历的一系列环境，一般包括运输、储存、搬运中引信受到的冲击、振动、磕碰等，以及上述过程中引信经受的振动、冲击、高低温、潮湿、腐蚀等物理化学环境[10]。导弹在搬运、空投等勤务处理时，可能会产生较大的冲击过载，但此时导弹的电源没有激活，引信没有供电，MEMS加速度计不会工作，因此导弹勤务处理过程中不会因为受到冲击而发生危险。

2) 导弹发射时的安全性

根据前文导弹发射过程过载分析得出引信在弹道正常飞行过程中所经受的最大过载只有几十个g，根据图1所示，导弹发射发动机点火发射瞬间过载X轴为85g，根据系统设计，导弹出筒后发弹载电源延时给引信供电，此时引信内的MEMS加速度计与发火控制电路等还未工作，而且85g过载值也低于发火过载阈值185g；导弹在主发动机点火时，导弹处于加速阶段，MEMS加速度计已工作，此时导弹受向后的最大过载为40g，远低于MEMS加速度计设置的发火过载阈值185g，引信不会因正常发动机工作产生误动作信号。

5　MEMS加速度计方案试验数据分析

MEMS加速度计发火过载理论设置：用微控制器对在采集数据进行判别，既在15 μs内时间窗采样都达到阈值门限185g，此时可认为引信撞击目标，微控制器输出起爆信号。

为了验证MEMS加速度计可行性，将其固定在冲击台上进行冲击试验。冲击试验时用计算机中对MEMS加速度计检测的数据进行采集、分析并形成曲线，同时用示波器MEMS加速度计信号直接测量形成波形曲线。

1) 模拟冲击加速度为170g时冲击过程数据曲线

试验条件：冲击台设定加速度170g，实际冲击台测量输出为166g，X、Y、Z三轴同时采样。一个大格(5个采样点)对应t=100 μs，纵轴对应检测加速度值，如图13、图14所示。

对图13、图14进行分析，示波器抓取MEMS加速度计源输出电压峰值为2.7 V，对应最大加速度180g，平台维持时间40 μs。加速度测量值没有超过设定的阈值185g时，未满足引信作用条件，引信无输出信号。

2) 模拟冲击加速度为200g时冲击过程数据曲线

试验条件：冲击台设定加速度为200g，实际冲击台测量输出为208g，X轴独立采样。一个大格(5个采样点)对应t=100 μs，纵轴对应检测加速度值，如图15、图16所示。

对图15、图16进行分析，示波器抓取MEMS加速度计源输出电压峰值为3.3 V，对应最大加速度200g，平台维持时间80 μs；185g时输出电压为3.165 V，维持时间约120 μs。加速度测量值超过设定的阈值，并满足时间窗要求，满足MEMS加速度计发火指标，引信有输出信号。

3) 模拟冲击加速度为400g时冲击过程数据曲线

试验条件：冲击台设定加速度为400g，实际冲击台测量输出为432g，X轴独立采样。一个大格(5个采样点)对应t=100 μs，纵轴对应检测加速度值，如图17、图18所示。

对图17、图18进行分析，示波器抓取MEMS加速度计源输出电压峰值为3.3 V，对应最大加速度200g，平台维持时间700 μs；加速度测量值变化超过设定的阈值和时间窗，满足MEMS加速度计发火指标，引信有输出信号。

通过上述试验数据，可得出结论，冲击加速度从小到大增加时不但过载值变大，持续时间也会增加。采用的“阈值十时间窗”算法符合导弹撞击目标特征，当冲击加速度大于185g时且15 μs时间窗采样都达到阈值门限能满足导弹撞击目标特征；而当冲击加速度小于185g时，或时间窗达不到设定的宽度(为15 μs)引信不作用，阈值和时间窗双重条件保证引信作用的可靠性[11]。

5.4　飞行试验

为验证MEMS加速度计作为某导到引信的触发发火部件在实弹中作用情况，在某基地参加了引信碰靶试验，MEMS加速度计信号飞行过程的输出波形如图19、图20、图21所示。

MEMS加速度计X轴信号波形变化最大，说明X轴方向受力最大。三幅图表明：MEMS加速度计从引信上电开始，到与目标撞击过程中，除因主发动机点火(时刻0.3 s)和电拔销器作用(约2 s)造成输出电压变化外，无其他触发信号波形。根据上述图可知其波形幅值产生的电压幅值不能达到发火电压输出值，并且因引信发火电路在2 s后才会供电，引信不会因主发动机点火和电拔销器作用造成输出电压变化外产生误动作而发火。

引信起爆信号与MEMS加速度计信号叠加汇总波形见图22所示，其中MEMS加速度计起始信号为1 V，在39.2 s处产生3.5 V输出信号；起爆信号起始为0 V，在39.2 s时输出电压为15 V。

引信起爆信号与MEMS加速度计输出信号重合，起爆信号输出正常，无干扰信号，表明引信MEMS加速度计输出正常，满足引信设计要求。