MEMS引信安全系统用火工作动器特性分析

2021-02-23耿万钧孙兴昀梁安定

兵器装备工程学报 2021年1期

关键词：作动器滑块药剂

耿万钧,孙兴昀,严楠,梁安定

(1.西安近代化学研究所，西安 710065； 2.北京理工大学，北京 100081)

MEMS引信安全系统具有体积小、质量轻等优点，在降低尺寸及质量、减少零件数、提高集成化等方面相比传统引信安全系统有明显优势，是引信实现灵巧小型化和信息智能化的关键技术[1-2]，图1为国内外小尺寸MEMS引信安全系统零部件实物。

本文从典型的MEMS引信安全系统的作用原理和结构组成总结分析了MEMS引信用火工作动器的功能特性和作用原理，提出了MEMS引信用火工作动器设计的关键问题。

1 MEMS引信安全系统

1.1 MEMS引信用作动器特点

引信的安全系统主要包括隔爆机构、延期解除保险机构、保险机构、安全与解除保险电路和自炸机构等[3]。

图1 国内外小尺寸MEMS引信安全系统零部件实物

作动器是安全系统实现安全解除保险功能的重要组成部分，其主要作用是通过做功辅助实现安全系统的解除保险。用于MEMS安全系统的作动器从驱动能量角度区分主要包括电驱动、形状记忆驱动、热变形驱动和火工药剂驱动，非火工药剂驱动类的作动器应用于引信MEMS安全系统中时存在以下问题：

1) 启动电压偏高。目前研究的电驱动作动器需要在大于十几伏的电压条件下才能够正常工作[4-6]，会给引信系统的供电带来较大负担，而利用火工药剂驱动的作动器的发火电压可以低于5 V[7]。

2) 响应时间较长。形状记忆驱动和热变形驱动的作动器响应时间较长，达到几百毫秒[8-9]，难以满足部分MEMS引信安全系统快速解保的时间要求；而火工药剂驱动的作动器的作用完成时间仅需要几个毫秒[10]。

3) 作动距离小。用于小口径弹药引信的电磁作动器作动距离在mm级以下[4-5]；而火工药剂驱动的作动器的作动距离可达到10 mm以上[11]。

火工药剂驱动的作动器可称为火工作动器，具有结构简单、能量消耗小、响应时间短输出能量高的特点，通过小型化、集成化设计，引信与微小火工品相互匹配，满足引信的使用环境，适用于多种MEMS引信安全系统[12]。

1.2 典型MEMS引信作动器工作原理

Tu Hongmao设计了一种MEMS引信安全系统[13]，见图2，作动器作用如下：弹药发射后，电推销作动器(图中4#)作用，解除安全锁(图中7#)，隔爆滑块在环境力作用下移动到解除保险位置。

图2 小尺寸MEMS引信安全系统

Charles H.Robinson等在专利中介绍了一种用于榴弹MEMS引信的安全系统[14]，见图3，作动器作用如下：在弹药发射到预定解除保险位置时，膨胀式作动器(图中14#)中的火工药剂燃烧产生的气体使弹性材料膨胀并推动旋转锁，释放保险滑块。

图3 小口径榴弹MEMS引信安全系统

李国中设计了一种小口径弹药MEMS引信安全系统[10]，见图4，作动器作用如下：发射前，火工作动器的滑动平板销下端作为安全锁插入到隔爆滑块的凹槽内；发射后火工作动器点火，滑动平板销向上运动，滑动平板销的上端推动后续机构运动解锁，滑动平板销的下端解除对隔爆滑块的保险。

图4 单兵小口径弹药MEMS引信安全系统示意图

Hélène Pezous等介绍了一种体积约1 cm3的集成一体化MEMS引信安全系统，此安全系统是整体式滑块式火工作动器[15]，见图5，作动器作用如下：弹药发射时，惯性销从隔爆滑块中拔出，装药发火产生的气体产物推动隔爆滑块移动到解保险位置。

图5 集成一体化MEMS引信安全系统

Nan Yan设计了一种可作为安保机构的平板式火工作动器[16]，如图6所示，作动器作用如下：装有片状传爆药的平板被过盈配合结构限制在安全位置；弹药发射后，装药发火，气体产物推动平板克服过盈配合结构的摩擦阻力移动到解除保险位置，此时滑块上的片状传爆药恰好位于微型雷管和受主装药之间，平板式火工作动器安保机构处于解除保险状态。

2 火工作动器的功能特性分析

GJB373A—97《引信安全性设计准则》中对引信安全保险系统的定义为：“用来防止引信在感受到预定的发射环境并完成延期解除保险之前解除保险(启动)和作用的各种装置(如环境敏感装置、发射动作敏感装置、指令动作装置、可动关键件或逻辑网络，以及传火序列的隔火件或传爆序列的隔爆件)的组合”。应用于安全系统的火工作动器就属于该定义中的指令动作装置。

图6 平板式作动器及安全解保险原理示意图

不同工作原理的MEMS引信安全系统对火工作动器的功能要求差别很大，通过分析国内外MEMS安全保险系统工作原理可以得出火工作动器在MEMS引信安全系统中的功能主要包括以下3种：① 辅助解除安保机构的安全锁，这是火工作动器在小口径弹药MEMS引信中的重要应用形式，主要为推销式火工品；② 作为安保机构的安全锁，主要为拔销式火工品；③ 作为安保机构的隔爆机构并能够通过自身作用实现安全与解除保险功能，主要为滑块作动式火工品。

3 火工作动器的作用原理分析

火工作动器有如下特征：① 包含若干机械部件，其中某些机械部件最终能够产生一定动作效果；② 火工药剂生产高温高压气体产物驱动机械部件产生特定方向和形式的运动。火工作动器的最终效果就是将火工药剂的化学能转换为执行机构的机械运动。

从MEMS引信安全系统中的火工作动器的作用原理看，可以将其分为两大类：输出做功类火工作动器和执行动作类火工作动器。

3.1 输出做功类火工作动器

输出做功类火工作动器是通过执行机构的机械运动对其他机械部件做功，在MEMS引信安全系统中的主要功能是辅助解除安全锁。

输出做功类火工作动器以推销(活塞销)式为典型设计，如文献[10-11,13,17-18]，典型的活塞式火工作动器解锁设计MEMS引信安全系统[17-18]见图7。推销式火工作动器的基工作原理为：活塞销和火工药剂装在一个密闭的空间内，换能元点燃火工药剂，气体产物推动活塞销沿着某一方向运动，推动安全锁产生位移或者变形破坏等，图8为推销式火工作动器实物。

图7 活塞式火工作动器解锁设计MEMS引信安全系统

图8 推销式火工作动器实物图

另外还有膨胀式作动器,如文献[14,19],典型的膨胀式火工作动器解锁设计MEMS引信安全系统[19]见图9。其作用原理如下：火工药剂装在一个密闭的腔体中，其中腔体的一个面为与腔体密封相连的弹性薄膜，换能元点燃火工药剂，气体产物使弹性薄膜膨胀，推动安全锁产生位移。

图9 膨胀式火工作动器解锁设计MEMS引信安全系统

图10 膨胀式火工作动器示意图

3.2 执行动作类火工作动器

执行动作类火工作动器的特征是作用过程没有向外界的能量传递，在MEMS引信安全系统中的主要功能是通过自身执行机构的机械运动实现安全锁解锁或隔爆机构运动到解保险位置。

拔销式火工作动器是典型的可作为MEMS引信安全系统安全锁的执行动作类火工作动器,典型的拔销式火工安全锁设计MEMS引信安全系统[20]见图11。作为MEMS安全保险系统的安全锁，解除保险原理如下：保险状态时，销子伸出部分卡住并限制隔爆件的移动；解除保险时，销子拔回，解除对隔爆机构的限制，隔爆机构能够移动到解保险位置，图12为有拔销功能的火工作动器实物。

图11 拔销式火工作动器安全锁设计MEMS引信安全系统作用前作用后

图12 有拔销功能的火工作动器实物图

滑块式火工作动器是典型的能够作为MEMS引信隔爆机构的执行动作类火工作动器，如文献[15-16]。作为MEMS安全保险系统的隔爆机构，解除保险原理如下：保险状态时，作为隔爆机构的滑块位于保险位置并被限位结构锁定；解除保险时，换能元点燃火工药剂，气体产物推动滑块克服限位结构的阻力，运动到解保险位置，安全系统解除保险，图13为滑块式火工作动器实物。

图13 滑块式火工作动器实物

4 MEMS引信用火工作动器设计关键

1) 尺寸小型化设计

MEMS技术最大的特点就是加工尺寸已经达到微米乃至亚微米量级，MEMS引信安全系统具有体积小特点，小型化设计是MEMS引信用火工作动器的首要的问题，其核心器件尺度为亚毫米量级，系统尺度为毫米量级，典型结构设计、典型作用原理的火工作动器可能在毫米级小尺寸下难以实现，这就要求设计人员必须突破常规，探索新的结构、新的作用原理。

2) 限位结构设计

火工作动器的作用效果是执行机构产生特定的机械运动，执行机构在发火前应被锁定在初始位置、发火后执行机构运动到位后应被锁定在最终位置，保证火工作动器的作用可靠性，因此，MEMS引信用火工作动器的结构设计上必须对执行机构的限位结构做出相应的考虑，如过盈配合结构、可移动锁销结构等。

3) 低发火能量换能元设计

MEMS引信体积的减小迫切要求其供电系统相应的减小，电源的小型化使得其可提供的能量非常有限。火工作动器的火工药剂需要的换能元的刺激实现起爆，所以微型的、低能量的、可靠的换能元是MEMS引信用火工作动器的迫切需求，利用半导体桥、金属薄膜换能元等新型起爆技术，起爆电压可以小于5 V。

4) 低装药量设计

从整个MEMS引信系统来讲，系统中的火工作动器先于引信的传爆序列作用，其药量越少，对MEMS引信系统的影响就会降到越小，通过相关文献资料调研分析，应用于MEMS引信系统的火工作动器装药量设计应为mg量级。