光致形變效應及其在引信驅動器中的應用

周雪麗，李世中，黃維平，張筱媛

(1.中北大學機電工程學院，太原030051;2.遼沈工業集團有限公司，沈陽110045)

光致形變效應及其在引信驅動器中的應用

周雪麗1，李世中1，黃維平2，張筱媛2

(1.中北大學機電工程學院，太原030051;2.遼沈工業集團有限公司，沈陽110045)

針對傳統引信體積大、可控性差、易受電磁干擾等問題，提出了光驅動的驅動方式;通過對光致形變聚合物材料的光致形變效應研究，提出了將其應用到引信光驅動上的構思及設計方案，實現引信不直接依靠外界環境力，而是利用光致形變聚合物材料在光照下的變形解除保險;光驅動方式具有小型化、可控性好、抗電磁干擾等特點，符合引信更加靈巧化和智能化的發展方向。

引信;光致形變聚合物;光致形變效應;驅動器

基于材料光致形變效應的光驅動器是近幾年才發展起來的。光能是一種對使用環境無要求的可再生能源，且具有清潔、安全、零污染排放、遠程可控性、瞬時性等優異的特性。光驅動方式具有非接觸、快速、精確、易操控、體積小、結構簡單、質量輕、耗能低、傳遞功率大、無噪聲及無電磁干擾等特點，可通過施加不同波長或光照強度的光照來控制驅動力的大小。與電，熱，磁等其他驅動方式相比，光驅動不需要導線、加熱器件、電磁轉換器件等輔助設備，更容易實現結構的微型化［1］。

目前，應用于光驅動器的光致形變材料主要有光致形變聚合物，如光致形變液晶彈性體［2］;光致伸縮鐵磁材料，如PLZT陶瓷材料［3］;硅等半導體材料。本文主要研究光致形變聚合物材料在引信驅動器中的應用，光致形變聚合物材料及其驅動器的研究還處于起步階段，且多為對材料的研究，注重于應用的研究極少。將光致形變聚合物應用于引信驅動器上，具有體積小、結構簡單、可控性好、不易受電磁干擾等特點，對引信技術的微型化具有較大的實用價值。

1 光致形變聚合物的特性

1.1 光致形變聚合物材料的變形機理

光致形變液晶彈性體中的液晶分子具有各向異性排列和協同運動的特點，在外場刺激下，會產生液晶相到各向同性相的轉變，分子的排列也因此出現有序－無序的變化。在含有偶氮苯的液晶體系中，反式偶氮苯在熱力學上處于穩定構象，呈棒狀結構，其形狀與液晶分子相似，對整個液晶體系有著穩定化作用;而經過光異構化反應產生的順式偶氮苯則是彎曲結構，傾向于使整個液晶體系發生取向紊亂。因此，含偶氮苯單元的液晶彈性體在紫外光照射下，引起液晶分子取向度的變化，使液晶彈性體發生宏觀收縮，這種由液晶體系的相變所產生的形變一般都是雙向可控的［4］。

1.2 光致形變聚合物材料與光照的關系

復旦大學的俞燕蕾和東京工業大學的Ikeda(池田富樹)等首先報道了含有偶氮苯的液晶彈性體薄膜的三維彎曲運動。Ikeda等發現具有平行取向偶氮苯介晶基元的薄膜在360 nm的紫外光的照射下會沿著液晶基元的排列方向朝著人射光發生彎曲，用540 nm的可見光照射后薄膜恢復到最初的平展狀態;相反，垂直取向的液晶彈性體薄膜則是背著入射光方向彎曲的。

Ikeda和俞燕蕾等通過進一步研究精確控制了膜的彎曲方向，如圖1所示。通過改變偏振光的入射方向精確控制了膜的彎曲方向，實現膜的反復卷曲和復原。光致形變聚合物材料變形量大，光致伸縮的實驗值已達20%，理論值可達400%，且材料易成型，可加工成柔性薄膜，從而提高了其作為驅動器新材料的可能性［5］。

圖1 多疇液晶彈性體在不同方向偏振光照射下的彎曲行為

1.3 光致形變聚合物在引信驅動器上的應用特點

從光驅動方式的優勢來看，它的許多優點滿足了引信安全系統的性能要求。與其他驅動方式相比，光驅動的引信安全與解除保險機構具有以下特點:遠程可控性好，無需加熱器件、電磁轉換器件等輔助設備;結構簡單，體積小，更利于實現引信結構的微小型化;驅動電壓較低，只需點亮發光二極管即可實現相應執行元件動作;不易受電磁、熱等外界干擾影響，保證了引信作用的精確性。

2 引信驅動器原理

傳統的機械式引信一般是利用后坐力、離心力等外界環境力來完成相應的動作，感知外界環境信息和執行動作要靠同一裝置完成。機電式引信的出現使得引信探測控制部分和執行動作部分相互分離開來，大大提高了引信作用的可靠性。各種新技術在引信中的應用及在此基礎上的不斷拓展創新為引信精密驅動技術的融入和應用提供了可行性的基礎。

近年來，新型引信驅動器成為研究熱點，發展較迅速。當前，基于功能材料的驅動器趨于小型化和實用化。目前，有多種工作原理和結構形式的引信驅動器，如機械力驅動、火藥驅動、電磁驅動、電熱驅動、形狀記憶合金驅動、壓電驅動、超聲波驅動、靜電驅動等。

2.1 機械力驅動

在引信安全系統中最常用的慣性力是后坐力和離心力。圖2所示為利用后坐力和離心力驅動的典型引信安全和解除保險機構。

圖2 機械力驅動安全與解除保險機構示意圖

該機構的工作過程:彈丸發射時質量塊1在后坐力作用下帶動延時滑塊5沿滑塊軌道架3向下做曲折運動，通過齒間碰撞達到延時的目的;延時滑塊5運動到位后將安全保險銷11推離安全凸塊15，從而釋放滑塊17;滑塊17在離心力作用下向左運動到止動滑塊23，此時，傳爆序列對正;隨著出炮口后坐力減小，彈簧13將安全保險銷11推到自鎖凸塊25形成自鎖，完成安全解除保險過程［6］。

2.2 電火藥驅動

電火藥驅動器是一種通過電能點燃火藥，并利用火藥燃氣的推動力做功的火工品，驅動力和驅動位移大，響應速度快，是MEMS安全系統中常用的解保方式。典型應用如美國OICW20mm高爆榴彈引信MEMS安全系統中的搖桿鎖命令微作動器，其作用過程如圖3所示。

平時狀態下，離心滑塊被后坐滑塊和搖桿鎖卡住，不能運動;彈丸發射后，后坐滑塊在后坐力作用下解除第一道保險，達到預定條件時，引信電路發出解除保險信號，使電火藥作用并推動活塞向下運動，解除對離心滑塊的約束;離心滑塊在離心力作用下運動到位，使引信處于解除保險狀態［7］。

圖3 電火藥驅動作用過程

2.3 電磁驅動

在微機電引信研究設計領域中，美國掌握著最前沿的技術。在2006年提出的美國專利設計［8］中，利用電磁驅動器產生的電磁力來解除保險，使微機電安全與解除保險裝置的設計取得了階段性的成果。電磁驅動引信安全系統的隔爆機構如圖4所示。

圖4 電磁驅動隔爆機構

該裝置為平行基板式引信安全與解除保險裝置，適于非旋轉彈及微旋彈。電磁驅動引信安全與解除保險裝置的作用過程:彈丸發射后，鎖銷電磁驅動器接收到傳感器傳來的解除保險信號，兩側的電磁驅動器通電，鎖銷在驅動器與鎖銷磁體孔中的磁體相互作用產生的電磁力作用下開始動作，從保險卡槽中退出。當預定的延時時間結束后，滑塊電磁驅動器通電，與滑塊磁體相互作用，滑塊受電磁力，向下運動到解除保險位置。隨后，鎖銷電磁驅動器斷電，鎖銷在鎖銷彈簧的恢復力作用下，運動到兩側解除保險卡槽中，將滑塊鎖定在解除保險位置，此時傳爆序列對正，引信處于解除保險狀態。

2.4 電熱驅動

電熱驅動器是利用微結構通電發熱產生的熱應力而工作的。在電熱驅動器所有類型中，U型梁電熱驅動器和V型梁電熱驅動器的應用最為廣泛。U型梁的熱臂和冷臂由具有相同膨脹系數的同種材料加工而成，當驅動器通電時，熱臂上的膨脹率遠大于冷臂，使驅動器熱臂向冷臂方向發生彎曲。對于V型梁電熱驅動器，在驅動器的兩個固定端施加電壓，由熱量產生的膨脹使懸臂梁相互推擠而產生驅動力和驅動位移［9］。

3 基于光致形變的引信驅動器方案

基于光致形變材料的光驅動器在微型開關、引信安保機構等方面都有著良好的發展優勢，通過對光致形變聚合物的研究，可將其應用到引信驅動上。現以其在引信保險機構中的應用為例，提出引信驅動器的設計方案。

3.1 基于微型滑塊隔爆機構的設計方案

引信滑塊隔爆機構具有結構小巧、保險與解除保險可靠等優點，在引信安全系統安全與解除保險裝置中得到廣泛應用。將光致形變聚合物應用到引信滑塊隔爆機構上的方案如圖5所示。

圖5 引信滑塊隔爆機構示意圖

平常狀態時，鎖銷卡在保險卡槽中，滑塊彈簧處于預壓狀態，鎖銷彈簧處于原始狀態，能夠確保引信在運輸及勤務處理條件下震動和跌落未解除保險。彈丸發射后，傳感器檢測到解除保險信號，并傳給光驅動器，光驅動器通電。光驅動器由具有光致形變特性的高分子聚合物制造而成，其一端通過連接臂與鎖銷連接。通電后，發光二極管點亮，光驅動器朝著入射光方向發生彎曲，帶動鎖銷退出保險卡槽，解除對滑塊的約束，滑塊在滑塊彈簧的作用下向下運動到位，此時，傳爆序列對正。隨后光驅動器斷電，鎖銷在鎖銷彈簧的拉力下運動到解除保險卡槽，完成了安全解除保險過程。

將光驅動應用到滑塊隔爆機構的思路來源于參考方案中的電磁驅動。針對電磁驅動引信結構體積較大，線圈加工較困難，能耗大且容易產生電磁干擾，基于光致形變聚合物材料的特性，可在上述電磁驅動引信隔爆機構基礎上完成基于光致形變聚合物材料的引信保險機構的光驅動器設計。

3.2 基于球轉子隔爆機構的設計方案

球轉子機構也是一種典型的引信保險機構，具有結構簡單、體積小、便于加工制造等優點，能實現引信平時狀態時的安全及發射時的可靠解除保險，且簡單易行。將光致形變聚合物應用到引信球轉子隔爆機構上的方案如圖6所示。

該結構由定位銷、導向槽、裝有雷管的球轉子、鎖銷等組成，其中連接鎖銷的連接桿是由光致形變材料制成。平時擊針尖與裝有雷管的球轉子的慣性主軸錯開一定角度，球轉子被左右鎖銷卡住而不能轉動，保證了勤務處理的安全，此時，引信處于安全隔爆狀態。彈丸發射時，光驅動器收到傳感器傳來的解除保險信號通電動作。連接桿在發光二極管作用下彎曲，將鎖銷從球轉子卡槽中拔出，解除對球轉子的約束。球轉子在離心力作用下沿導向槽轉動，直到球轉子主軸與引信軸線對正，此時定位銷將球轉子固定在解除保險位置，引信解除保險。

圖6 引信球轉子隔爆機構

4 結論

對光致形變聚合物材料進行性能研究，并將其應用到引信安全與解除保險機構上，滿足了現代引信設計的要求，適應了引信不斷小型化的發展方向。本文提出了將光驅動應用到引信滑塊隔爆機構和球轉子隔爆機構上的設計方案。但是，目前將光致形變聚合物應用到引信驅動上屬于一個新的課題，還有很多問題需要解決。如光致形變材料變形量與光照波長，光照強度的關系;引信惡劣工作環境下，封裝結構的各個部分在高沖擊后能否承受高過載而保持物理結構不變，光驅動引信能否正常解除保險;光驅動器與隔爆機構的精密裝配技術;實現引信安全系統保險解除控制技術等。

［1］陳茂林，劉釗，岳濤.光致形變聚合物材料馬達光驅動的變形能分析［J］.材料科學與工程學報，2010，28(2): 1－2.

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［3］葉飛，黃學良.基于新型光電材料PLZT的光電機構設計和應用研究［J］.功能材料，2007(S):396－397.

［4］俞燕蕾，劉玉云.光致形變液晶彈性體的研究進展［J］.自然雜志，2012，35(2):127－128.

［5］楊衛祥，朱玉田，符星球.光致彎曲驅動曲梁的撓曲線方程求解［J］.現代制造工程，2010，32(4):115－115.

［6］王士偉，郝永平，張德智等.基于MEMS的引信保險機構綜合分析［J］.探測與控制學報，2006，28(6):56－56.

［7］劉加凱，齊杏林.MEMS安全系統的解除保險方式［J］.探測與控制學報，2012，34(6):23－23.

［8］李啟磊.MEMS引信安全與解除保險裝置的結構設計［D］.南京:南京理工大學，2009.

［9］李艷嬌.微機電引信安全與解除保險裝置結構設計［D］.南京:南京理工大學，2010.

(責任編輯周江川)

Light Deformation Effect and Its Application in Fuze Drives

ZHOU Xue－li1，LIShi－zhong1，HUANGWei－ping2，ZHANG Xiao－yuan2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Zhongbei University，Taiyuan 030051，China; 2.Liaoshen Industrial Group Co.LTD，Shenyang 110045，China)

Focused on the big traditional fuze，poor controllability，vulnerable to electromagnetic interference and other issues，the light drivemode were proposed.According to the research for the light deformation effect of light deformation polymermaterials，the conception and designing scheme that applied it to the fuze optical driveswere put forward.It realizes that fuze does not directly depend on the external environment，but using the deformation of light deformation polymermaterials in the light to remove insurance.With characteristics ofminiaturization，good controllability，resistance to electromagnetic interference，the photic driving accordswith the development direction of smart and intelligent fuze.

fuze;light deformation polymermaterials;light deformation effect;drive

:A

1006－0707(2014)07－0017－04

format:ZHOU Xue－li，LIShi－zhong，HUANGWei－ping，et al.Light Deformation Effect and Its Application in Fuze Drives［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):17－20.

本文引用格式:周雪麗，李世中，黃維平，等.光致形變效應及其在引信驅動器中的應用［J］.四川兵工學報，2014(7): 17－20.

10.11809/scbgxb2014.07.006

2014－02－03

周雪麗(1989—)，女，碩士研究生，主要從事機械電子工程研究。

TJ430.33