微小型起爆序列初步設(shè)計與性能研究

解瑞珍, 李黎明, 劉蘭, 任小明, 薛艷

( 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點實驗室， 陜西 西安 710061)

微小型起爆序列初步設(shè)計與性能研究

解瑞珍, 李黎明, 劉蘭, 任小明, 薛艷

( 陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點實驗室， 陜西 西安 710061)

為適應(yīng)引信微小型化發(fā)展的需求，采用基于微機電系統(tǒng)工藝技術(shù)，開展微小型起爆序列的設(shè)計及性能測試研究。起爆序列初步集成了引信安全與解除保險及發(fā)火功能，體積為3 cm3；該結(jié)構(gòu)包括底層、中間層和頂層，其中底層包括隔斷單元和傳爆藥裝藥，中間層由微雷管和硅基煙火微驅(qū)動器構(gòu)成，頂層為信息控制電路。測試結(jié)果表明，微小型起爆序列實現(xiàn)了解除保險、安全隔爆與可靠傳爆的功能，平均輸出爆轟壓力為10.85 GPa.

兵器科學(xué)與技術(shù)； 火工品； 微起爆序列； 微雷管； 煙火微驅(qū)動器； 輸出壓力

0 引言

引信體積的減小使彈藥有更多的空間容納多傳感器探測電路和戰(zhàn)斗部裝藥，提高彈藥對信息的利用水平，使得彈藥具有更大的致死空間和更高的目標摧毀效力，同時有利于彈藥的信息化、智能化發(fā)展。引信小型化的重要途徑是采用微機電(MEMS)系統(tǒng)技術(shù)，其比較小的特征尺寸提供了降低質(zhì)量與體積的優(yōu)勢。美國的MEMS安全保險裝置的研究一直處于世界的領(lǐng)先水平，美軍在單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)(OICW)空炸引信中采用MEMS安全系統(tǒng)，在導(dǎo)彈中大量采用全電子安全系統(tǒng)，在魚雷引信中采用微光機電安全系統(tǒng)，在有限的引信體積內(nèi)實現(xiàn)了引信功能的拓展,滿足了武器彈藥系統(tǒng)的精確打擊、高效毀傷等功能要求[1-3]。美國在致力安全系統(tǒng)微小型化研究的同時,火工品技術(shù)微小型化也帶到了越來越多的關(guān)注[4]。2010年美國海軍水面武器中心(NSWC)的Daniel博士介紹了一種MEMS微小型起爆系統(tǒng)，該系統(tǒng)的起爆元件直徑為2 mm，厚度0.5 mm，采用錯位式結(jié)構(gòu)。該微起爆系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于美國海軍陸戰(zhàn)隊用81 mm城市精確打擊迫擊炮彈藥中，并且在2014年進行了實彈演示驗證試驗[5]。2015年美國卡曼公司為40 mm榴彈研制的MEMS引信，采用強度極高的鎳- 鈷合金，通過層層疊加工藝制造。該引信中爆炸序列的初級裝藥為斯蒂芬酸鉛，疊氮化鉛裝填在安保滑塊上；安全狀態(tài)下，斯蒂芬酸鉛與疊氮化鉛錯開，解除保險后，斯蒂芬酸鉛與疊氮化鉛裝藥正對，爆轟通道形成，傳爆藥裝藥采用的是HNS. 該引信的設(shè)計符合美國軍用標準MIL-STD-1316E的要求，技術(shù)成熟度為6級[6]。2016年美國NSWC和軍備研究、開發(fā)與工程中心(ARDEC)開展了基于James起爆判據(jù)的MEMS引信的起傳爆序列可靠性評估研究[7]。國內(nèi)文獻[8-12]針對引信技術(shù)的小型化發(fā)展，開展了微起爆序列相關(guān)技術(shù)的研究，如微橋膜換能元，微雷管、微納結(jié)構(gòu)含能材料等技術(shù)的研究，并且獲得了一定的階段性成果，但是就整個起爆序列的設(shè)計、集成與性能測試的研究，還沒有相關(guān)的研究報道。

本文在微雷管、微驅(qū)動器技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將信息控制電路、微雷管、煙火微驅(qū)動器、隔斷單元、傳爆藥裝藥集成，完成微小型起爆序列設(shè)計與制作，并且對其性能進行了測試。

1 微小型起爆序列的結(jié)構(gòu)組成及原理分析

設(shè)計的微小型起爆序列原理示意圖如圖1所示，由控制電路、煙火微驅(qū)動器、隔斷單元、微雷管、傳爆藥裝藥等組成，集成了安全與解除保險及發(fā)火功能，體積為3 cm3. 序列結(jié)構(gòu)包括底層、中間層和頂層，其中底層包括隔斷單元和傳爆藥裝藥，中間層由微雷管和硅基煙火微驅(qū)動器構(gòu)成，頂層為信息控制電路。

圖1 微小型起爆序列原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of micro initiation train

微小型起爆序列工作過程示意圖如圖2所示。在安全模式下，隔斷單元隔開了微雷管和傳爆藥裝藥。當(dāng)信息控制電路識別到解除保險信號后，解除保險即煙火微驅(qū)動器作用，驅(qū)動隔斷單元移動至設(shè)計位置，使得微雷管、隔斷單元上的裝藥、傳爆藥裝藥對正，形成爆轟通道。信息控制電路得到發(fā)火信號后，給微雷管提供發(fā)火能量，微雷管作用，完成起爆功能。由于微雷管裝藥尺寸小，裝藥量少，采用了微雷管驅(qū)動飛片經(jīng)加速膛起爆隔斷單元上裝藥的設(shè)計，以保證序列在小尺寸裝藥條件下爆轟的可靠傳遞。

圖2 微小型起爆序列工作過程示意圖Fig.2 Working process of micro initiation train

經(jīng)試驗研究，飛片材料優(yōu)選了Ti，厚度為20 μm，加速膛尺寸優(yōu)選了φ1.0 mm×1.0 mm，加速膛材料為硅。隔斷單元上裝藥優(yōu)選了六硝基雜異伍茲烷(CL-20)，平均粒徑為0.5 μm，裝藥尺寸為φ1.5 mm×1.0 mm，裝藥密度為1.5 g/cm3. 傳爆藥裝藥優(yōu)選了JO-9C，裝藥尺寸為φ2.4 mm×3.0 mm，裝藥密度為1.5 g/cm3.

微雷管由Prex7740玻璃襯底、制作在玻璃襯底上的Ni-Cr橋膜換能元、含有裝藥腔體的硅片層以及含能材料構(gòu)成。制作工藝流程大致為在Prex7740玻璃襯底上采用濺射、光刻、腐蝕等工藝完成Ni-Cr橋膜換能元的制作。選擇雙面拋光硅片，采用深硅

刻蝕工藝完成裝藥腔體的制作，將含有換能元的Prex7740玻璃襯底與含有裝藥腔體的硅片鍵合在一起。劃片后完成單個微雷管的結(jié)構(gòu)制作，最后在微雷管的裝藥腔體中進行納米多孔疊氮化銅的原位生成。Ni-Cr橋膜換能元橋區(qū)尺寸0.15 mm×0.15 mm，平均電阻值為4.8 Ω；裝藥腔體尺寸為φ1.0 mm×1.0 mm，平均裝藥密度1.93 g/cm3.

煙火微驅(qū)動器與微雷管的結(jié)構(gòu)與制作工藝相同，其作用原理為焦耳熱點火后，含能材料分解產(chǎn)生熱的氣體增加了微驅(qū)動腔體內(nèi)的壓力，從而使隔斷單元從安全位置移動至解除保險位置。因此微驅(qū)動器裝藥選擇了發(fā)火感度敏感，產(chǎn)氣量較高的4,6-二硝基-7-腈-7-羥基氧化呋咱鉀(KDNBF)。通過不同裝藥尺寸、不同裝藥量等條件下，煙火微驅(qū)動器驅(qū)動滑塊的運動規(guī)律研究，微驅(qū)動器的裝藥尺寸優(yōu)選了φ1.5 mm×1.0 mm，裝藥量為2 mg.

微驅(qū)動器與微雷管的照片如圖3所示，微驅(qū)動器與微雷管的尺寸均為3.0 mm(長)×3.0 mm(寬)×1.5 mm(高)，通過引線鍵合的方式與信息控制電路集成在一起。

圖3 微雷管與煙火微驅(qū)動器照片F(xiàn)ig.3 Photographs of micro-detonator and micro-actuator

信息控制電路的設(shè)計采用專用集成電路芯片完成對信息的編碼和識別，并根據(jù)信息碼完成解除保險和起爆的控制。主要由通信接口、電源管理電路與整流電路、信息識別電路、隔離電路、邏輯控制電路、非易失性存儲器、時鐘電路、復(fù)位電路等組成。電路原理圖如圖4所示。

圖4 控制電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of control circuit

控制電路信息編碼及識別協(xié)議設(shè)計，采用可尋址總線協(xié)議設(shè)計，主要進行起爆序列和總線控制器協(xié)議的設(shè)計，采用485總線物理層，設(shè)計總線的應(yīng)用層，包括總線發(fā)送接收協(xié)議；采用CRC校驗進行總線的差錯控制；根據(jù)起爆命令方式，制定出協(xié)議控制命令；在保證協(xié)議正確完備的基礎(chǔ)上，提高總線的速率。采用主從式應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即在總線控制器協(xié)議命令的控制下，微雷管根據(jù)協(xié)議命令，返回命令執(zhí)行后的結(jié)果。

根據(jù)起爆序列的系統(tǒng)設(shè)置，協(xié)議命令可以分為以下兩類：總線控制器到微雷管協(xié)議命令和微雷管到總線控制器協(xié)議命令。總線控制器發(fā)送給微雷管典型命令有：充電；起爆；充電開關(guān)、發(fā)火開關(guān)和泄放開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控；微雷管狀態(tài)檢測；發(fā)火電容充電電壓檢測；數(shù)據(jù)通訊自測；查詢微雷管地址等。除了常規(guī)命令之外，還有針對特定節(jié)點組的廣播命令。典型的廣播指令是所有節(jié)點的充電和起爆命令。

信息控制電路可以識別4位起爆信號，起爆電壓為8～27 V，兩路發(fā)火電容20 μF.

控制電路、煙火微驅(qū)動器、隔斷單元、微雷管、傳爆藥裝藥等集成的微小型起爆序列原理樣機照片如圖5所示，直徑為18 mm，高度為11.8 mm,體積為3 cm3.

圖5 微小型起爆序列照片F(xiàn)ig.5 Photographs of micro initiation train

2 微小型起爆序列的性能測試及結(jié)果分析

2.1 微小型起爆序列的功能測試

微小型起爆序列4位編碼信號的寫入與讀取，由微控制器采樣總線轉(zhuǎn)換器輸入的通信信號，并對采樣的編碼進行比對，如果是自己的編碼信號，則執(zhí)行發(fā)火控制，否則，拒絕執(zhí)行發(fā)火命令。發(fā)火控制電路，采用兩路獨立控制放電模式，分別完成解除保險和起爆。

微小型起爆序列可以識別4位信號的功能測試如下：1)打開通信端口，進行通信檢測；2)寫入編碼信號，如圖6(a)所示；3)讀取編碼信號，如果與寫入的編碼信號一致，則完成編碼的識別，結(jié)果圖6(b)所示。

圖6 微小型起爆序列信息識別功能測試Fig.6 Information identification function test of micro initiation train

從圖6中試驗測試結(jié)果可以看出微起爆序列可以識別4位信號。

對微小型起爆序列進行了功能測試，在安全模式下，微雷管驅(qū)動飛片經(jīng)加速膛，傳爆藥裝藥沒有作用，實現(xiàn)了安全隔爆的功能。當(dāng)控制電路識別起爆信號后，微驅(qū)動器驅(qū)動隔斷單元移動至預(yù)定位置，使得微雷管、隔斷單元上的裝藥、傳爆藥裝藥對正，實現(xiàn)解除保險功能。微雷管發(fā)火后驅(qū)動飛片起爆隔斷單元上的裝藥，進而起爆傳爆藥裝藥，實現(xiàn)了序列的起爆功能。具體如表1所示。

2.2 微小型起爆序列直流感度與安全電流測試

依據(jù)國家軍用標準GJB/Z377A—1994 感度試驗用數(shù)理統(tǒng)計方法規(guī)定的感度試驗方法：蘭利法，對微起爆序列的直流發(fā)火感度進行了測試。選用的發(fā)火電源的電流分辨率為0.1 mA，試驗數(shù)據(jù)分布假設(shè)為正態(tài)分布，試驗結(jié)果的標準差不做修正。微起爆序列直流發(fā)火感度測試用電路原理圖如圖7所示，試驗結(jié)果如表2所示，經(jīng)計算平均發(fā)火電流203.2 mA，標準差7.9 mA. 對沒有發(fā)火的樣品的電阻進行測試，其中195.3 mA、202.9 mA、195 mA、196.6 mA的直流感度測試試驗后，電阻明顯增大。187.5 mA電流作用后，電阻由原來的4.5 Ω變成了5.4 Ω. 173.6 mA及小于173.6 mA的電流作用后，電阻不變。

表1 微起爆序列原理樣機功能測試結(jié)果Tab.1 Function test results of micro initiation train

圖7 直流發(fā)火感度測試用電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of DC sensitivity test circuit

表2 微起爆序列直流發(fā)火感度測試結(jié)果Tab.2 DC sensitivity test results of micro initiation train

采用恒流源對微小型起爆序列的安全電流進行測試，測試電路原理圖如圖7所示。給微小型起爆序列通以直流100 mA，通電5 min，樣品全部沒有出現(xiàn)發(fā)火或換能元橋區(qū)熔斷的現(xiàn)象，且電阻值保持不變。安全電流測試完畢后，對做過安全電流測試的微小型起爆序列進行發(fā)火測試，結(jié)果如表3所示。

表3 微小型起爆序列安流測試結(jié)果Tab.3 Test results of safety current of micro initiation train

從表2和表3可以看出，微小型起爆序列屬于敏感火工品，在感應(yīng)100 mA電流的情況下是安全的。

2.3 微小型起爆序列輸出性能測試

考慮到微小尺寸裝藥的特點和爆轟波傳遞的特征，采用了阻抗匹配法關(guān)聯(lián)界面壓力與爆壓，通過測量界面中的壓力，換算爆壓。錳銅壓阻傳感器測壓原理是微小尺度裝藥爆轟波是典型的二維定常流動，其中爆轟波以穩(wěn)定的速度傳播，但波形呈曲面，波陣面壓力在中心處最大，并沿徑向衰減，呈軸向?qū)ΨQ分布。根據(jù)微尺度炸藥裝藥爆轟壓力的定義，爆轟波陣面的最大壓力為裝藥的爆轟壓力。因此微尺度裝藥的爆壓是曲面爆壓波陣面中心處的壓力，本方法采用阻抗匹配法關(guān)聯(lián)界面壓力與爆壓，通過測量界面中心的壓力，換算爆壓。

采用錳銅壓力傳感器，設(shè)計制作專用試驗工裝，對微起爆序列進行輸出壓力測試。試驗用測試系統(tǒng)由錳銅壓阻傳感器、數(shù)字示波器、小型爆炸容器、多通道高速同步脈沖恒流源等組成。測試系統(tǒng)連接框圖如圖8，測試系統(tǒng)照片如圖9所示。

圖8 測試系統(tǒng)連接框圖Fig.8 Connection diagram of test system

圖9 測試系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.9 Photograph of test system

示波器主要性能指標：分辨率優(yōu)于8 bit，采樣率不低于1×108s-1，記錄時間大于10 μs，至少有2個通道。微起爆序列在小型爆炸容器中的連接示意圖如圖10所示。

圖10 微起爆序列測試連接圖Fig.10 Test connection diagram of micro initiation train

微起爆序列爆壓測試的典型示波器圖如圖11所示，V0為傳感器在恒流下的電壓值；ΔV為動態(tài)壓力作用下電壓的增加值。測試結(jié)果如表4所示，平均輸出壓力為10.85 GPa.

圖11 微起爆序列爆壓測試的曲線圖Fig.11 Output pressure curves of micro initiation train

表4 微小型起爆序列輸出壓力測試結(jié)果Tab.4 Output pressure test result of micro initiation train

從表4中可以看出，微小型起爆序列的輸出壓力具備起爆引信爆炸序列HMX基裝藥的能力。

3 結(jié)論

本文設(shè)計制作了由信息控制電路、微雷管、煙火微驅(qū)動器、隔斷單元、傳爆藥等構(gòu)成的微小型起爆序列。其中微雷管、煙火微驅(qū)動器制作基于MEMS工藝技術(shù)，實現(xiàn)了芯片化設(shè)計，提高產(chǎn)品性能一致性的同時，使火工品制造手段的升級換代成為可能，

微小型起爆序列集成了安保及發(fā)火功能，體積為3 cm3，其結(jié)構(gòu)包括底層、中間層和頂層。底層包括隔斷單元和傳爆藥裝藥，中間層由微雷管和硅基煙火微驅(qū)動器構(gòu)成，頂層為信息控制電路。形成了原理樣機，拓展了火工品的功能，也是未來引信技術(shù)信息化發(fā)展的需求。

微小型起爆序列性能初步測試的結(jié)果顯示微小型起爆序列實現(xiàn)了解除保險、安全隔爆與可靠傳爆的功能，平均輸出壓力為10 GPa左右。表明微雷管驅(qū)動飛片起爆隔斷單元上的裝藥，進而起爆傳爆藥裝藥的起爆序列裝藥結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案是可行的，微小型起爆序列的輸出壓力具備起爆引信爆炸序列HMX基傳爆藥裝藥的能力。

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Study of Design and Performance of Micro Initiation Train

XIE Rui-zhen, LI Li-ming, LIU Lan, REN Xiao-ming, XUE Yan

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory，Shaanxi Applied Physics-chemistry Research Institute, Xi’an 710061, Shaanxi, China)

A micro initiation train is designed to meet the requirement of MEMS fuze. The micro initiation train integrates all the functions of a conventional mechanical safety and arm (S&A)fire system, and integrates them within 3 cm3. The architecture of the micro initiation train consists of bottom, intermediary and top layers. The bottom layer contributes to the mechanical arming and detonation transfer function. The intermediary layer is Si-based initiator and micro-pyrotechnical actuator. The top layer is the electronics and power supply. The test results show that the safe, arming and firing functions of micro initiation train are achieved, and the output pressure is about 10.85 GPa.

ordnance science and technology; initiator and pyrotechnics; micro initiation train; micro detonator; micro-pyrotechnical actuator; output pressure

2016-06-15

解瑞珍(1977—)，女，高級工程師。E-mail: xieruizhen@126.com

TJ450.2

A

1000-1093(2017)03-0460-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.03.007