MEMS加速度計在防空導彈引信中的應用

范衛民，劉雙杰，王麗爽，劉洪濤，趙忠海，史英智

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院， 沈陽　110000； 2.遼寧華興機電有限公司， 遼寧 錦州　121017)

一般情況下，便攜式地對空導彈引信都是以觸發作用為主，所以引信的觸發發火部件在引信中起非常重要的作用。國產單兵導彈的前期產品的引信觸發發火部件采用沖擊閉合器，如果沖擊閉合器的發火過載值選擇較低，在導彈初始段，沖擊閉合器容易在發動機的發射過載作用下閉合，引信解除保險后，導彈仍在加速，如沖擊閉合器不能復位，導彈就會發生早炸[1]。沖擊閉合器等開關采用機械結構，加工精度不會很高，實際工作時誤差較大，所以為了提高導彈引信的安全性，采用MEMS技術的加速度計可以實現武器彈藥的智能化和小型化，在引信中應用MEMS技術是今后引信發展的必然趨勢[2]。

1　導彈測試下的加速度信號變化分析

為分析導彈發射過程過載情況，在某導彈內安裝MEMS加速度計測量導彈飛行彈道全量程過載值。導彈飛行彈道過載曲線如圖1、圖2、圖3所示。

從彈道過載曲線可以看出最大過載為點火發射瞬間為85g，導彈出筒后發動機才工作，此時最大過載為發生在導彈發射初期——加速段，彈道最大過載45g左右，而在導彈非加速段，導彈沿彈軸方向只有4g～5g飛行過載，y軸、z軸方向有小于30g的機動過載。試驗中彈丸飛行發射過程的部分三軸加速度如表1所示。

表1　彈丸發射時引信三軸加速度測試結果

參考以上數據，在本文中的硬件設計應注意以下幾點：第一，MEMS加速度計在選擇量程時不應過大，確保靈敏度應為首要選擇；第二，硬件設計應有較高的抗高過載特性；第三，設計時電路應必須避免剛發射及剛出炮口時立即工作，必須有延時功能躲開最大加速度產生的時段，保證引信安全；第四，MEMS加速度計在實際應用以正向加速度變化作為閾值(x軸正向為導彈發射方向)。

2　導彈碰撞薄目標的數值分析

為了確定防空導彈引信的發火策略、提高發火機構作用可靠性和適用性，通過ANSYS/LS-DYNA動力學仿真計算分析了導彈以600 m/s著速，不同著角碰擊不同厚度目標進行數值仿真，得到彈丸碰擊薄弱目標時的前沖過載曲線，為發火觸發靈敏度和瞬發度的設計提供依據。

導彈總長1 520 mm，被動段飛行質量5.9 kg，末端速度600 m/s。彈丸簡化為導引段、舵機段、引信段和彈體段，導引段簡化為為半球形塑料；舵機段外殼材料為鋁合金，壁厚 3 mm，內部為塑料；引信段材料為鋁合金，彈體段材料為鋼。彈體長度根據仿真需要進行調整。靶體選為薄板，選擇鋼板方形結構，厚度分別選取為2 mm、5 mm和10 mm。彈丸碰擊靶板過程中，除導彈頭部、翼片外輪廓有侵蝕變形外，彈丸整體基本不發生形變，彈丸與靶板網格單元均采用Lagrange算法，節省計算量，建立四分之一模型。

由參考文獻[3-7]，得7A04鋁合金，各材料模型主要參數如表2～表4所列。

表2　30CrMnSiA Johnson-Cook材料模型參數

表3　7A04鋁合金Johnson-Cook材料模型參數

表4　改性酚醛樹脂Johnson-Cook材料模型參數

隨著碰擊深度的不斷增加，導彈頭部逐漸穿透靶板，當導彈頭部穿透靶板后過載逐漸減小，當導彈圓形部穿過靶板時出現一峰值，如圖4～圖9所示。

導彈不同著角碰擊不同厚度目標仿真結果如表5所示。引信設計輸入要求導彈30°著角時碰撞5 mm鋼靶板時引信可靠作用，而本文中MEMS加速度計所采用的“閾值十時間窗”算法，并依據上述仿真結果確定了引信碰炸發火機構的發火過載范圍和脈寬時間，閾值設置為185g，時間窗為15 μs。

3　MEMS加速度計方案

MEMS加速度計在經歷了模擬量信息處理和數字量交換這兩階段后，正朝著智能化、集成一體化、小型化方向發展，利用微處理技術使傳感器智能化是新型傳感器的一大進展[7]。此方案采用的MEMS加速度計是一種三軸傳感器，采用MEMS半導體技術把微型機械結構與電子電路集成于同一芯片上，MEMS加速度計就是利用這種技術實現對三軸加速度進行測量并產生模擬或數字輸出的傳感器[8]。這種加速度計體積小、質量輕，安裝方便，性能可靠，適合應用于引信這種結構要求緊湊的產品上[9]。MEMS加速度計應用于防空導彈引信時，將MEMS加速度計安裝于引信電路上并進行灌封，使MEMS加速度計與引信電路成為一個整體，并外接A/D轉換芯片提高采用頻率達到200 kHz。而本文中所采用的“閾值十時間窗”算法，閾值設置為185g，方向為正方向(導彈飛行方向為正)，時間窗為15 μs，發火過載理論為15 μs時間段上的采集數據都超過185 g，就可認為引信撞擊目標，從而MEMS加速度計輸出信號并通過控制電路使引信作用。

3.1　傳感器的選擇

由于引信所處的特殊環境,對MEMS加速度計提出了苛刻的要求:抗高過載、體積小、重量輕、功耗低。微機電系統(MEMS)技術的發展,為引信環境傳感器特別是引信MEMS加速度計找到了一個其他技術無法比擬的適宜的技術途徑。在20世紀70年代采用微加工技術成功地制作了壓力傳感器,在20世紀80年代微加工技術在MEMS加速度計上也得到了成功的應用。傳感器具有體積小、質量輕、潛在成本低、可靠性高、可輸出連續的加速度信號、加速度測量范圍大、數字化和智能化的優點。可做成頻率輸出形式,能對輸出信號進行全數字處理,同時便于應用微機進行信號處理,對輸出誤差進行補償[9]。

表5　最大前沖過載仿真結果

經過篩選，選擇了ADXL377型號MEMS加速度計，其各項特性如表6所示。

表6　MEMS加速度計特性

3.2　微控制器的選擇

系統工作主要依靠微控制器來完成，微控制器在系統中實現對MEMS加速度計信號的AD轉換，并對觸發閾值進行判斷，上電開始計時并由微控制器判別：延時2 s后接收到導彈與目標特性信號(接近目標信號)輸出遠距離接電信號或延時15 s時輸出遠距離接電信號、19 s后輸出自毀信號。

微控制器上電后系統進入延時狀態，延時2 s后微控制器開啟過載判讀功能(避免MEMS加速度計發射時誤動作信號輸出)，當達到動作條件，即滿足閾值+時間要求后輸出開關動作。根據控制流程與功能，本文選擇了SILAB公司的C8051F530A單片機作為引信的微控制器，該微控制器在系統實現的功能如下：

a) 延時狀態:上電后延時時間為2 s、15 s和19 s，延時采用漏極開路方式，上電后設置為時間0點，定時到達后，設置為1；

b) A/D轉換：ADC采用外接A/D轉換芯片提高采用頻率，采樣頻率達到200 kHz，P1.7設置為模擬輸入；

c) 閾值判讀：采樣頻率為200 kHz，傳感器輸出達到設置值時計數器加1，反之清零，5 μs對應一個采樣周期，可以設計成當計數器大于3時閉合開關；

本文的MCU采用C8051F530A單片機，芯片引腳分配為：VDD為內核電源，內部基準電壓接2.7 V；PST為上電復位；VRGIN與GND接5V工作電源；P0.6用于程序編寫、調試；P0.7與P1.0連接晶振，提供精準時鐘；P1.7、Poo為通信接口，實現MCU與MEMS加速度計、MCU與導彈間的通信，讀取相關數值信號；P1.6和P1.5為遠距離接電控制輸出，可控制發火控制電路供電；P0.2、P0.1控制遠解輸出，起爆電拔銷器；P1.3、P1.4控制起爆輸出，接受起爆信號后輸出高電平起爆電雷管；其余引腳空。

軟件的流程圖如圖10所示。

主要判別為：傳感器達到185g時輸出，計數器加1，成當計數器大于3時輸出起爆電雷管信號，反之清零。

3.3　電源管理

MEMS加速度計由20 V電池供電，通過電源芯片L7805C2T將+20 V電源轉換為+5 V，為微控制器供電，通過LD1117-3.3 (SOT223)將+5 V轉換為+3.3 V為MEMS加速度計供電。電源管理原理圖如圖11。

3.4　發火控制電路

發火控制電路如圖12所示，由距離接電控制與發火電路組成，遠距離接電控制是保證導彈接近目標時向發火電路的供電，避免剛發射及剛出炮口時立即工作。

3.5　系統的工作流程

導彈發射后，舵開關閉合，引信開始上電，上電后微控制器進入延時狀態，延時2 s結束，此時，對導彈近區信號判別和MEMS加速度計模塊同時工作。接收到導彈與目標特性信號(接近目標信號)輸出遠距離接電信號或延時15 s時輸出遠距離接電信號，使發火電路供電，保證導彈出筒后近距離不會誤作用，保證發射人員的安全；g值MEMS加速度計模塊工作，感知外部加速度，將加速度轉換為電壓信號，通過濾波模塊對信號進行濾波后進入微控制器，由微控制器ADC內部進行采集，并由微控制器進行定時和閾值判斷，當到達設定時間后，如果加速度模塊輸出信號超過設定閾值和時間窗，由微控制器發出起爆信號；未接受碰炸發火信號，到預定時間19 s時微控制器輸出自毀信號，引信自毀。

系統具體分為以下幾種狀態：

a) 延時：彈丸發射時為引信系統供電，微控制器開啟定時，定時后，輸出高電平；

b) 遠距離解除保險判別：微控制器開啟定后，導彈提供近區信號時，微控制器對其時間進行判別，當超過2 s時輸出遠距離解除保險信號。

c)g值采集：延時結束后，系統正常工作，采集并檢測MEMS加速度計的信號，將信號轉換為數字信號，微控制器控制在2 s前不采集信號，保證導彈發射過程中安全；

d) 閾值判定：判斷加速度信號是否達到閾值門限，即加速度達到或185g；

e) 起爆判斷：某一次信號采集達到閾值門限后，用微控制器判別信號在15 μs內信號都達到閾值門限后輸出起爆信號。

f) 接通起爆回路：MEMS加速度計輸出信號達到起爆值時立即接通起爆回路，或者達到預定延時時間后接通起爆回路，并將接通前開始的數據存儲在微控制器中，以便測試和分析。

4　選用MEMS加速度計方案的安全性分析

采用MEMS加速度計作為觸發發火部件在某防空導彈上應用，其抗彈道環境干擾能力是保證引信安全性的關鍵因數。

1) 導彈勤務處理時的安全性

勤務處理環境指引信從生產出廠到發射之前通常會經歷的一系列環境，一般包括運輸、儲存、搬運中引信受到的沖擊、振動、磕碰等，以及上述過程中引信經受的振動、沖擊、高低溫、潮濕、腐蝕等物理化學環境[10]。導彈在搬運、空投等勤務處理時，可能會產生較大的沖擊過載，但此時導彈的電源沒有激活，引信沒有供電，MEMS加速度計不會工作，因此導彈勤務處理過程中不會因為受到沖擊而發生危險。

2) 導彈發射時的安全性

根據前文導彈發射過程過載分析得出引信在彈道正常飛行過程中所經受的最大過載只有幾十個g，根據圖1所示，導彈發射發動機點火發射瞬間過載X軸為85g，根據系統設計，導彈出筒后發彈載電源延時給引信供電，此時引信內的MEMS加速度計與發火控制電路等還未工作，而且85g過載值也低于發火過載閾值185g；導彈在主發動機點火時，導彈處于加速階段，MEMS加速度計已工作，此時導彈受向后的最大過載為40g，遠低于MEMS加速度計設置的發火過載閾值185g，引信不會因正常發動機工作產生誤動作信號。

5　MEMS加速度計方案試驗數據分析

MEMS加速度計發火過載理論設置：用微控制器對在采集數據進行判別，既在15 μs內時間窗采樣都達到閾值門限185g，此時可認為引信撞擊目標，微控制器輸出起爆信號。

為了驗證MEMS加速度計可行性，將其固定在沖擊臺上進行沖擊試驗。沖擊試驗時用計算機中對MEMS加速度計檢測的數據進行采集、分析并形成曲線，同時用示波器MEMS加速度計信號直接測量形成波形曲線。

1) 模擬沖擊加速度為170g時沖擊過程數據曲線

試驗條件：沖擊臺設定加速度170g，實際沖擊臺測量輸出為166g，X、Y、Z三軸同時采樣。一個大格(5個采樣點)對應t=100 μs，縱軸對應檢測加速度值，如圖13、圖14所示。

對圖13、圖14進行分析，示波器抓取MEMS加速度計源輸出電壓峰值為2.7 V，對應最大加速度180g，平臺維持時間40 μs。加速度測量值沒有超過設定的閾值185g時，未滿足引信作用條件，引信無輸出信號。

2) 模擬沖擊加速度為200g時沖擊過程數據曲線

試驗條件：沖擊臺設定加速度為200g，實際沖擊臺測量輸出為208g，X軸獨立采樣。一個大格(5個采樣點)對應t=100 μs，縱軸對應檢測加速度值，如圖15、圖16所示。

對圖15、圖16進行分析，示波器抓取MEMS加速度計源輸出電壓峰值為3.3 V，對應最大加速度200g，平臺維持時間80 μs；185g時輸出電壓為3.165 V，維持時間約120 μs。加速度測量值超過設定的閾值，并滿足時間窗要求，滿足MEMS加速度計發火指標，引信有輸出信號。

3) 模擬沖擊加速度為400g時沖擊過程數據曲線

試驗條件：沖擊臺設定加速度為400g，實際沖擊臺測量輸出為432g，X軸獨立采樣。一個大格(5個采樣點)對應t=100 μs，縱軸對應檢測加速度值，如圖17、圖18所示。

對圖17、圖18進行分析，示波器抓取MEMS加速度計源輸出電壓峰值為3.3 V，對應最大加速度200g，平臺維持時間700 μs；加速度測量值變化超過設定的閾值和時間窗，滿足MEMS加速度計發火指標，引信有輸出信號。

通過上述試驗數據，可得出結論，沖擊加速度從小到大增加時不但過載值變大，持續時間也會增加。采用的“閾值十時間窗”算法符合導彈撞擊目標特征，當沖擊加速度大于185g時且15 μs時間窗采樣都達到閾值門限能滿足導彈撞擊目標特征；而當沖擊加速度小于185g時，或時間窗達不到設定的寬度(為15 μs)引信不作用，閾值和時間窗雙重條件保證引信作用的可靠性[11]。

5.4　飛行試驗

為驗證MEMS加速度計作為某導到引信的觸發發火部件在實彈中作用情況，在某基地參加了引信碰靶試驗，MEMS加速度計信號飛行過程的輸出波形如圖19、圖20、圖21所示。

MEMS加速度計X軸信號波形變化最大，說明X軸方向受力最大。三幅圖表明：MEMS加速度計從引信上電開始，到與目標撞擊過程中，除因主發動機點火(時刻0.3 s)和電拔銷器作用(約2 s)造成輸出電壓變化外，無其他觸發信號波形。根據上述圖可知其波形幅值產生的電壓幅值不能達到發火電壓輸出值，并且因引信發火電路在2 s后才會供電，引信不會因主發動機點火和電拔銷器作用造成輸出電壓變化外產生誤動作而發火。

引信起爆信號與MEMS加速度計信號疊加匯總波形見圖22所示，其中MEMS加速度計起始信號為1 V，在39.2 s處產生3.5 V輸出信號；起爆信號起始為0 V，在39.2 s時輸出電壓為15 V。

引信起爆信號與MEMS加速度計輸出信號重合，起爆信號輸出正常，無干擾信號，表明引信MEMS加速度計輸出正常，滿足引信設計要求。

6　結論

1) 采用MEMS加速度計作為引信觸發發火機構，其安全性和可靠性能夠滿足引信設計要求，原理可行。

2) 所提出的方案使引信結構小型化，具有三軸敏感、智能化并適應不同作戰用途，大大提高了引信靈敏度和導彈擊中目標時作用可靠性，可以進行應用推廣。

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