MEMS引信安全系統用火工作動器特性分析

耿萬鈞,孫興昀,嚴 楠,梁安定

(1.西安近代化學研究所，西安 710065； 2.北京理工大學，北京 100081)

MEMS引信安全系統具有體積小、質量輕等優點，在降低尺寸及質量、減少零件數、提高集成化等方面相比傳統引信安全系統有明顯優勢，是引信實現靈巧小型化和信息智能化的關鍵技術[1-2]，圖1為國內外小尺寸MEMS引信安全系統零部件實物。

本文從典型的MEMS引信安全系統的作用原理和結構組成總結分析了MEMS引信用火工作動器的功能特性和作用原理，提出了MEMS引信用火工作動器設計的關鍵問題。

1 MEMS引信安全系統

1.1 MEMS引信用作動器特點

引信的安全系統主要包括隔爆機構、延期解除保險機構、保險機構、安全與解除保險電路和自炸機構等[3]。

圖1 國內外小尺寸MEMS引信安全系統零部件實物

作動器是安全系統實現安全解除保險功能的重要組成部分，其主要作用是通過做功輔助實現安全系統的解除保險。用于MEMS安全系統的作動器從驅動能量角度區分主要包括電驅動、形狀記憶驅動、熱變形驅動和火工藥劑驅動，非火工藥劑驅動類的作動器應用于引信MEMS安全系統中時存在以下問題：

1) 啟動電壓偏高。目前研究的電驅動作動器需要在大于十幾伏的電壓條件下才能夠正常工作[4-6]，會給引信系統的供電帶來較大負擔，而利用火工藥劑驅動的作動器的發火電壓可以低于5 V[7]。

2) 響應時間較長。形狀記憶驅動和熱變形驅動的作動器響應時間較長，達到幾百毫秒[8-9]，難以滿足部分MEMS引信安全系統快速解保的時間要求；而火工藥劑驅動的作動器的作用完成時間僅需要幾個毫秒[10]。

3) 作動距離小。用于小口徑彈藥引信的電磁作動器作動距離在mm級以下[4-5]；而火工藥劑驅動的作動器的作動距離可達到10 mm以上[11]。

火工藥劑驅動的作動器可稱為火工作動器，具有結構簡單、能量消耗小、響應時間短輸出能量高的特點，通過小型化、集成化設計，引信與微小火工品相互匹配，滿足引信的使用環境，適用于多種MEMS引信安全系統[12]。

1.2 典型MEMS引信作動器工作原理

Tu Hongmao設計了一種MEMS引信安全系統[13]，見圖2，作動器作用如下：彈藥發射后，電推銷作動器(圖中4#)作用，解除安全鎖(圖中7#)，隔爆滑塊在環境力作用下移動到解除保險位置。

圖2 小尺寸MEMS引信安全系統

Charles H.Robinson等在專利中介紹了一種用于榴彈MEMS引信的安全系統[14]，見圖3，作動器作用如下：在彈藥發射到預定解除保險位置時，膨脹式作動器(圖中14#)中的火工藥劑燃燒產生的氣體使彈性材料膨脹并推動旋轉鎖，釋放保險滑塊。

圖3 小口徑榴彈MEMS引信安全系統

李國中設計了一種小口徑彈藥MEMS引信安全系統[10]，見圖4，作動器作用如下：發射前，火工作動器的滑動平板銷下端作為安全鎖插入到隔爆滑塊的凹槽內；發射后火工作動器點火，滑動平板銷向上運動，滑動平板銷的上端推動后續機構運動解鎖，滑動平板銷的下端解除對隔爆滑塊的保險。

圖4 單兵小口徑彈藥MEMS引信安全系統示意圖

Hélène Pezous等介紹了一種體積約1 cm3的集成一體化MEMS引信安全系統，此安全系統是整體式滑塊式火工作動器[15]，見圖5，作動器作用如下：彈藥發射時，慣性銷從隔爆滑塊中拔出，裝藥發火產生的氣體產物推動隔爆滑塊移動到解保險位置。

圖5 集成一體化MEMS引信安全系統

Nan Yan設計了一種可作為安保機構的平板式火工作動器[16]，如圖6所示，作動器作用如下：裝有片狀傳爆藥的平板被過盈配合結構限制在安全位置；彈藥發射后，裝藥發火，氣體產物推動平板克服過盈配合結構的摩擦阻力移動到解除保險位置，此時滑塊上的片狀傳爆藥恰好位于微型雷管和受主裝藥之間，平板式火工作動器安保機構處于解除保險狀態。

2 火工作動器的功能特性分析

GJB373A—97《引信安全性設計準則》中對引信安全保險系統的定義為：“用來防止引信在感受到預定的發射環境并完成延期解除保險之前解除保險(啟動)和作用的各種裝置(如環境敏感裝置、發射動作敏感裝置、指令動作裝置、可動關鍵件或邏輯網絡，以及傳火序列的隔火件或傳爆序列的隔爆件)的組合”。應用于安全系統的火工作動器就屬于該定義中的指令動作裝置。

圖6 平板式作動器及安全解保險原理示意圖

不同工作原理的MEMS引信安全系統對火工作動器的功能要求差別很大，通過分析國內外MEMS安全保險系統工作原理可以得出火工作動器在MEMS引信安全系統中的功能主要包括以下3種：① 輔助解除安保機構的安全鎖，這是火工作動器在小口徑彈藥MEMS引信中的重要應用形式，主要為推銷式火工品；② 作為安保機構的安全鎖，主要為拔銷式火工品；③ 作為安保機構的隔爆機構并能夠通過自身作用實現安全與解除保險功能，主要為滑塊作動式火工品。

3 火工作動器的作用原理分析

火工作動器有如下特征：① 包含若干機械部件，其中某些機械部件最終能夠產生一定動作效果；② 火工藥劑生產高溫高壓氣體產物驅動機械部件產生特定方向和形式的運動。火工作動器的最終效果就是將火工藥劑的化學能轉換為執行機構的機械運動。

從MEMS引信安全系統中的火工作動器的作用原理看，可以將其分為兩大類：輸出做功類火工作動器和執行動作類火工作動器。

3.1 輸出做功類火工作動器

輸出做功類火工作動器是通過執行機構的機械運動對其他機械部件做功，在MEMS引信安全系統中的主要功能是輔助解除安全鎖。

輸出做功類火工作動器以推銷(活塞銷)式為典型設計，如文獻[10-11,13,17-18]，典型的活塞式火工作動器解鎖設計MEMS引信安全系統[17-18]見圖7。推銷式火工作動器的基工作原理為：活塞銷和火工藥劑裝在一個密閉的空間內，換能元點燃火工藥劑，氣體產物推動活塞銷沿著某一方向運動，推動安全鎖產生位移或者變形破壞等，圖8為推銷式火工作動器實物。

圖7 活塞式火工作動器解鎖設計MEMS引信安全系統

圖8 推銷式火工作動器實物圖

另外還有膨脹式作動器,如文獻[14,19],典型的膨脹式火工作動器解鎖設計MEMS引信安全系統[19]見圖9。其作用原理如下：火工藥劑裝在一個密閉的腔體中，其中腔體的一個面為與腔體密封相連的彈性薄膜，換能元點燃火工藥劑，氣體產物使彈性薄膜膨脹，推動安全鎖產生位移。

圖9 膨脹式火工作動器解鎖設計MEMS引信安全系統

圖10 膨脹式火工作動器示意圖

3.2 執行動作類火工作動器

執行動作類火工作動器的特征是作用過程沒有向外界的能量傳遞，在MEMS引信安全系統中的主要功能是通過自身執行機構的機械運動實現安全鎖解鎖或隔爆機構運動到解保險位置。

拔銷式火工作動器是典型的可作為MEMS引信安全系統安全鎖的執行動作類火工作動器,典型的拔銷式火工安全鎖設計MEMS引信安全系統[20]見圖11。作為MEMS安全保險系統的安全鎖，解除保險原理如下：保險狀態時，銷子伸出部分卡住并限制隔爆件的移動；解除保險時，銷子拔回，解除對隔爆機構的限制，隔爆機構能夠移動到解保險位置，圖12為有拔銷功能的火工作動器實物。

圖11 拔銷式火工作動器安全鎖設計MEMS引信安全系統作用前作用后

圖12 有拔銷功能的火工作動器實物圖

滑塊式火工作動器是典型的能夠作為MEMS引信隔爆機構的執行動作類火工作動器，如文獻[15-16]。作為MEMS安全保險系統的隔爆機構，解除保險原理如下：保險狀態時，作為隔爆機構的滑塊位于保險位置并被限位結構鎖定；解除保險時，換能元點燃火工藥劑，氣體產物推動滑塊克服限位結構的阻力，運動到解保險位置，安全系統解除保險，圖13為滑塊式火工作動器實物。

圖13 滑塊式火工作動器實物

4 MEMS引信用火工作動器設計關鍵

1) 尺寸小型化設計

MEMS技術最大的特點就是加工尺寸已經達到微米乃至亞微米量級，MEMS引信安全系統具有體積小特點，小型化設計是MEMS引信用火工作動器的首要的問題，其核心器件尺度為亞毫米量級，系統尺度為毫米量級，典型結構設計、典型作用原理的火工作動器可能在毫米級小尺寸下難以實現，這就要求設計人員必須突破常規，探索新的結構、新的作用原理。

2) 限位結構設計

火工作動器的作用效果是執行機構產生特定的機械運動，執行機構在發火前應被鎖定在初始位置、發火后執行機構運動到位后應被鎖定在最終位置，保證火工作動器的作用可靠性，因此，MEMS引信用火工作動器的結構設計上必須對執行機構的限位結構做出相應的考慮，如過盈配合結構、可移動鎖銷結構等。

3) 低發火能量換能元設計

MEMS引信體積的減小迫切要求其供電系統相應的減小，電源的小型化使得其可提供的能量非常有限。火工作動器的火工藥劑需要的換能元的刺激實現起爆，所以微型的、低能量的、可靠的換能元是MEMS引信用火工作動器的迫切需求，利用半導體橋、金屬薄膜換能元等新型起爆技術，起爆電壓可以小于5 V。

4) 低裝藥量設計

從整個MEMS引信系統來講，系統中的火工作動器先于引信的傳爆序列作用，其藥量越少，對MEMS引信系統的影響就會降到越小，通過相關文獻資料調研分析，應用于MEMS引信系統的火工作動器裝藥量設計應為mg量級。

5 結論

基于國內外MEMS引信安全系統的工作原理，分析總結MEMS引信用火工作動器特性如下：

1) MEMS引信用火工作動器中的主要功能為：輔助解除安保機構的安全鎖、作為安保機構的安全鎖或作為安保機構的隔爆機構。

2) MEMS引信用火工作動器的典型結構形式為推銷式、膨脹式、拔銷式和滑塊式。

3) MEMS引信用火工作動器的設計關鍵為：尺寸小型化設計、限位結構設計、低能量微型換能元設計和低裝藥量設計。