基于小口徑彈藥的柔性安保機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉演龍，陶偉琪，陳云友

(1.海裝廣州局， 廣州 510000； 2.重慶長安工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 重慶 401120)

1 引言

微電子技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)著小口徑彈藥引信不斷走向小型化、集成化和智能化，現(xiàn)代武器裝備對彈藥設(shè)計(jì)，要求在彈藥有限體積內(nèi)盡可能增加炸藥裝藥量，以提高其毀傷效能，這就進(jìn)一步壓縮了引信空間。采用MEMS技術(shù)可以減小引信安全系統(tǒng)體積，使得引信有更多的空間可以容納其他傳感裝置，有效實(shí)現(xiàn)引信小型化，增大彈丸裝藥量、降低生產(chǎn)成本，提高彈藥的精度和殺傷力，快速促進(jìn)智能、靈巧型彈藥的發(fā)展?，F(xiàn)在，MEMS在引信中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛。其中，美國MK19 40 mm槍榴彈、MkII 25 mm空爆彈應(yīng)用的起爆開關(guān)微引信系統(tǒng)都是MEMS集成應(yīng)用于引信的典型代表。而MEMS安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多為近似平面結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)能在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，感知過載并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，確保系統(tǒng)安全。早在2002年，Robinson等就開始著手研究MEMS安全系統(tǒng)，并在2005年完成改進(jìn)設(shè)計(jì)，該裝置在一定的回?cái)[和旋轉(zhuǎn)加速度驅(qū)動(dòng)下有著良好的性能，但因尺寸較大，實(shí)際應(yīng)用受限。2004年，美國海軍水面作戰(zhàn)中心(Naval Surface Warfare Center)展示了可用作引信安保機(jī)構(gòu)集成化沖擊傳感器的MEMS沖擊開關(guān)，該開關(guān)無需電源驅(qū)動(dòng)，在感受到?jīng)_擊加速度高于預(yù)設(shè)閾值時(shí)即可可靠鎖定為閉合狀態(tài)。其后，Steven和Ostrow等，分別在2006年和2012年利用電熱技術(shù)驅(qū)動(dòng)安全系統(tǒng)，通過表面微加工技術(shù)成功地將其尺寸降至毫米級(jí)。但這2個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的安全系統(tǒng)都因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，在高過載條件下可靠性差，引信使用失效率高。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，2015年Hu T等完成了由4個(gè)電熱執(zhí)行器和推進(jìn)劑組成的可移動(dòng)結(jié)構(gòu)電熱安全系統(tǒng)研制和試驗(yàn)，使得失效率大幅降低。為了提高安全保險(xiǎn)系統(tǒng)的可靠性，他們同樣引入了互鎖機(jī)構(gòu)，成功地將芯片尺寸減小到8 mm×8 mm×0.5 mm，但未能與點(diǎn)火裝置結(jié)合，導(dǎo)致S&A系統(tǒng)并不完整。本文針對現(xiàn)有的MEMS安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開展了針對柔性材料在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的響應(yīng)機(jī)制研究，對其進(jìn)行了理論分析和模型建立。通過COMSOL有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型等進(jìn)行理論計(jì)算和仿真建模，得到優(yōu)化的安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提高柔性安全系統(tǒng)作用可靠性。

2 MEMS系統(tǒng)工作原理

以垂直于彈軸的MEMS懸臂梁式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)為例，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在柔性安全系統(tǒng)中承擔(dān)著區(qū)別正常發(fā)射和意外跌落2種環(huán)境條件下的不同功能，確保引信在跌落過程中不被觸發(fā)而在射擊條件下可靠解險(xiǎn)。設(shè)定各器件符合胡克定律，懸臂梁式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的單片式設(shè)計(jì)，傳爆序列形成一條直線，可節(jié)省傳遞過程的爆轟能量。其基本運(yùn)動(dòng)模型可以等效于彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，如圖1(a)、(b)所示。由于質(zhì)量塊的質(zhì)量遠(yuǎn)大于彈簧的質(zhì)量，同時(shí)阻尼力遠(yuǎn)小于系統(tǒng)工作時(shí)的慣性力，為簡化分析過程，可忽略彈簧的質(zhì)量與阻尼對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，將加速度環(huán)境下的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等效為一個(gè)無阻尼單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，簡化后的物理模型如圖1(c)。

為了使設(shè)計(jì)得到的后坐保險(xiǎn)裝置滿足要求，需滿足跌落環(huán)境下最大的響應(yīng)位移小于正常發(fā)射環(huán)境下最小的響應(yīng)位移。根據(jù)上述結(jié)論作圖，如圖2。由圖2可見4 ms脈寬下正常發(fā)射位移響應(yīng)曲線與0.15 ms脈寬下跌落位移曲線。

從圖2中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)固有角頻率較低時(shí)，系統(tǒng)正常發(fā)射的最小響應(yīng)位移隨系統(tǒng)固有角頻率的增加急劇減小，之后隨著固有角頻率的增加幾乎保持不變；但系統(tǒng)跌落時(shí)最大響應(yīng)位移始終隨系統(tǒng)固有角頻率的增加而緩慢減小，由此證明位移對系統(tǒng)固有角頻率不敏感。

由兩條曲線的交點(diǎn)坐標(biāo)可知，在系統(tǒng)固有角頻率較小(小于6 276.12 rad/s)時(shí)，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射環(huán)境條件下的最小位移始終大于跌落環(huán)境下可能出現(xiàn)的最大位移。

圖1 安保機(jī)構(gòu)物理模型示意圖

圖2 跌落環(huán)境下最大的響應(yīng)位移曲線和正常發(fā)射環(huán)境下最小的響應(yīng)位移曲線

3 仿真分析

后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)模型見圖3，根據(jù)理論分析得出，若后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的懸臂梁固有頻率小于6 276.12 rad/s時(shí)，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的最低發(fā)射條件下的位移響應(yīng)始終大于跌落環(huán)境下可能出現(xiàn)的最大系統(tǒng)位移。由于柔性材料的特點(diǎn)，柔性懸臂梁的固有頻率較小，所以較于剛性懸臂梁可以極大地縮小后坐保險(xiǎn)系統(tǒng)所占用的體積。

根據(jù)理論分析滿足的固有頻率，建立懸臂梁后坐安全機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型，并對懸臂梁的尺寸進(jìn)行了初步選擇：長2 mm，寬0.8 mm，厚0.6 mm。該設(shè)計(jì)尺寸理論上滿足要求。隔爆滑塊厚度0.8 mm，即懸臂梁與隔爆滑塊重疊處形變量大于0.8 mm，即可視為保險(xiǎn)穩(wěn)定解除。

圖3 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)模型示意圖

意外跌落時(shí)，分別選取0.1 ms,15 000以及0.15 ms,15 000進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，得到懸臂梁最遠(yuǎn)端點(diǎn)A處的位移隨時(shí)間的變化趨勢如圖4所示。由圖可知，0.1 ms,15 000加速度的最大位移為0.48 mm，而0.15 ms,15 000的最大位移達(dá)到了1.25 mm。這證明了理論分析所得的結(jié)論：在意外跌落時(shí)，對于固有頻率一致的器件，加速度脈寬越大，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的位移越大。

圖4 懸臂梁最遠(yuǎn)端點(diǎn)A處的位移響應(yīng)曲線

對于脈寬為0.15 ms的加速度，其最遠(yuǎn)端的最大位移為1.25 mm。由于懸臂梁與隔爆滑塊重疊區(qū)域?yàn)閼冶哿洪L度的0.6倍，因此重疊末端的最大位移應(yīng)小于最遠(yuǎn)端A點(diǎn)位移的一半，約為0.5 mm(如圖5)。此時(shí)隔爆滑塊依然被卡住。

圖5 15 000g跌落加速度下后坐保險(xiǎn)系統(tǒng)的位移云圖

由PDMS的物理性質(zhì)可知，其拉伸強(qiáng)度為2.24 MPa，跌落時(shí)應(yīng)力云圖如圖6。跌落狀態(tài)下最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂梁后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的固定端，為0.8 MPa，遠(yuǎn)小于PDMS材料的極限拉應(yīng)力。在意外施加的跌落加速度后，由于柔性材料的彈性影響，懸臂梁會(huì)很快回復(fù)到初始狀態(tài)。此時(shí)后坐保險(xiǎn)系統(tǒng)工作正常，保證了跌落狀態(tài)下引信的安全狀態(tài)，形成穩(wěn)固的第一道保險(xiǎn)。

圖6 15 000g跌落加速度下后坐保險(xiǎn)系統(tǒng)的應(yīng)力云圖

而在正常發(fā)射時(shí)，選取4 ms,12 000和6 ms,12 000兩種發(fā)射加速度進(jìn)行仿真。其位移響應(yīng)曲線如圖7，在加速度達(dá)到最大值(即2 ms、3 ms)前，脈寬越大，懸臂卡鎖的位移越小。由圖7可知，4 ms、12 000加速度的最大位移為5.65 m，6 ms、12 000加速度的最大位移為5.04 m。在1 ms時(shí)間后，懸臂梁位移距離均超過2 mm，此時(shí)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定解鎖，隔爆滑塊不再受懸臂梁卡鎖的固定而開始在離心力作用下下滑，第一道保險(xiǎn)解除。

圖7 正常發(fā)射時(shí)懸臂梁最遠(yuǎn)端的位移響應(yīng)曲線

當(dāng)位移達(dá)到最大時(shí)，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)所受的應(yīng)力如圖8所示。從理論分析的結(jié)果可知，仿真時(shí)選取的發(fā)射狀態(tài)下加速度所得出的應(yīng)是理論最小應(yīng)力。其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂梁的固定端，為1.92 MPa。該數(shù)值接近于PDMS材料的拉伸強(qiáng)度，所以應(yīng)考慮正常發(fā)射中，出現(xiàn)更大的應(yīng)力機(jī)構(gòu)作用情況：由于柔性材料的物理屬性，懸臂梁可能會(huì)在固定端發(fā)生斷裂，在后坐力的作用下掉入安全系統(tǒng)于底板的狹縫中。此時(shí)隔爆滑塊不再有懸臂梁結(jié)構(gòu)阻擋，依然可以穩(wěn)定解除保險(xiǎn)。

圖8 位移最大時(shí)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的應(yīng)力云圖

簡化模型分析證明，該懸臂梁式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)滿足理論分析得出的固有角頻率范圍，可以區(qū)分正常發(fā)射工作狀態(tài)和意外跌落狀態(tài)。意外跌落時(shí)，懸臂梁可以有效阻擋隔爆滑塊的移動(dòng)，起到定位作用；正常發(fā)射時(shí)懸臂梁變形不再阻擋隔爆滑塊的移動(dòng)，從而保證發(fā)射時(shí)安全系統(tǒng)的可靠解保。

4 工藝設(shè)計(jì)

目前，MEMS制造工藝主要有光刻、剝離、腐蝕、刻蝕、氧化、摻雜、氣相沉淀和真空鍍膜等。2004年，美國海軍水面作戰(zhàn)中心采用深硅刻蝕工藝對SOI(Silicon on Insulator絕緣體上硅)晶元進(jìn)行加工，所制備的傳感器芯片經(jīng)鍵合后，其峰值形態(tài)達(dá)到了與普通集成電路相同的水平。該中心于2009年展示了另一種可抗50 000沖擊的MEMS碰撞測試開關(guān)，推動(dòng)了MEMS設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步。

本文所設(shè)計(jì)的柔性安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為Φ14 mm×0.8 mm的微型電子器件，結(jié)構(gòu)相對簡單，但工藝精度要求高，適合采用納米加工技術(shù)。由于設(shè)計(jì)目的要求該MEMS器件應(yīng)滿足批量生產(chǎn)的需求，而傳統(tǒng)的刻蝕技術(shù)和納米結(jié)構(gòu)制備效率無法達(dá)到生產(chǎn)需求，所以采用納米壓印技術(shù)進(jìn)行該MEMS器件的制備。

納米壓印技術(shù)的核心是對圖形的轉(zhuǎn)移，其原理主要為：利用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)，以硅片為基底，構(gòu)筑所需的納米結(jié)構(gòu)圖案；之后基板上的模板被壓入可流動(dòng)聚合物中，再利用反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching,RIE)技術(shù)去除圖形區(qū)域內(nèi)殘留的聚合物；最后采用金屬鍍膜技術(shù)，在基底和聚合物上沉積金屬膜，溶去聚合物，納米結(jié)構(gòu)圖案就被轉(zhuǎn)移到了基底上，見圖9。

圖9 納米壓印過程示意圖

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本MEMS器件結(jié)構(gòu)簡單，所采用的材料PDMS與硅片之間具有良好的黏附性，所以應(yīng)采用熱壓印工藝進(jìn)行制作。根據(jù)前文設(shè)計(jì)所體現(xiàn)的該柔性MEMS安全系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征，選取了納米壓印工藝中的熱壓印技術(shù)對該MEMS器件進(jìn)行加工。根據(jù)傳統(tǒng)的納米壓印工藝和以柔性材料為模板的壓印工藝流程設(shè)計(jì)了加工柔性MEMS的具體方法。

5 結(jié)論

1) 本文所設(shè)計(jì)的柔性MEMS安全系統(tǒng)，擴(kuò)大了水平基板式MEMS系統(tǒng)引信后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)軸向行程，將傳統(tǒng)的慣性銷式保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)優(yōu)化為懸臂梁式，提高了可靠性。

2) 利用SolidWorks和COMSOL等軟件建立的柔性MEMS安全系統(tǒng)三維模型，通過仿真分析和力學(xué)響應(yīng)計(jì)算，驗(yàn)證了該模型的合理性。

3) 采用了納米熱壓印技術(shù)，利用PDMS優(yōu)良的表面黏附特性，設(shè)計(jì)出簡潔、合理的加工流程，可應(yīng)用于后續(xù)小口徑彈藥引信驗(yàn)證。