介電型EAP在引信上應(yīng)用的可行性研究

劉洪波　李開春

【摘 要】 介電型EAP材料為引信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)及引信用新型發(fā)電機(jī)及傳感器提供新的方法和原理，拓展并改善引信功能，為引信系統(tǒng)多樣化設(shè)計(jì)開辟了一條新的途徑。

【關(guān)鍵詞】 介電型

1 引言

未來引信的發(fā)展趨勢(shì)必然是向著小型化、靈巧化、智能化的方向發(fā)展。傳統(tǒng)技術(shù)和材料顯然難以滿足這種發(fā)展趨勢(shì)。新材料和新技術(shù)的應(yīng)用往往會(huì)對(duì)武器系統(tǒng)的性能帶來革命性的變革，引信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)鮮明特色就是其具有良好的包容性，能夠緊密跟隨新技術(shù)的發(fā)展，在積極采用各種新技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新，形成自身的特色。

現(xiàn)有的多種驅(qū)動(dòng)原理微驅(qū)動(dòng)器中，介電型EAP是電活性聚合物（EAP，Electroactive Polymer）中由電場(chǎng)產(chǎn)生的壓力實(shí)現(xiàn)聚合物變形的一種，它作為一種新興的驅(qū)動(dòng)器材料，較其它智能材料和傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)等技術(shù)相比有很多優(yōu)點(diǎn)：可直接對(duì)外做功，無需傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作環(huán)境適應(yīng)性好、變形保持性能好且無能量損耗、應(yīng)變大、能量密度高、效率高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、價(jià)格低廉且加工制造方便等。此外，介電型EAP作為發(fā)電機(jī)，與電磁、壓電等相關(guān)材料發(fā)電相比具有能量密度高、應(yīng)變變形大、耐沖擊、使用壽命長、投資成本低、無運(yùn)動(dòng)頻率要求、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)90年代以來，介電型EAP吸引了不少國內(nèi)外研究者的關(guān)注，他們?cè)诤娇?、航天、醫(yī)用、機(jī)器人等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，開展了實(shí)驗(yàn)研究，但介電型EAP在引信上的應(yīng)用還未見報(bào)道。通過對(duì)其性能特性進(jìn)行研究，可探索將介電型EAP應(yīng)用于引信上，實(shí)現(xiàn)新型高性能的具有可恢復(fù)式的引信安全系統(tǒng)及引信用傳感器和新型引信用電源，對(duì)引信技術(shù)的發(fā)展具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

2 介電型EAP在引信上應(yīng)用的可行性

介電型EAP材料具有較大的應(yīng)變和良好的環(huán)境適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)，國外已經(jīng)有很多學(xué)者應(yīng)用介電型EAP材料制作了各種形式的驅(qū)動(dòng)器，試驗(yàn)證明這些驅(qū)動(dòng)器具有其他類型驅(qū)動(dòng)器所不具有的優(yōu)異性能，如響應(yīng)快、功重比大、柔性驅(qū)動(dòng)、效率高等。因此可研究制作介電型EAP驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的鎖定機(jī)構(gòu)、推銷機(jī)構(gòu)等，實(shí)現(xiàn)引信的保險(xiǎn)及解除保險(xiǎn)控制。利用介電型EAP材料較高的粘性將其直接粘著在能實(shí)現(xiàn)一定運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)構(gòu)上。通過通電、斷電的方式驅(qū)動(dòng)介電型EAP材料面積的擴(kuò)張、伸縮，由其產(chǎn)生的大應(yīng)變和驅(qū)動(dòng)力傳遞給機(jī)構(gòu)，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制。

介電型EAP驅(qū)動(dòng)器依靠電路作用實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，其用在引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上，不受引信上任何環(huán)境力的影響，故不會(huì)在勤務(wù)處理中受到各種環(huán)境力而解除保險(xiǎn)，能可靠保證武器的安全。當(dāng)接到解保指令后，通過電路就能實(shí)現(xiàn)解保，滿足引信的安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

利用介電型EAP材料在彎曲或拉伸時(shí)，面積的變化將引起電容的變化這一特性，可制成張力或位移傳感器，通過監(jiān)測(cè)電容的變化，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)引信實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息反饋。利用介電型EAP材料的逆壓電效應(yīng)，可將其制作成柔性可變電容器，用于制造出可變?nèi)萘堪l(fā)電機(jī)和蓄能裝置，給引信低功耗信號(hào)處理電路和起爆電路供電。

3 介電型EAP在引信上應(yīng)用需解決的問題

介電型EAP是一個(gè)新的、跨學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域，目前大多數(shù)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室原型階段。介電型EAP的功耗雖然小，但是變形所需的驅(qū)動(dòng)電壓高，給外圍電路的設(shè)計(jì)帶來了一定的問題。一般條件下，都是用高壓包來提高電壓，而高壓包的重量又大大超過了材料本身的重量，不利于裝置的輕型化。研究低壓驅(qū)動(dòng)的介電型EAP材料的制備及低壓驅(qū)動(dòng)下的材料性能成為研究者目前研究的熱點(diǎn)。

介電型EAP材料形變過程中不容易保持平整，導(dǎo)致最終器件各項(xiàng)性能難以統(tǒng)一，因此制作工藝需要進(jìn)一步的研究和試驗(yàn)。

由于引信的自身特點(diǎn)，將介電型EAP應(yīng)用到引信上還屬于一個(gè)新的課題，有一些問題需要通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。如：利用介電型EAP驅(qū)動(dòng)器代替火藥作動(dòng)器或電磁鎖定機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)引信安全系統(tǒng)保險(xiǎn)解除控制技術(shù)；介電型EAP傳感器在引信工作環(huán)境下的精度及可靠性；介電型EAP在引信工作環(huán)境下產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力、響應(yīng)時(shí)間和行程；介電型EAP利用引信工作環(huán)境激勵(lì)的發(fā)電效率；介電型EAP在引信工作環(huán)境下的可靠性和耐久性等。

4 擬采取的研究方法

為將介電型EAP應(yīng)用到引信上，擬定了一套研究方法：首先，研究制作介電型EAP線性驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)，并與引信火藥作動(dòng)器及電磁鎖定保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等解除保險(xiǎn)的驅(qū)動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比。將這種具有可恢復(fù)式的介電型EAP驅(qū)動(dòng)器代替不可恢復(fù)式的火藥作動(dòng)器及電磁鎖定保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等。根據(jù)引信工作環(huán)境的要求，通過選用合適剛度的彈簧、具有一定預(yù)拉伸率的介電型EAP材料及一定的施加電壓，制作符合輸出力、響應(yīng)時(shí)間及行程要求的介電型EAP驅(qū)動(dòng)器。并利用有限元軟件進(jìn)行理論仿真，然后制作介電型EAP驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)進(jìn)行靜態(tài)情況下驅(qū)動(dòng)力、響應(yīng)時(shí)間和行程的測(cè)試，最后進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，測(cè)試介電型EAP驅(qū)動(dòng)器各項(xiàng)參數(shù)，驗(yàn)證理論仿真結(jié)果。并通過物理樣機(jī)驗(yàn)證介電型EAP驅(qū)動(dòng)器在引信工作環(huán)境下的可靠性及耐久性等要求。

充分研究利用引信的環(huán)境力，如后坐力的作用、空氣氣流的作用等，將這些環(huán)境力通過設(shè)計(jì)一定的裝置，將它們的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為介電型EAP材料的發(fā)電激勵(lì)，并通過建立電學(xué)模型及仿真和試驗(yàn)樣機(jī)等手段，研究能量轉(zhuǎn)換過程和能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及提高發(fā)電效率的途徑，研究如何減少漏電現(xiàn)象及有效貯存電量，研究如何將介電型EAP的發(fā)電裝置給引信低功耗信號(hào)處理電路和起爆激勵(lì)電路供電。

5 結(jié)語

對(duì)介電型EAP的性能特性進(jìn)行研究，將其應(yīng)用到引信上，可以適應(yīng)未來引信發(fā)展趨勢(shì)，解決精確打擊彈藥及微小型武器系統(tǒng)對(duì)引信的體積、成本等指標(biāo)提出的更高和更全面的要求，解決引信小型化、靈巧化、智能化等對(duì)引信零部件提出的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求。介電型EAP材料為引信安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)及引信用新型發(fā)電機(jī)及傳感器提供新的方法和原理，拓展并改善引信功能，為引信系統(tǒng)多樣化設(shè)計(jì)開辟了一條新的途徑。endprint