微機電技術(shù)在引信中的應(yīng)用綜述

王輔輔，婁文忠

(北京理工大學(xué)機電學(xué)院，北京 100081)

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微機電技術(shù)在引信中的應(yīng)用綜述

王輔輔，婁文忠

(北京理工大學(xué)機電學(xué)院，北京 100081)

摘要:隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，以及武器系統(tǒng)對引信目標及干擾的識別能力、目標定位和起爆控制能力、安全控制能力及信息交聯(lián)能力等軍事需求，MEMS技術(shù)在引信中應(yīng)用的優(yōu)勢越來越凸顯。MEMS引信不但可以降低成本，還可以耐高沖擊等惡劣環(huán)境，促使引信微型化、靈巧化和智能化發(fā)展。本文分析了MEMS技術(shù)在引信中應(yīng)用特點和必要性，將國外MEMS引信發(fā)展按器件級、組件級以及系統(tǒng)級三部分論述，分別對其發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述，分析了MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用趨勢，為相關(guān)研究提供系統(tǒng)分析與研究的依據(jù)。

關(guān)鍵詞:引信；系統(tǒng)分析；微機電技術(shù)

0引言

20世紀的兵器主要基于機械加工技術(shù)，發(fā)展機械化武器裝備,21世紀的兵器則快速進入智能化、信息化和微型化階段，因此現(xiàn)代武器裝備采用MEMS技術(shù)是世界武器發(fā)展的必然趨勢[1]。

引信技術(shù)是武器系統(tǒng)中對高新技術(shù)響應(yīng)最快、最敏感的核心技術(shù)之一?，F(xiàn)代高新技術(shù)武器裝備的不斷發(fā)展，帶來了作戰(zhàn)模式的創(chuàng)新變化，武器系統(tǒng)要求引信具有目標及干擾的識別能力、目標定位和起爆控制能力、安全控制能力及信息交聯(lián)能力等軍事能力。這些都需要對現(xiàn)代引信技術(shù)進行更深入透徹的研究。

本文針對新時代的引信技術(shù)，查閱國外大量MEMS引信的資料，分析MEMS技術(shù)在引信中應(yīng)用的特點及必要性，并對國外MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢進行了深入探討，為相關(guān)研究人員提供系統(tǒng)分析及研究的依據(jù)。

1MEMS技術(shù)在引信中應(yīng)用的必要性

新技術(shù)的大量涌入，新的戰(zhàn)場環(huán)境的不斷拓展，對引信的要求也不斷提高，引信的內(nèi)涵隨之不斷豐富。在新技術(shù)以及新的作戰(zhàn)需求的催生下，引信不但要提高目標、背景和干擾的識別能力，提高目標定位與起爆控制能力，提高安全控制能力；更要有具有與外界通訊的能力，引信不但要與火控系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航平臺、偵查監(jiān)視平臺的信息交聯(lián)，還要有引信間信息的交聯(lián)，實現(xiàn)引信組網(wǎng)；同時，對于硬目標侵徹引信，觸發(fā)引信的功能經(jīng)歷了瞬發(fā)、固定延期、隨機起爆、穿透起爆、計層次起爆、計行程起爆、計深度起爆等7級臺階，硬目標侵徹引信可以通過編程選擇其中任一作用方式，引信已經(jīng)從單個作戰(zhàn)的概念到網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)的概念拓展，從單一作用模式到靈巧化的多種作用模式拓展[2]。

引信功能拓展的同時，受彈藥外形及引信與戰(zhàn)斗部接口尺寸的限制，引信外形難以有較大改變，為容納更多的功能模塊需要壓縮引信安全系統(tǒng)與起爆控制系統(tǒng)的體積，但傳統(tǒng)技術(shù)已難以滿足引信核心模塊體積減小的需求，需將新技術(shù)用于引信小型化(如圖1所示)。

圖1　當(dāng)前引信需求所帶來引信技術(shù)的變革Fig.1　The changes brought from fuze demand

德國JUNGHANS Microtec公司的Max Perrin在引信技術(shù)進化中提出傳統(tǒng)引信與MEMS引信之間組成部分的聯(lián)系和區(qū)別，以及MEMS引信中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，如圖2所示。

對比傳統(tǒng)引信，MEMS引信具有以下明顯的優(yōu)點[3]：1) 體積小、質(zhì)量輕;2)易于實現(xiàn)引信對戰(zhàn)斗部的分體式多點起爆控制;3)進一步促進常規(guī)彈藥的靈巧化和智能化;4) 空間靈活性和適應(yīng)性強;5)采用集成工藝制造，性能一致性和可靠性很高，便于質(zhì)量控制;6)抗高沖擊、高過載;7)大批生產(chǎn)，MEMS引信的成本低，且其成本降低的潛力比傳統(tǒng)引信要大得多。

目前，無論是從客觀需求方面，還是從技術(shù)發(fā)展角度來看，在引信中采用 MEMS 技術(shù)的條件已經(jīng)基本成熟。同時，MEMS技術(shù)在引信中應(yīng)用的優(yōu)勢也越來越凸顯。MEMS技術(shù)應(yīng)用于引信中是21世紀引信發(fā)展的基調(diào)，也是引信發(fā)展的未來。

圖2　引信技術(shù)的進化圖Fig.2　Evolution of fuze technology

2國外MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀90年代中后期，美國和其他北約國家將MEMS技術(shù)應(yīng)用在引信系統(tǒng)，同時，代表美國引信技術(shù)發(fā)展路線的美國引信年會近十幾年的報告中也有所體現(xiàn)，并且數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，應(yīng)用領(lǐng)域也愈加廣泛。表1統(tǒng)計了近年美國引信年會主題，美國引信的關(guān)注領(lǐng)域正逐漸由傳統(tǒng)的機械電子引信向先進的智能引信轉(zhuǎn)化，近年來美國對未來引信的發(fā)展方向同樣處于探索階段，但小型化、智能化與多功能化是未來引信的主要發(fā)展方向已經(jīng)得到認同。

表1　近11年美國引信年會主題統(tǒng)計

從引信年會中美國各軍兵種的主題報告中可以得出，美國對于未來引信有以下幾方面的要求：1)以現(xiàn)有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)通用性好；2)用MEMS技術(shù)降低成本，實現(xiàn)小型化；3) 多種引爆模式，適用于不同類型的目標；4)使用DSP、FPGA等嵌入式技術(shù)來處理近感引信的實時數(shù)據(jù)，可以在較寬的通信頻帶內(nèi)使用；5)開發(fā)體積更小更高效的能源系統(tǒng)；6)高費效比及高可靠性，可以在復(fù)雜環(huán)境下使用。

圖3為最近14屆美國引信年會中，以MEMS技術(shù)在引信中的相關(guān)應(yīng)用為主題或與MEMS技術(shù)相關(guān)報告的數(shù)量呈逐年遞增的趨勢。

圖3　近14年美國引信年會MEMS相關(guān)報告數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果Fig.3　Statistical results of MEMS related reports in the last 14 years

通過對國外相關(guān)專利以及引信年會的分析，國外MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用研究主要分為三步:第一步是器件級研究，主要研究耐高過載、高沖擊的用于目標信息感知和環(huán)境信息感知的傳感器，以及在高過載、高沖擊下有效控制引信動作的MEMS開關(guān)等；第二步是組件級研究，通過對相關(guān)器件深入的研究和透徹的理解，進一步研究模塊化的MEMS安全系統(tǒng)(MEMS S&A Device)、微型傳爆序列以及微能源裝置等；第三步是系統(tǒng)級集成研究，通過對MEMS器件以及MEMS組件的模塊化設(shè)計，結(jié)合通用化、系列化設(shè)計的設(shè)計思想，將MEMS安全系統(tǒng)、微型傳爆序列、微能源裝置、微發(fā)火控制單元以及微傳感器有機結(jié)合起來，形成新一代MEMS引信。

2.1典型的MEMS引信器件

早在1992年，美國國防部指示ARPA(Advanced Research Projects Agency)制定一項將MEMS技術(shù)從實驗室過渡到軍事應(yīng)用的三年計劃。美國眾多著名大學(xué)、公司和國家實驗室以典型的MEMS引信器件入手，展開MEMS技術(shù)的研究工作，包括耐高過載、高沖擊的用于目標信息感知和環(huán)境信息感知的傳感器、高過載、高沖擊下有效控制引信動作的MEMS開關(guān)以及用于MEMS引信安全系統(tǒng)第二道遠距離解除保險的執(zhí)行器等。

壓力傳感器是影響最為深遠且應(yīng)用最為廣泛的MEMS傳感器。MEMS壓力傳感器在引信中的應(yīng)用方式主要有測引信迎面氣流壓力、測火藥氣體壓力和測彈底壓力等。美海軍水面武器中心的印第安分部已經(jīng)利用MEMS技術(shù)開發(fā)出用于用魚雷引信的微小型起爆裝置，該起爆裝置就是利用MEMS壓力傳感器測量迎面流體的壓力作為起爆信息，體積僅為115 cm3，該壓力傳感器可以有效區(qū)分出彈道迎面流體壓力環(huán)境和勤務(wù)處理環(huán)境，比較適合應(yīng)用于引信安全系統(tǒng)作為解除保險信息。圖4為MEMS差壓傳感器[4]。

圖4　Indian Head流量壓力傳感器Fig.4　Flow pressure sensor designed by Indian Head

2004年AFRL設(shè)計出一種高g值壓阻式加速度傳感器(如圖5所示)，該傳感器后來被定型為Endevco 7270系列[5]，該系列傳感器最高可以測得20萬g的過載，可使引信實現(xiàn)具有可編程的計空穴或計層次起爆、計埋深起爆和延時起爆功能，并且精確控制炸點位置。美國Pcb Piezotronics 公司正在研制新型全主動橋壓阻式MEMS加速度傳感器[6]，如圖6。該技術(shù)首先應(yīng)用在量程為2萬g的系統(tǒng)中，而量程為6萬g的目前正在研制中。新型加速度計的特點為：為降低功耗，輸入電阻僅有大約5 000 Ω；僅在一側(cè)進行了離子移植，有較低的零帶測量輸出或偏置；熱零點漂移低，自通電加熱漂移低；加速度計共有三塊疊放的晶片，傳感器封裝在其內(nèi)，懸臂梁較厚，以獲得更大的量程。

美海軍Indian Head實驗室為美海軍開發(fā)的計劃用于6.75 in反魚雷魚雷引信的帶閉鎖機構(gòu)的碰合開關(guān)如圖7所示[7-8]。同時，2012年第56屆引信年會上美國陸軍武器研究設(shè)計工程中心(ARDEC)在一份對其未來引信發(fā)展規(guī)劃的報告中展示了兩種MEMS碰合開關(guān)[9]的照片，如圖8所示，上述開關(guān)分別對后座過載與離心過載敏感。這兩種碰合開關(guān)在前幾年的引信年會中也有體現(xiàn)，目前對后座過載敏感的開關(guān)已可以使用。類似的碰合開關(guān)，美軍其他機構(gòu)也有相關(guān)研究成果公布[10-12]。

圖5　7270加速度傳感器Fig.5　The acceleration sensor of 7270

圖6　全主動橋壓阻式MEMS加速度傳感器Fig.6　Piezoresistive MEMS accelerometer

圖7　帶有閉鎖機構(gòu)MEMS碰合開關(guān)Fig.7　MEMS switch with the latching mechanism

圖8　無閉鎖機構(gòu)MEMS碰合開關(guān)Fig.8　MEMS switch with out the latching mechanism

法國LAAS的C. Rossi課題組在固態(tài)開關(guān)領(lǐng)域進行了多年的研究工作，研制出了多種類型的MEMS固態(tài)開關(guān)[13]，主要有電熱蒸發(fā)斷開固態(tài)開關(guān)、電爆炸斷開固態(tài)開關(guān)及電熱焊接導(dǎo)通型固態(tài)開關(guān)。此類開關(guān)具有雙穩(wěn)態(tài)、低能量的特點，將多個MEMS固態(tài)開關(guān)組成控制邏輯網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)引信安全解保及其他功能。如圖9所示。

2.2典型的MEMS引信組件

典型的MEMS引信組件主要包括模塊化的MEMS安全系統(tǒng)、微型傳爆序列以及微能源裝置等。其中，微能源裝置主要向小體積、高能量密度方面發(fā)展，代表作是瑞士AHEAD彈ABM引信的多層壓電電源和美國M80PIP子彈近炸引信的鹵氧化物鋰電池，尺寸只有Φ6.5 mm×7 mm。而微型傳爆序列被美國列為實現(xiàn)減小引信體積，降低生產(chǎn)成本的四項關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)MEMS引信的重要技術(shù)。

2012年亞特蘭大喬治亞技術(shù)研究院(GTRI)和海軍水面作戰(zhàn)中心的印第安納總部利用微納米銅與化學(xué)氣體反應(yīng)原位生成含能材料的方法制作圓柱形雷管[14]，其裝藥尺寸為直徑2 mm、厚0.5 mm，生產(chǎn)的MEMS引信的面積大約為1 cm3，見圖10。該方法的優(yōu)勢在于無含能材料廢物，具有較好的安全性，低起爆能量，集成化程度高，允許完全的引信微型化，適于大規(guī)模生產(chǎn)。

硅橋起爆器(如圖11)體積大約為20 000 μm3，各方向的尺寸大約為10 μm的量級。該起爆器在電壓的作用下可產(chǎn)生等離子體，穿越2～5 μm的空氣間隙引發(fā)起爆藥[15]。

圖9　法國LAAS研制的固態(tài)開關(guān)Fig.9　The solid-state switch designed by LASS

圖10　采用原位裝藥方法制作的微型雷管Fig.10　The miniature detonator made by charge-situ method

圖11　微型硅橋起爆器試驗設(shè)置Fig.11　The test equipment of silicon-bridge detonator

MEMS安全系統(tǒng)對比傳統(tǒng)安全系統(tǒng)具有很明顯的優(yōu)勢，直觀上主要體現(xiàn)在體積小(尺寸縮減到傳統(tǒng)安全系統(tǒng)的5%)，質(zhì)量輕(質(zhì)量至少減輕90%)，低成本(造價減少了3/4)，可以讓出更多空間，放置更多功能模塊以及增大裝藥量，提高彈藥精確度，提高戰(zhàn)斗部威力，提高費效比[16]。其較早公布的結(jié)構(gòu)為2002年Charles. H. Robinson等人設(shè)計的小口徑武器安全系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖12(a)所示。2005年Charles. H. Robinson團隊又公布了對原有安全系統(tǒng)的改進設(shè)計，如圖12 (b)，這種安全系統(tǒng)應(yīng)用于美國理想單兵武器(OICW)25 mm高爆榴彈中。在2012年的美國專利，Charles. H. Robinson團隊披露了一種可用于20 mm空爆彈等中、小口徑彈藥的MEMS引信，如圖12(c)，可應(yīng)用于線膛炮、步槍等發(fā)射的彈藥。Charles. H. Robinson團隊MEMS安全系統(tǒng)的主要設(shè)計思路是，模塊化的MEMS安全系統(tǒng)，主要采用UV-LIGA工藝，材料選用鎳基或者銅基，由于UV-LIGA工藝對整體不能實現(xiàn)一體化加工，因此模塊化的MEMS安全系統(tǒng)對功能模塊進行一體化加工，同時，第二道遠解保險都采用電-火藥執(zhí)行器對其進行動作控制，傳爆序列采用錯位式，可以有效避免電雷管意外發(fā)火并擊穿隔爆滑塊的情況，安全性得到提升[17-19]。

(a)

(b)

(c)

在2012年第56屆引信年會上，“High-g MEMS Fuze”的主題報告中，India Head研究所為陸軍40 mm槍榴彈MK19開發(fā)了通用微引信系統(tǒng)[14]，其三維圖如圖9與樣機如圖13。

圖13　MK19中使用的引信微型安全與起爆控制系統(tǒng)Fig.13　The MEMS S&A device used in MK19

2.3MEMS引信系統(tǒng)級集成

MEMS引信系統(tǒng)級集成在MEMS引信中成功的典型案例是美國單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的20 mm空爆榴彈可編程引信微系統(tǒng)[20]，集成了微電子多模態(tài)發(fā)火控制單元、MEMS安全系統(tǒng)、微型傳爆序列和MEMS傳感器，大幅度減小體積，并使傳統(tǒng)單一的碰炸模式增加為具有空炸、入窗炸、碰炸與觸發(fā)延期等四種可編程作用模式，如圖14所示。該引信安全系統(tǒng)采用UV-LIGA工藝制造，集成低能起爆的半導(dǎo)體微橋火工品，實現(xiàn)了爆炸序列微型化和雙向起爆，體積只有0.1 in3，重量減為原來的53%，制造成本降低50%，是目前世界上最小的滿足引信安全性設(shè)計準則的安全系統(tǒng)。

美國以圖13中所示的MEMS安全系統(tǒng)為核心，通過小型化、模塊化和系列化設(shè)計，輔助以其他功能模塊，共同組成新型引信[14]，如圖15所示。該系統(tǒng)實現(xiàn)了MEMS安全系統(tǒng)與起爆控制電路的集成設(shè)計，目前主要用于MK19 40 mm槍榴彈中。

為改進中、小口徑彈藥的性能，萊克斯特公司為25 mm空爆彈藥設(shè)計了MEMS安全系統(tǒng)[21]。該研究分為Mk I階段和Mk II階段。其中Mk I研究階段的目標是：能在1 000 m的距離上，以1 m的精度控制彈藥在目標上方起爆；空爆的模式與25 mm、30 mm及40 mm口徑彈藥的最大射程相適應(yīng)；作用模式包括空爆、觸發(fā)和自毀；符合STANAG 4187標準的規(guī)定；對空爆引信進行編程的裝置與現(xiàn)有武器系統(tǒng)兼容，采用感應(yīng)線圈編程。Mk I空爆彈的結(jié)構(gòu)圖如圖16所示。而Mk II 25 mm空爆彈藥電子器件更為低成本化，可靠性更高，適應(yīng)能力更強，可根據(jù)所有中口徑彈藥進行設(shè)定。其研制流程為：先對后坐、旋轉(zhuǎn)安全機構(gòu)以及隔斷機構(gòu)等進行仿真，并進行靜態(tài)和動態(tài)測試，完成優(yōu)選后再對整個MEMS安全系統(tǒng)進行仿真、靜態(tài)和動態(tài)測試。

圖14　單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)20 mm空爆微引信系統(tǒng)Fig.14　20 mm airburst micro-fuze system used in Integrated Individual Soldier Combat System

圖15　美國MK19槍榴彈SAF系統(tǒng)Fig.15　The SAF system used in US MK19 grenade

圖16　Mk I空爆彈的結(jié)構(gòu)圖Fig.16　The structure of Mk I air-explosion projectile

3國外MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用趨勢

從以上國外在MEMS引信方面的集成和應(yīng)用，可以得到國外在MEMS引信研究中的一些特點和趨勢。

1)對MEMS引信研究開展較早，美國從1996年起已開始了對小型爆炸序列(MSF)和其相關(guān)點火裝置同MEMS引信S&A系統(tǒng)的集成研究。

2)將MEMS引信分為產(chǎn)業(yè)支撐、制造價格、生產(chǎn)設(shè)備、封裝成熟度、封裝適宜度、材料性能的一致性、安全系統(tǒng)設(shè)計的成熟度、安全系統(tǒng)反應(yīng)性能和安全系統(tǒng)執(zhí)行器性能等關(guān)鍵技術(shù)，每年都會對這些關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度進行評級，根據(jù)技術(shù)成熟度，開展下一步的工作，這也是MEMS引信產(chǎn)業(yè)的核心所在。

3)通過對引信MEMS化，不但可以提高引信的安全性能以及多功能，同時還能降低成本，提高生產(chǎn)效率，這也是國外對MEMS引信研究的驅(qū)動力所在。MEMS引信采用MEMS加工工藝，性能一致性和可靠性很高，特別是易于排除人為失誤造成的影響，便于質(zhì)量控制。大批量生產(chǎn)后生產(chǎn)效率遠高于傳統(tǒng)引信，同時成本低于傳統(tǒng)引信。

4)針對引信具有更高的性能以及可以騰出空間完成更多的任務(wù)等需求牽引，國外近幾年主要對小口徑彈和反魚雷魚雷進行MEMS化，以實現(xiàn)更高的性能，同時，在舊彈改造以及新彈研制過程中，對引信MEMS化，原有模塊MEMS化騰出更大空間，加入各種傳感器及執(zhí)行器以實現(xiàn)近炸、校射、彈道修正、毀傷評估、敵我識別等任務(wù)。

4結(jié)論

國外已經(jīng)完成了從最基礎(chǔ)的MEMS加工技術(shù)，集成電路技術(shù)以及加工工藝和材料制備到引信MEMS器件級設(shè)計并拓展到引信MEMS組件級設(shè)計，輔助自動化微裝配，走出了MEMS引信系統(tǒng)集成的道路。與國外比較，國內(nèi)MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用還有很大的差距。由于MEMS加工相關(guān)設(shè)備的不完備，以及工藝水平的限制，國內(nèi)MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用研究目前主要處于器件級研究，組件級研究還正出于探索發(fā)展中[22]。

目前，基于中大口徑榴彈的舊彈改造(笨彈變?yōu)殪`巧彈藥)，當(dāng)前有大量的庫存引信需要再設(shè)計，引信再設(shè)計是推行MEMS的機遇?；贛EMS的安全系統(tǒng)以其體積小和在高g環(huán)境下工作以及成本低廉等諸多優(yōu)點使其非常適合小口徑的炮彈,它必將在軍事方面發(fā)揮巨大作用。

隨著國內(nèi)MEMS加工技術(shù)、集成電路技術(shù)、加工工藝和材料制備與特性研究工作的進展，必將使得引信MEMS器件和組件的批量生產(chǎn)在彈藥中的大量應(yīng)用成為可能，并且其在彈藥中的應(yīng)用呈小型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、廣泛化、標準化趨勢，也使得引信MEMS器件和組件在整個國防工業(yè)中有著更廣泛的應(yīng)用前景。

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*收稿日期:2016-01-05

作者簡介:王輔輔(1986—)，男，河南平頂山人，博士研究生，研究方向：微小型引信技術(shù)與MEMES安全系統(tǒng)。E-mail:Wangfufu2004@sina.com。

中圖分類號:TJ43

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0022-07

Overview on MEMS Technology Application in Fuze

WANG Fufu, LOU Wenzhong

(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract:Along with the development of MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) technology and contemporary fuze target identification, target location, safety control ability and other military needs，MEMS technology has more and more obvious advantages in fuze application. MEMS fuze can reduce costs, resistant to high impact and other hash environment, makes fuze miniaturization, smart and intelligent development. Firstly, the characteristics and necessity of the application of MEMS technology in fuze was highlighted. Secondly, the foreign MEMS fuze development was discoursed by device-level, component-level and system-level, and the development of the MEMS fuze was overviewed. Finally, the development trends of MEMS technology in fuze were discussed.

Key words:fuze; system analysis; MEMS technology