基于小口徑彈藥的柔性安保機構設計

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)有限責任公司， 重慶 401120)

1 引言

微電子技術的發(fā)展，推動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計，要求在彈藥有限體積內盡可能增加炸藥裝藥量，以提高其毀傷效能，這就進一步壓縮了引信空間。采用MEMS技術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，有效實現(xiàn)引信小型化，增大彈丸裝藥量、降低生產成本，提高彈藥的精度和殺傷力，快速促進智能、靈巧型彈藥的發(fā)展。現(xiàn)在，MEMS在引信中的應用已經相當廣泛。其中，美國MK19 40 mm槍榴彈、MkII 25 mm空爆彈應用的起爆開關微引信系統(tǒng)都是MEMS集成應用于引信的典型代表。而MEMS安全系統(tǒng)結構多為近似平面結構，該系統(tǒng)能在高動態(tài)環(huán)境下，感知過載并實現(xiàn)結構運動，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年完成改進設計，該裝置在一定的回擺和旋轉加速度驅動下有著良好的性能，但因尺寸較大，實際應用受限。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構集成化沖擊傳感器的MEMS沖擊開關，該開關無需電源驅動，在感受到沖擊加速度高于預設閾值時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年利用電熱技術驅動安全系統(tǒng)，通過表面微加工技術成功地將其尺寸降至毫米級。但這2個團隊設計的安全系統(tǒng)都因結構強度低，在高過載條件下可靠性差，引信使用失效率高。經過近幾年的發(fā)展，2015年Hu T等完成了由4個電熱執(zhí)行器和推進劑組成的可移動結構電熱安全系統(tǒng)研制和試驗，使得失效率大幅降低。為了提高安全保險系統(tǒng)的可靠性，他們同樣引入了互鎖機構，成功地將芯片尺寸減小到8 mm×8 mm×0.5 mm，但未能與點火裝置結合，導致S&A系統(tǒng)并不完整。本文針對現(xiàn)有的MEMS安全系統(tǒng)結構，開展了針對柔性材料在高動態(tài)環(huán)境中的響應機制研究，對其進行了理論分析和模型建立。通過COMSOL有限元分析軟件對結構設計、材料選型等進行理論計算和仿真建模，得到優(yōu)化的安全系統(tǒng)結構，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懸臂梁式后坐保險機構為例，根據設計要求，后坐保險機構在柔性安全系統(tǒng)中承擔著區(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。設定各器件符合胡克定律，懸臂梁式后坐保險機構不同于傳統(tǒng)的單片式設計，傳爆序列形成一條直線，可節(jié)省傳遞過程的爆轟能量。其基本運動模型可以等效于彈簧質量阻尼系統(tǒng)，如圖1(a)、(b)所示。由于質量塊的質量遠大于彈簧的質量，同時阻尼力遠小于系統(tǒng)工作時的慣性力，為簡化分析過程，可忽略彈簧的質量與阻尼對系統(tǒng)響應的影響，將加速度環(huán)境下的后坐保險機構等效為一個無阻尼單自由度受迫振動系統(tǒng)，簡化后的物理模型如圖1(c)。

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

從圖2中可以看出，當系統(tǒng)固有角頻率較低時，系統(tǒng)正常發(fā)射的最小響應位移隨系統(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)跌落時最大響應位移始終隨系統(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。

由兩條曲線的交點坐標可知，在系統(tǒng)固有角頻率較小(小于6 276.12 rad/s)時，后坐保險機構在發(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 安保機構物理模型示意圖

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

3 仿真分析

后坐保險機構模型見圖3，根據理論分析得出，若后坐保險機構的懸臂梁固有頻率小于6 276.12 rad/s時，后坐保險機構的最低發(fā)射條件下的位移響應始終大于跌落環(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，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系統(tǒng)所占用的體積。

根據理論分析滿足的固有頻率，建立懸臂梁后坐安全機構的實體模型，并對懸臂梁的尺寸進行了初步選擇：長2 mm，寬0.8 mm，厚0.6 mm。該設計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，即可視為保險穩(wěn)定解除。

圖3 后坐保險機構模型示意圖

意外跌落時，分別選取0.1 ms,15 000以及0.15 ms,15 000進行瞬態(tài)動力學仿真，得到懸臂梁最遠端點A處的位移隨時間的變化趨勢如圖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的最大位移達到了1.25 mm。這證明了理論分析所得的結論：在意外跌落時，對于固有頻率一致的器件，加速度脈寬越大，后坐保險機構的位移越大。

圖4 懸臂梁最遠端點A處的位移響應曲線

對于脈寬為0.15 ms的加速度，其最遠端的最大位移為1.25 mm。由于懸臂梁與隔爆滑塊重疊區(qū)域為懸臂梁長度的0.6倍，因此重疊末端的最大位移應小于最遠端A點位移的一半，約為0.5 mm(如圖5)。此時隔爆滑塊依然被卡住。

圖5 15 000g跌落加速度下后坐保險系統(tǒng)的位移云圖

由PDMS的物理性質可知，其拉伸強度為2.24 MPa，跌落時應力云圖如圖6。跌落狀態(tài)下最大應力出現(xiàn)在懸臂梁后坐保險機構的固定端，為0.8 MPa，遠小于PDMS材料的極限拉應力。在意外施加的跌落加速度后，由于柔性材料的彈性影響，懸臂梁會很快回復到初始狀態(tài)。此時后坐保險系統(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。

圖6 15 000g跌落加速度下后坐保險系統(tǒng)的應力云圖

而在正常發(fā)射時，選取4 ms,12 000和6 ms,12 000兩種發(fā)射加速度進行仿真。其位移響應曲線如圖7，在加速度達到最大值(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時間后，懸臂梁位移距離均超過2 mm，此時后坐保險機構穩(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，第一道保險解除。

圖7 正常發(fā)射時懸臂梁最遠端的位移響應曲線

當位移達到最大時，后坐保險機構所受的應力如圖8所示。從理論分析的結果可知，仿真時選取的發(fā)射狀態(tài)下加速度所得出的應是理論最小應力。其中最大應力出現(xiàn)在懸臂梁的固定端，為1.92 MPa。該數值接近于PDMS材料的拉伸強度，所以應考慮正常發(fā)射中，出現(xiàn)更大的應力機構作用情況：由于柔性材料的物理屬性，懸臂梁可能會在固定端發(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。此時隔爆滑塊不再有懸臂梁結構阻擋，依然可以穩(wěn)定解除保險。

圖8 位移最大時后坐保險機構的應力云圖

簡化模型分析證明，該懸臂梁式后坐保險機構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，懸臂梁可以有效阻擋隔爆滑塊的移動，起到定位作用；正常發(fā)射時懸臂梁變形不再阻擋隔爆滑塊的移動，從而保證發(fā)射時安全系統(tǒng)的可靠解保。

4 工藝設計

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)晶元進行加工，所制備的傳感器芯片經鍵合后，其峰值形態(tài)達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，推動了MEMS設計及工藝技術的不斷進步。

本文所設計的柔性安全系統(tǒng)結構為Φ14 mm×0.8 mm的微型電子器件，結構相對簡單，但工藝精度要求高，適合采用納米加工技術。由于設計目的要求該MEMS器件應滿足批量生產的需求，而傳統(tǒng)的刻蝕技術和納米結構制備效率無法達到生產需求，所以采用納米壓印技術進行該MEMS器件的制備。

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

圖9 納米壓印過程示意圖

根據設計需求，本MEMS器件結構簡單，所采用的材料PDMS與硅片之間具有良好的黏附性，所以應采用熱壓印工藝進行制作。根據前文設計所體現(xiàn)的該柔性MEMS安全系統(tǒng)的結構特征，選取了納米壓印工藝中的熱壓印技術對該MEMS器件進行加工。根據傳統(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計了加工柔性MEMS的具體方法。

5 結論

1) 本文所設計的柔性MEMS安全系統(tǒng)，擴大了水平基板式MEMS系統(tǒng)引信后坐保險機構軸向行程，將傳統(tǒng)的慣性銷式保險機構優(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響應計算，驗證了該模型的合理性。

3) 采用了納米熱壓印技術，利用PDMS優(yōu)良的表面黏附特性，設計出簡潔、合理的加工流程，可應用于后續(xù)小口徑彈藥引信驗證。