MEMS安全系统的解除保险方式

刘加凯，齐杏林

（解放军军械工程学院弹药工程系，河北 石家庄 050003）

0 引言

安全系统作为引信系统中重要的组成部分，依靠感受正常的发射环境实现引信的保险状态和解除保险状态的转换，同时保证勤务处理的安全，是保证引信安全性和可靠性的关键子系统［1］。由于引信对安全性和可靠性的较高要求而采取了诸如双环境力冗余保险等给传统安全系统发展带来了体积难以缩小、功能难以复合等困难。而MEMS技术可以将多种器件集成于一体，不但能感知和处理信息，还可通过机械机构的动作对系统进行控制，体积大为缩小，重量大为减轻，引信功能充分扩展，使引信技术产生质的飞跃。

对于MEMS安全系统，由于其加工工艺的特点，决定了安全系统在结构形态上主要为平面结构，因此其解除保险方式与传统引信也有很大的不同，如传统的火药保险机构、球转子保险机构等不再适用于MEMS安全系统，而有些机构也需要进行改进后才能在MEMS中继续应用。本文根据MEMS技术在引信安全系统中的应用特点，将MEMS安全系统的解除保险方式分为机械式和机电式两种类型，并对各类型典型装置的结构特点和作用原理进行分析。

1 机械式解除保险

在机械式保险机构中，保险元件同时作为敏感元件，其作用利用的是发射过程中的惯性力。在惯性力的作用下，保险元件按照保险逻辑克服约束件的作用产生位移，释放隔爆件或解除对发火机构的约束，从而解除引信的保险［2］。

在MEMS安全系统中，最为常用的惯性力是后坐力和离心力。下面对两种典型的机械式MEMS安全系统的解除保险方式进行分析。

在MEMS安全系统中，后坐保险机构较多采用Z字齿形结构的后坐滑块、后坐弹簧、闭锁机构的机构形式，而钟表机构是一种可以考虑的延期解除保险机构。图1为带有后坐保险机构和钟表远解机构的MEMS安全系统示意图。

图1 一种机械式MEMS安全系统Fig.1 A sort of mechanical MEMS S＆A

该MEMS安全系统利用后坐力驱动后坐保险机构工作，利用离心力驱动钟表远解机构工作。弹丸发射时，后坐滑块在后坐力作用下向下运动，在下滑的过程中，后坐滑块侧壁的Z字齿形结构与底板上的Z字齿形结构发生摩擦与碰撞，后坐滑块分阶段下落从而起到延时的作用，保证了平时勤务处理的安全性。后坐滑块运动到位后解除了对离心滑块的约束。该钟表机构突破了传统钟表机构的结构模式，采用三个擒纵轮加三个摆的平面结构形式，同时在每个擒纵轮上增加一个弹簧。该机构可通过调整擒纵轮和卡摆的对数以及齿副对数的方式来控制解除保险时间的长短［3］。其工作过程为：在离心力作用下，最右边的擒纵轮克服弹簧的抗力，顺时针转动；在其转动期间，中间的擒纵轮由于右边擒纵轮的约束，不能运动；直至右边的擒纵轮转过一定角度，到达其扇形凹口处，不再对中间的擒纵轮构成约束，中间的擒纵轮开始转动。如果由于跌落等意外冲击，使右边的擒纵轮转动，若跌落冲击时间较短，擒纵轮还没有转动到凹口处，则在弹簧恢复力矩的作用下，擒纵轮逆时针转动，恢复到初始位置。

依据同样的作用过程，中间的擒纵轮转动一定角度后，释放左边的擒纵轮，擒纵轮转过一定角度后，释放了保险杆，保险杆在离心力的作用下，进行旋转运动，从滑块中旋出，解除对滑块的保险［4］。

上述MEMS安全系统采用单片式的设计思想，所有部件都再同一层中动作。其优点是结构紧凑，缺点是放置方向与弹轴平行，传爆序列布局与传统引信相垂直，给引信设计带来不便。美国的Koehler等人设计并制造了一种采用分层结构的MEMS安全系统，突破了单片式的设计思想［5］。

如图2所示，该系统由后坐卡锁、滑块、弹簧、卡销、基板等组成。后坐卡锁采用悬臂梁的结构设计，平时状态下滑块被后坐卡锁卡在保险位置。图3是该安全系统的解除保险过程，当发射时，后坐卡锁在后坐力作用下向下运动脱离滑块，解除对滑块的第一道保险；在弹丸旋转离心力的作用下滑块克服弹簧的抗力向右运动，达到一定的炮口远解距离之后运动到位，卡销卡入滑块止动卡槽中，解除第二道保险，此时传爆序列对正，引信处于待发状态。

图2 分层式MEMS安全系统Fig.2 Layered MEMS S＆A

图3 MEMS安全系统的解除保险过程Fig.3 Arming course of MEMS S＆A

与其他MEMS安全系统相比，该MEMS安全系统的传爆序列布局与传统引信相同，引信的布局可以比较方便合理。后坐保险采用悬臂梁结构的设计减小了机构的体积；弹簧采用片状结构，设计简洁并降低了制造的难度。但该安全系统在平行于弹轴方向的位移较小，对后坐保险机构的设计以及机构运动到位后的定位设计带来了一些新的问题。

2 机电式解除保险

与机械式解除保险相比，机电式解除保险的主要特征是环境传感器代替了机械环境敏感装置，同时解除保险的驱动一般也采用电能作动器。机电式MEMS安全系统可利用诸如微加速度传感器、微温度传感器、微压力传感器、微声传感器、微磁传感器等实现对引信使用环境中的加速度、引信头部的温度、压力和噪声、弹的自转信息等环境信息进行测量［6］，使可供利用的引信环境信息更加多样化，并通过对环境信息的识别判断后再传输给安全系统的执行机构。如美国的理想单兵武器（OICW）系统20 mm高爆榴弹定距空炸引信，采用微磁传感器检测弹丸的转数，转过预定的转数后给出解除保险信号，使作动器工作，解除对滑块的保险。

由于微机电传感器对环境信号的测量已经在许多文献中进行了分析，因此不再阐述。本章重点分析电解除保险过程中如何利用电能作动器解除保险。在机电式MEMS安全系统中，电解除保险常用的微驱动方式主要包括电磁驱动、电火药驱动、电热驱动、形状记忆合金驱动等，下面分别对具有上述微驱动方式的MEMS安全系统的结构特点和作用原理进行分析。

2.1 电磁驱动

电磁驱动是利用电磁感应原理，使通电铁芯线圈中产生电磁场从而吸引衔铁工作的一种驱动方式。一种应用在分布式导弹系统中的电磁驱动式MEMS安全系统如图4所示，该MEMS引信安全系统主要包括隔爆合件5、起爆药组件、输入药组件、输出药组件、滑块电磁驱动器12、锁销电磁驱动器13及电路板14等［7］。其中最关键的部件就是隔爆合件5，它是整个系统中起隔爆和解除保险作用的装置，是安全系统的核心部件。

图4 电磁驱动式MEMS安全系统Fig.4 Electromagnetic actuated MEMS S＆A

当导弹发射时，首先由传感器探测到环境信息，锁销电磁驱动器在接收到解除保险信号后，先后从滑块中脱离出来，解除对滑块的约束。当引信延时计时结束后，滑块电磁驱动器开始动作，滑块运动到对正位置，此时锁销驱动器断电，锁销在弹簧恢复力的作用下卡入滑块的解除保险卡槽中，此时引信进入解除保险状态。

该MEMS引信安全系统利用电磁驱动力解除保险，可充分利用传感器阵列探测目标实现解除保险与起爆。对它进行局部改进还可应用在子弹药、火箭弹及迫击弹引信系统中，在引信中有着极大的发展前景。但电磁驱动存在易受电磁干扰的缺点。

2.2 电火药驱动

电火药作动器是一种通过电能点燃火药，并利用火药燃气的推力做功的火工品，具有响应速度快、驱动力大、驱动距离远等优点，是MEMS安全系统中常用的解除保险方式，典型代表如应用于美国OICW 20mm高爆榴弹引信MEMS安全系统中的摇杆锁命令微作动器，如图5所示。图6为该MEMS安全系统的解除保险过程。

图5 摇杆锁命令微作动器Fig.5 Rocker lock command micro－actuator

图6 20mm高爆榴弹引信MEMS安全系统Fig.6 MEMS S＆A of 20mm high explosive shrapnel fuze

平时状态下，离心滑块被后坐滑块和摇杆锁卡住，不能向右运动；当引信发射时，后坐滑块感受后坐环境解除第一道保险，到达延期解除保险距离时，引信电路发出解除保险信号，使点火药作用并推动微活塞向下运动，打向摇杆锁的一端，迫使该端下降，而使摇杆锁卡住滑块的一端上升并最终从滑块中脱离，解除对离心滑块的约束；离心滑块在离心力的作用下向右运动到位，使传爆序列对正，引信处于待发状态［8］。

摇杆锁命令微作动器经验证，具有较高的可靠性，在美国第50届引信年会中出现的MEMS安全系统改进结构中［9］，依然保留了摇杆锁命令微作动器，此结构已经成为美国MEMS安全系统设计中重要的延期控制模块。

2.3 电热驱动

电热驱动也是MEMS中常用的驱动方式，其作用原理是依赖于焦耳热和热膨胀。当电流通过材料时产生焦耳热来使材料由于热膨胀而伸长，伸长量为Δl＝αl0ΔT，其中α为材料的线性热膨胀系数，l0为材料长度，ΔT为材料温度升高量。

目前应用在引信中的电热驱动结构主要有两种，一种是V型电热驱动，另一种是弯曲梁电热驱动，如图7所示。这两种结构的主要区别是前者驱动路径是直线形，后者是弧形。图8为弯曲梁电热驱动器的作用过程，由于细梁的横截面积较小，则电阻较高，当电流通过材料时，细梁的温度较粗梁迅速升高，伸长量也较粗梁迅速增长，导致驱动器发生弯曲，梁末端的位移量最大。

图7 电热驱动形式Fig.7 Electronic－thermal actuated method

图8 电热驱动器作用过程Fig.8 Acting course of Electronic－thermal component

为了使电热驱动器具有较大的位移量和驱动力，需在原理模型的基础上进行改进。图9为某型MEMS安全系统中用于延期解除保险控制的作动器［10］，该作动器由三个弯曲梁电热驱动器组成，增大了驱动力。另外，每个细梁下增加了一条横截面积相同但长度更长的细梁，根据热膨胀原理，可有效增加驱动器的伸长量，同时增大驱动力。

图9 由三个电热驱动器组成的作动器Fig.9 Driver composed of three electronic－thermal components

电热驱动具有驱动电压低、结构简单、驱动力大以及易于同集成电路制造工艺相兼容的优点，在MEMS安全系统中具有较好的应用前景。

2.4 形状记忆合金驱动

形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）在发生塑性变形后，经过加热到某一温度之上，能够回复到变形前形状，这就是形状记忆效应［11］。形状记忆合金具有体积小、重量轻、无磁性、无噪声启动等优点，且只对温度敏感，可利用通电使其受热变形，解除对机构的保险。另外，利用MEMS加工技术可以很方便地对记忆合金进行加工，为其在MEMS安全系统中的应用提供了便利条件。

由于引信MEMS机构在结构形态上主要为平面结构，因此传统的形状记忆合金套温控保险机构难以采用MEMS工艺加工，而销温控保险机构却易于加工，其示意图如图10所示。

图10 形状记忆合金销解除保险机构示意图Fig.10 Sketch map of SMA pin arming machine

形状记忆合金销温控保险机构主要由滑块、TiNi形状记忆合金销和弹簧等组成。常温状态如图，合金销将滑块锁定，当接收到解除保险信号时，加热记忆合金使其温度升高到相变温度，从而使其恢复到记忆形状，合金销缩短而拔出滑块卡槽，将滑块释放，在离心力和弹簧力的共同作用下运动到位，解除保险。

2.5 各种驱动器的性能比较

以上是四种典型应用于MEMS安全系统中的驱动器，对于不同结构和性能要求的安全系统，需根据驱动器的性能特点进行相应的选择，下面对各驱动器的特点进行比较，如表1所示。

表1 电解除保险驱动器性能比较Tab.1 Performance compare among electrical arming actuations

除上述驱动器外，还有静电驱动、超声驱动、磁流变驱动等，在此不一一介绍。

3 不同解除保险方式的比较

机械式MEMS安全系统有较强的抗干扰性和可靠性，可以在很强的环境力作用下应用，自主敏感发射环境，并利用环境力解除保险而无需电源供电，体现了“无源芯片”式的设计思想。但也正因为如此，使发射周期开始后的许多环境信息较难或不能被机械机构所敏感和利用，限制了机械解除保险方式的应用。另外，延期解除保险时间等指标是通过机械结构来满足的，对机构的加工精度也要求较高。目前，机械式MEMS安全系统主要应用于具有较强后坐环境和旋转环境的弹药中。

机电式MEMS安全系统利用各类MEMS传感器探测发射和飞行过程中的可资利用的环境信息，并可对信息进行各种逻辑处理、数字处理、时间窗控制等，使火箭弹、导弹、迫击炮弹等弹药的冗余保险设计较容易解决，并通过各种作动器执行动作，易实现引信的智能化，MEMS安全系统将是发展的主流。机电式MEMS安全系统从理论上说具有非常广的使用范围，但国内目前能够经受引信严酷环境的一些MEMS传感器（如高g值加速度计）还处于研制阶段，在一定程度上限制了机电式MEMS安全系统的应用。另外，机电式MEMS安全系统容易受到战场环境的电磁干扰，对系统的依赖性较强，如对传感器电路和弹载电源的依赖。

4 结论

本文将MEMS安全系统解除保险方式分为机械式和机电式两种类型，并对各类型典型装置的结构特点和作用原理进行了分析，重点归纳了如何利用惯性力实现冗余保险解除，如何采用电磁、电火工、电热、形状记忆合金等驱动方式实现延期解除保险，并对各种解除保险方式的优缺点进行了比较。本文的分析对MEMS安全系统的研究人员有一定的参考价值。

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