微小型起爆序列初步设计与性能研究

解瑞珍, 李黎明, 刘兰, 任小明, 薛艳

( 陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室， 陕西 西安 710061)

微小型起爆序列初步设计与性能研究

解瑞珍, 李黎明, 刘兰, 任小明, 薛艳

( 陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室， 陕西 西安 710061)

为适应引信微小型化发展的需求，采用基于微机电系统工艺技术，开展微小型起爆序列的设计及性能测试研究。起爆序列初步集成了引信安全与解除保险及发火功能，体积为3 cm3；该结构包括底层、中间层和顶层，其中底层包括隔断单元和传爆药装药，中间层由微雷管和硅基烟火微驱动器构成，顶层为信息控制电路。测试结果表明，微小型起爆序列实现了解除保险、安全隔爆与可靠传爆的功能，平均输出爆轰压力为10.85 GPa.

兵器科学与技术； 火工品； 微起爆序列； 微雷管； 烟火微驱动器； 输出压力

0 引言

引信体积的减小使弹药有更多的空间容纳多传感器探测电路和战斗部装药，提高弹药对信息的利用水平，使得弹药具有更大的致死空间和更高的目标摧毁效力，同时有利于弹药的信息化、智能化发展。引信小型化的重要途径是采用微机电(MEMS)系统技术，其比较小的特征尺寸提供了降低质量与体积的优势。美国的MEMS安全保险装置的研究一直处于世界的领先水平，美军在单兵综合作战系统(OICW)空炸引信中采用MEMS安全系统，在导弹中大量采用全电子安全系统，在鱼雷引信中采用微光机电安全系统，在有限的引信体积内实现了引信功能的拓展,满足了武器弹药系统的精确打击、高效毁伤等功能要求[1-3]。美国在致力安全系统微小型化研究的同时,火工品技术微小型化也带到了越来越多的关注[4]。2010年美国海军水面武器中心(NSWC)的Daniel博士介绍了一种MEMS微小型起爆系统，该系统的起爆元件直径为2 mm，厚度0.5 mm，采用错位式结构。该微起爆系统已经应用于美国海军陆战队用81 mm城市精确打击迫击炮弹药中，并且在2014年进行了实弹演示验证试验[5]。2015年美国卡曼公司为40 mm榴弹研制的MEMS引信，采用强度极高的镍- 钴合金，通过层层叠加工艺制造。该引信中爆炸序列的初级装药为斯蒂芬酸铅，叠氮化铅装填在安保滑块上；安全状态下，斯蒂芬酸铅与叠氮化铅错开，解除保险后，斯蒂芬酸铅与叠氮化铅装药正对，爆轰通道形成，传爆药装药采用的是HNS. 该引信的设计符合美国军用标准MIL-STD-1316E的要求，技术成熟度为6级[6]。2016年美国NSWC和军备研究、开发与工程中心(ARDEC)开展了基于James起爆判据的MEMS引信的起传爆序列可靠性评估研究[7]。国内文献[8-12]针对引信技术的小型化发展，开展了微起爆序列相关技术的研究，如微桥膜换能元，微雷管、微纳结构含能材料等技术的研究，并且获得了一定的阶段性成果，但是就整个起爆序列的设计、集成与性能测试的研究，还没有相关的研究报道。

本文在微雷管、微驱动器技术研究的基础上，将信息控制电路、微雷管、烟火微驱动器、隔断单元、传爆药装药集成，完成微小型起爆序列设计与制作，并且对其性能进行了测试。

1 微小型起爆序列的结构组成及原理分析

设计的微小型起爆序列原理示意图如图1所示，由控制电路、烟火微驱动器、隔断单元、微雷管、传爆药装药等组成，集成了安全与解除保险及发火功能，体积为3 cm3. 序列结构包括底层、中间层和顶层，其中底层包括隔断单元和传爆药装药，中间层由微雷管和硅基烟火微驱动器构成，顶层为信息控制电路。

图1 微小型起爆序列原理示意图Fig.1 Schematic diagram of micro initiation train

微小型起爆序列工作过程示意图如图2所示。在安全模式下，隔断单元隔开了微雷管和传爆药装药。当信息控制电路识别到解除保险信号后，解除保险即烟火微驱动器作用，驱动隔断单元移动至设计位置，使得微雷管、隔断单元上的装药、传爆药装药对正，形成爆轰通道。信息控制电路得到发火信号后，给微雷管提供发火能量，微雷管作用，完成起爆功能。由于微雷管装药尺寸小，装药量少，采用了微雷管驱动飞片经加速膛起爆隔断单元上装药的设计，以保证序列在小尺寸装药条件下爆轰的可靠传递。

图2 微小型起爆序列工作过程示意图Fig.2 Working process of micro initiation train

经试验研究，飞片材料优选了Ti，厚度为20 μm，加速膛尺寸优选了φ1.0 mm×1.0 mm，加速膛材料为硅。隔断单元上装药优选了六硝基杂异伍兹烷(CL-20)，平均粒径为0.5 μm，装药尺寸为φ1.5 mm×1.0 mm，装药密度为1.5 g/cm3. 传爆药装药优选了JO-9C，装药尺寸为φ2.4 mm×3.0 mm，装药密度为1.5 g/cm3.

微雷管由Prex7740玻璃衬底、制作在玻璃衬底上的Ni-Cr桥膜换能元、含有装药腔体的硅片层以及含能材料构成。制作工艺流程大致为在Prex7740玻璃衬底上采用溅射、光刻、腐蚀等工艺完成Ni-Cr桥膜换能元的制作。选择双面抛光硅片，采用深硅

刻蚀工艺完成装药腔体的制作，将含有换能元的Prex7740玻璃衬底与含有装药腔体的硅片键合在一起。划片后完成单个微雷管的结构制作，最后在微雷管的装药腔体中进行纳米多孔叠氮化铜的原位生成。Ni-Cr桥膜换能元桥区尺寸0.15 mm×0.15 mm，平均电阻值为4.8 Ω；装药腔体尺寸为φ1.0 mm×1.0 mm，平均装药密度1.93 g/cm3.

烟火微驱动器与微雷管的结构与制作工艺相同，其作用原理为焦耳热点火后，含能材料分解产生热的气体增加了微驱动腔体内的压力，从而使隔断单元从安全位置移动至解除保险位置。因此微驱动器装药选择了发火感度敏感，产气量较高的4,6-二硝基-7-腈-7-羟基氧化呋咱钾(KDNBF)。通过不同装药尺寸、不同装药量等条件下，烟火微驱动器驱动滑块的运动规律研究，微驱动器的装药尺寸优选了φ1.5 mm×1.0 mm，装药量为2 mg.

微驱动器与微雷管的照片如图3所示，微驱动器与微雷管的尺寸均为3.0 mm(长)×3.0 mm(宽)×1.5 mm(高)，通过引线键合的方式与信息控制电路集成在一起。

图3 微雷管与烟火微驱动器照片Fig.3 Photographs of micro-detonator and micro-actuator

信息控制电路的设计采用专用集成电路芯片完成对信息的编码和识别，并根据信息码完成解除保险和起爆的控制。主要由通信接口、电源管理电路与整流电路、信息识别电路、隔离电路、逻辑控制电路、非易失性存储器、时钟电路、复位电路等组成。电路原理图如图4所示。

图4 控制电路原理图Fig.4 Schematic diagram of control circuit

控制电路信息编码及识别协议设计，采用可寻址总线协议设计，主要进行起爆序列和总线控制器协议的设计，采用485总线物理层，设计总线的应用层，包括总线发送接收协议；采用CRC校验进行总线的差错控制；根据起爆命令方式，制定出协议控制命令；在保证协议正确完备的基础上，提高总线的速率。采用主从式应答网络协议，即在总线控制器协议命令的控制下，微雷管根据协议命令，返回命令执行后的结果。

根据起爆序列的系统设置，协议命令可以分为以下两类：总线控制器到微雷管协议命令和微雷管到总线控制器协议命令。总线控制器发送给微雷管典型命令有：充电；起爆；充电开关、发火开关和泄放开关状态监控；微雷管状态检测；发火电容充电电压检测；数据通讯自测；查询微雷管地址等。除了常规命令之外，还有针对特定节点组的广播命令。典型的广播指令是所有节点的充电和起爆命令。

信息控制电路可以识别4位起爆信号，起爆电压为8～27 V，两路发火电容20 μF.

控制电路、烟火微驱动器、隔断单元、微雷管、传爆药装药等集成的微小型起爆序列原理样机照片如图5所示，直径为18 mm，高度为11.8 mm,体积为3 cm3.

图5 微小型起爆序列照片Fig.5 Photographs of micro initiation train

2 微小型起爆序列的性能测试及结果分析

2.1 微小型起爆序列的功能测试

微小型起爆序列4位编码信号的写入与读取，由微控制器采样总线转换器输入的通信信号，并对采样的编码进行比对，如果是自己的编码信号，则执行发火控制，否则，拒绝执行发火命令。发火控制电路，采用两路独立控制放电模式，分别完成解除保险和起爆。

微小型起爆序列可以识别4位信号的功能测试如下：1)打开通信端口，进行通信检测；2)写入编码信号，如图6(a)所示；3)读取编码信号，如果与写入的编码信号一致，则完成编码的识别，结果图6(b)所示。

图6 微小型起爆序列信息识别功能测试Fig.6 Information identification function test of micro initiation train

从图6中试验测试结果可以看出微起爆序列可以识别4位信号。

对微小型起爆序列进行了功能测试，在安全模式下，微雷管驱动飞片经加速膛，传爆药装药没有作用，实现了安全隔爆的功能。当控制电路识别起爆信号后，微驱动器驱动隔断单元移动至预定位置，使得微雷管、隔断单元上的装药、传爆药装药对正，实现解除保险功能。微雷管发火后驱动飞片起爆隔断单元上的装药，进而起爆传爆药装药，实现了序列的起爆功能。具体如表1所示。

2.2 微小型起爆序列直流感度与安全电流测试

依据国家军用标准GJB/Z377A—1994 感度试验用数理统计方法规定的感度试验方法：兰利法，对微起爆序列的直流发火感度进行了测试。选用的发火电源的电流分辨率为0.1 mA，试验数据分布假设为正态分布，试验结果的标准差不做修正。微起爆序列直流发火感度测试用电路原理图如图7所示，试验结果如表2所示，经计算平均发火电流203.2 mA，标准差7.9 mA. 对没有发火的样品的电阻进行测试，其中195.3 mA、202.9 mA、195 mA、196.6 mA的直流感度测试试验后，电阻明显增大。187.5 mA电流作用后，电阻由原来的4.5 Ω变成了5.4 Ω. 173.6 mA及小于173.6 mA的电流作用后，电阻不变。

表1 微起爆序列原理样机功能测试结果Tab.1 Function test results of micro initiation train

图7 直流发火感度测试用电路原理图Fig.7 Schematic diagram of DC sensitivity test circuit

表2 微起爆序列直流发火感度测试结果Tab.2 DC sensitivity test results of micro initiation train

采用恒流源对微小型起爆序列的安全电流进行测试，测试电路原理图如图7所示。给微小型起爆序列通以直流100 mA，通电5 min，样品全部没有出现发火或换能元桥区熔断的现象，且电阻值保持不变。安全电流测试完毕后，对做过安全电流测试的微小型起爆序列进行发火测试，结果如表3所示。

表3 微小型起爆序列安流测试结果Tab.3 Test results of safety current of micro initiation train

从表2和表3可以看出，微小型起爆序列属于敏感火工品，在感应100 mA电流的情况下是安全的。

2.3 微小型起爆序列输出性能测试

考虑到微小尺寸装药的特点和爆轰波传递的特征，采用了阻抗匹配法关联界面压力与爆压，通过测量界面中的压力，换算爆压。锰铜压阻传感器测压原理是微小尺度装药爆轰波是典型的二维定常流动，其中爆轰波以稳定的速度传播，但波形呈曲面，波阵面压力在中心处最大，并沿径向衰减，呈轴向对称分布。根据微尺度炸药装药爆轰压力的定义，爆轰波阵面的最大压力为装药的爆轰压力。因此微尺度装药的爆压是曲面爆压波阵面中心处的压力，本方法采用阻抗匹配法关联界面压力与爆压，通过测量界面中心的压力，换算爆压。

采用锰铜压力传感器，设计制作专用试验工装，对微起爆序列进行输出压力测试。试验用测试系统由锰铜压阻传感器、数字示波器、小型爆炸容器、多通道高速同步脉冲恒流源等组成。测试系统连接框图如图8，测试系统照片如图9所示。

图8 测试系统连接框图Fig.8 Connection diagram of test system

图9 测试系统照片Fig.9 Photograph of test system

示波器主要性能指标：分辨率优于8 bit，采样率不低于1×108s-1，记录时间大于10 μs，至少有2个通道。微起爆序列在小型爆炸容器中的连接示意图如图10所示。

图10 微起爆序列测试连接图Fig.10 Test connection diagram of micro initiation train

微起爆序列爆压测试的典型示波器图如图11所示，V0为传感器在恒流下的电压值；ΔV为动态压力作用下电压的增加值。测试结果如表4所示，平均输出压力为10.85 GPa.

图11 微起爆序列爆压测试的曲线图Fig.11 Output pressure curves of micro initiation train

表4 微小型起爆序列输出压力测试结果Tab.4 Output pressure test result of micro initiation train

从表4中可以看出，微小型起爆序列的输出压力具备起爆引信爆炸序列HMX基装药的能力。

3 结论

本文设计制作了由信息控制电路、微雷管、烟火微驱动器、隔断单元、传爆药等构成的微小型起爆序列。其中微雷管、烟火微驱动器制作基于MEMS工艺技术，实现了芯片化设计，提高产品性能一致性的同时，使火工品制造手段的升级换代成为可能，

微小型起爆序列集成了安保及发火功能，体积为3 cm3，其结构包括底层、中间层和顶层。底层包括隔断单元和传爆药装药，中间层由微雷管和硅基烟火微驱动器构成，顶层为信息控制电路。形成了原理样机，拓展了火工品的功能，也是未来引信技术信息化发展的需求。

微小型起爆序列性能初步测试的结果显示微小型起爆序列实现了解除保险、安全隔爆与可靠传爆的功能，平均输出压力为10 GPa左右。表明微雷管驱动飞片起爆隔断单元上的装药，进而起爆传爆药装药的起爆序列装药结构的设计方案是可行的，微小型起爆序列的输出压力具备起爆引信爆炸序列HMX基传爆药装药的能力。

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Study of Design and Performance of Micro Initiation Train

XIE Rui-zhen, LI Li-ming, LIU Lan, REN Xiao-ming, XUE Yan

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory，Shaanxi Applied Physics-chemistry Research Institute, Xi’an 710061, Shaanxi, China)

A micro initiation train is designed to meet the requirement of MEMS fuze. The micro initiation train integrates all the functions of a conventional mechanical safety and arm (S&A)fire system, and integrates them within 3 cm3. The architecture of the micro initiation train consists of bottom, intermediary and top layers. The bottom layer contributes to the mechanical arming and detonation transfer function. The intermediary layer is Si-based initiator and micro-pyrotechnical actuator. The top layer is the electronics and power supply. The test results show that the safe, arming and firing functions of micro initiation train are achieved, and the output pressure is about 10.85 GPa.

ordnance science and technology; initiator and pyrotechnics; micro initiation train; micro detonator; micro-pyrotechnical actuator; output pressure

2016-06-15

解瑞珍(1977—)，女，高级工程师。E-mail: xieruizhen@126.com

TJ450.2

A

1000-1093(2017)03-0460-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.03.007