微机电灵巧起爆器研究

　　当前高新技术武器不断出现,对现有武器装备的性能也要求不断完善和提高。随着弹药技术的发展,给引信技术的发展提出了许多更高的要求,如微型化、小型化、智能化、灵巧化以及高可靠性、低成本等要求,传统技术已经难以满足引信发展。微机电灵巧起爆器(MEMS SmartDetonators)是基于现代微机电技术、微纳米含能材料、微结构爆轰学的技术集成,具有体积小、重量轻、功能丰富以及批量生产成本低等特点,与引信技术发展的要求十分吻合[1-2]。灵巧起爆器不但大幅度提高引信、火工品信息化和智能化功能,而且可大大降低其体积和成本,并从根本上改变现有的设计理念,提升引信火工品行业水平。

　　需求的牵引和技术推动使得引信的功能不断加强,而引信体积的限制又制约了引信功能的扩展。传统的保险机构,能完成引信所要求的安全与解除保险功能,但要应用于20mm榴弹这样的小口径弹上,却有着不可避免的缺点:一是尺寸大,影响引信控制部分和战斗部的体积;二是零件数目多,不易加工,装配复杂;三是抗过载能力差,在高过载弹上强度不够。灵巧起爆器使得常规引信有更多的空间容纳多传感器探测电路或主装药,提高了弹药的精确度和杀伤力,使引信的智能化和灵巧化成为可能[3]。

　　1　国内外发展现状

　　MEMS技术最初出现于20世纪90年代初,专家认为, 21世纪是MEMS的世纪,传统的制造业将被MEMS代替,美、德、日等国家把MEMS技术发展定为国策。美国国防预研局(DARPA)从20世纪90年代后期系统地开展了MEMS项目研究,组织了美国众多大学、研究所、公司进行了70余项有关MEMS的研究。其中有多项涉及微火工品系统,典型的有: 20 mm OICW单兵武器的MEMS安保机构和引爆系统,6·25英寸反鱼雷MEMS安全起爆系统,微型卫星用MEMS微推冲器阵列。此外,还有众多的机构参与了MEMS安全起爆系统的研究工作,包括MEMS CAP(主要进行MEMS及飞片雷管的制造工艺研究)、HonewellF&T(微型发火装置和光阻断研究)、应用物理实验室(封装工艺研究)、马里兰大学(光学与封装研究)、Tanner实验室(含能器件及MEMS研发)。

　　1997年,美国国防预研局DARPA最先报道了基于MEMSS&A和微起爆器的灵巧雷管,用于OICW 20 mm空爆弹引信, 2001年, CharlesH. Robinson在第45届引信年会报道了OICW 20 mm空爆弹安保装置,论述了微发火序列(MSFMicro-Scale Fire train)结构和原理,如图1所示。2003年,第45届引信年会中对微发火序列作了进一步较为详细的报道,微结构灵巧雷管(Smart detonator)包括微雷管和错位式MEMS安保机构,微雷管装药厚度小于400μm。

　　NASEA实验室的Dr. John Robbins在第49届引信年会上报道了微引信的研制工作,引信原理如图2所示。它包含基于MEMS的环境传感器及安全逻辑控制单元和灵巧雷管(SmartDetonators),其安全设计满足MIL-STD-1316。其未来的研究计划包括结构完善、检验可行性以及将微电子、MEMS S&A和微炸药集成;研究目标是从现在的体积10~30 cm3,发展成为2 cm3。