引信MEMS保险机构剪断式后坐卡销*

程玄玄，聂伟荣，李艳桥，卢西山

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

0 引言

MEMS系统（micro electromechanical system）是在微电子和微机械技术上发展起来的一门多学科交叉技术，具有微型化、集成化、智能化等特点[1－3]。

MEMS在引信中的应用，涉及到引信的安全系统、发火系统及点火控制系统[4]。引信 MEMS安全与解除保险装置具有体积小、成本低、可靠性高等优点，使得常规引信有更多的空间容纳多传感器探测电路和主装药，提高了弹药的精确度和杀伤力[5]。

利用后坐力解除保险的引信MEMS安全与解除保险装置，其后坐卡销多为非剪断式，插头形状为立方体。在后坐滑块解除保险之前，卡销在后坐力的作用下，提前发生位移，解除保险的行程变小，系统的安全性降低。为此，提出一种剪断式后坐卡销，应用于一种新型引信MEMS安全与解除保险装置上。

1 引信MEMS安全与解除保险装置特征

图1所示为美国陆军兵器研究发展与工程中心（ARDEC）研制的一种引信MEMS安全与解除保险装置以及放大的后坐卡销示意图。弹丸发射后，后坐滑块（setback slider）在后坐力的作用下向下运动一段距离，与卡销横梁接触，推动卡销运动，直到插头离开卡槽，解除保险。此类非剪断式后坐卡销存在一个缺点，由于插头为规则立方体，不能限制后坐卡销沿着后坐力方向上的运动。在后座滑块接触到卡销横梁之前，卡销在后坐力的作用下提前发生一段位移，使得卡销解除保险的行程变小。

图1所示为安全状态，当所有保险解除完成后，保险滑块（arming slider）向右运动到位，传爆孔对正，机构进入解除保险状态。

图1 ARDEC安全与解除保险装置

针对电磁驱动引信MEMS安全与解除保险装置尺寸大，不利于实现微小型化的缺点，利用ARDEC安全与解除保险装置直接利用后坐环境力解除保险的原理，文中提出一种电热驱动引信MEMS安全与解除保险装置，如图2所示。该装置主要由中间滑块、电热驱动器、后坐滑块、后坐卡销、锁销组成，电热驱动器上下对称分布。主要应用在迫击弹、微旋弹等弹种之上。

该机构的工作原理为：发射前，中间滑块被电热驱动器卡住，弹簧处于压缩状态，传爆孔被中间滑块挡住，起到隔爆作用，机构处于安全状态。发射后，后坐滑块在10000g的后坐加速度下向下运动一段距离，同时，后坐滑块推动后坐卡销运动，直到卡销被剪断，解除第一道保险。此过程为机械过程。

当环境传感器响应不同的环境信号，发出解除保险信号至上下电热驱动器，驱动器通电发热，在驱动力的作用下运动，卡入上下对应的卡槽中。

弹丸在出炮口到安全与解除保险装置最后一道保险解除时的飞行距离为炮口安全距离，设计中要控制炮口安全距离大于战斗部的杀伤半径，实现安全距离保险。当最后一道保险解除后，中间滑块在弹簧力作用下向右运动，传爆孔打开，传爆药与输入药、输出药对正。环境传感器通过对目标的识别来控制延时时间和起爆时间，当延时时间结束，传感器发送信号至后续电路，电阻丝发热，引爆战斗部，实现对目标的摧毁。

图2 电热驱动引信MEMS安全与解除保险装置

2 后坐卡销结构

参照ARDEC安全与解除保险装置后坐卡销的结构形式，图3所示为非剪断式后坐卡销在10000g和20000g后坐加速度下的位移仿真。由图3可知，非剪断式后坐卡销在高g加速度环境下会沿着后坐卡销解除保险的方向上产生一段位移，且发射加速度越大，位移越大，机构安全性越低。

图3 非剪断式后坐卡销位移仿真

图4 剪断式后坐卡销

为了确保后坐卡销有足够的解除保险行程，提高电热驱动引信MEMS安全与解除保险装置的安全性，文中提出一种剪断式后坐卡销见图4。

剪断式后坐卡销横梁上的插头是设计的关键，插头形状特殊，与中间滑块上卡槽相互配合。在卡槽的约束下，卡销在剪断之前不运动，这是剪断式和非剪断式后坐卡销的区别。

剪断式后坐卡销一方面可以为机构提供一道保险，在电热驱动器意外解除保险的情况下，还能卡住中间滑块，起到“二级保险”的作用。卡销左端固定，横梁在后坐滑块的推动下，沿顺时针方向发生弯曲。根据设计要求，在10000g的后坐加速度下，后坐卡销不能直接解除保险，必须通过后坐滑块推动卡销横梁运动来解除保险。

后坐滑块向下运动与卡销表面接触时，对卡销的压力为F1。后坐卡销在力F1的作用下被剪断。

3 后坐卡销计算与仿真

建立后坐滑块的实体模型，导入ANSYS Workbench，可得后坐滑块的质量为m＝9.6×10－6kg，在10000g的后坐加速度条件下，后坐滑块上产生的力为：

后坐滑块运动到位时压缩弹簧的反作用力为F2，后坐滑块底部卡销卡进卡槽中产生的最大摩擦力为F3，则：

要确定F2的大小，需求出弹簧的弹性系数k。仿真可知，上端施加0.5N压力时，弹簧压缩量为0.00315m，即弹性系数k ＝ 0.5N／0.00315m ＝158.73N／m。滑块和弹簧的总位移x＝0.0015m，由胡克定律可知：

要确定F3的大小，需对锁销进行应力计算。由ANSYS LS－DYNA仿真可知，锁销沿X方向的最大应力σ＝8.35×105Pa，总接触面积A＝0.15×0.3×10－6×4＝1.8×10－7m2，由应力公式可知，正压力：

镍与镍之间的动摩擦系数μ＝0.53，即：

考虑其它摩擦力的影响以及系统可靠性的要求，取F1＝0.5N对剪断式后坐卡销进行仿真。图5为剪断式后坐卡销在0.5N压力下的断裂仿真。

图5 剪断式后坐卡销断裂仿真

由图5可知，剪断式后坐卡销横梁上插头在向下运动过程中被完全剪断，横梁向下运动一定距离后发生弯曲，后坐卡销解除保险。

为了保证足够的解除保险行程，后坐卡销在10000g甚至更高的后坐加速度下不能直接解除保险。图6所示为剪断式后坐卡销在10000g和20000g后坐加速度下的位移仿真。

图6 剪断式后坐卡销位移仿真

由图6可以看出，剪断式后坐卡销在10000g和20000g加速度下最大位移分别为3.367×10－4mm，6.734×10－4mm，插头处位移几乎为0，后坐卡销不能直接解除保险，满足安全性要求。在10000g后坐加速度下，后坐滑块向下运动剪断后坐卡销，成功解除保险，满足可靠性要求。

4 结论

文中设计的剪断式后坐卡销是基于电热驱动引信MEMS安全与解除保险装置的要求来实现的，与非剪断式后坐卡销相比，剪断式后坐卡销插头形状特殊，受中间滑块卡槽的约束，卡销在剪断之前不运动，避免了后坐力对后坐卡销解除保险行程的影响。仿真表明，剪断式后坐卡销在高g环境下沿后坐力方向上的位移几乎为零，后坐卡销解除保险行程较大，系统安全性较高。后坐滑块在10000g的正常发射加速度下推动后坐卡销运动，成功剪断后坐卡销，解除保险，满足可靠性要求。

由于目前国内MEMS的工艺水平较低，引信MEMS安全与解除保险装置及其剪断式后坐卡销在加工工艺和精度上存在一定的局限性。并且此设计仿真没有考虑实际发射环境中各种外界干扰的影响，这些都是今后努力的方向。

[1]李得胜，王东红，孙金玮，等.MEMS技术及其应用[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002.

[2]C H Robinson，T Q Hoang，M R Gelak，et al.Materials，fabrication，and assembly technologies for advanced MEMS－based safety and arming mechanism for projectile munitions，A848184[R].2006.

[3]席占稳.微机电引信发展模式探讨[J].弹道学报，1999，11（1）：93－96.

[4]刘光辉，亢春梅.MEMS技术的现状和发展趋势[J].传感器技术，2001，20（1）：52－56.

[5]冯鹏洲，朱继南，吴志亮.美国典型引信MEMS安全保险装置分析[J].探测与控制学报，2007，29（5）：26－27.