光致形变效应及其在引信驱动器中的应用

周雪丽，李世中，黄维平，张筱媛

(1.中北大学机电工程学院，太原030051;2.辽沈工业集团有限公司，沈阳110045)

光致形变效应及其在引信驱动器中的应用

周雪丽1，李世中1，黄维平2，张筱媛2

(1.中北大学机电工程学院，太原030051;2.辽沈工业集团有限公司，沈阳110045)

针对传统引信体积大、可控性差、易受电磁干扰等问题，提出了光驱动的驱动方式;通过对光致形变聚合物材料的光致形变效应研究，提出了将其应用到引信光驱动上的构思及设计方案，实现引信不直接依靠外界环境力，而是利用光致形变聚合物材料在光照下的变形解除保险;光驱动方式具有小型化、可控性好、抗电磁干扰等特点，符合引信更加灵巧化和智能化的发展方向。

引信;光致形变聚合物;光致形变效应;驱动器

基于材料光致形变效应的光驱动器是近几年才发展起来的。光能是一种对使用环境无要求的可再生能源，且具有清洁、安全、零污染排放、远程可控性、瞬时性等优异的特性。光驱动方式具有非接触、快速、精确、易操控、体积小、结构简单、质量轻、耗能低、传递功率大、无噪声及无电磁干扰等特点，可通过施加不同波长或光照强度的光照来控制驱动力的大小。与电，热，磁等其他驱动方式相比，光驱动不需要导线、加热器件、电磁转换器件等辅助设备，更容易实现结构的微型化［1］。

目前，应用于光驱动器的光致形变材料主要有光致形变聚合物，如光致形变液晶弹性体［2］;光致伸缩铁磁材料，如PLZT陶瓷材料［3］;硅等半导体材料。本文主要研究光致形变聚合物材料在引信驱动器中的应用，光致形变聚合物材料及其驱动器的研究还处于起步阶段，且多为对材料的研究，注重于应用的研究极少。将光致形变聚合物应用于引信驱动器上，具有体积小、结构简单、可控性好、不易受电磁干扰等特点，对引信技术的微型化具有较大的实用价值。

1 光致形变聚合物的特性

1.1 光致形变聚合物材料的变形机理

光致形变液晶弹性体中的液晶分子具有各向异性排列和协同运动的特点，在外场刺激下，会产生液晶相到各向同性相的转变，分子的排列也因此出现有序－无序的变化。在含有偶氮苯的液晶体系中，反式偶氮苯在热力学上处于稳定构象，呈棒状结构，其形状与液晶分子相似，对整个液晶体系有着稳定化作用;而经过光异构化反应产生的顺式偶氮苯则是弯曲结构，倾向于使整个液晶体系发生取向紊乱。因此，含偶氮苯单元的液晶弹性体在紫外光照射下，引起液晶分子取向度的变化，使液晶弹性体发生宏观收缩，这种由液晶体系的相变所产生的形变一般都是双向可控的［4］。

1.2 光致形变聚合物材料与光照的关系

复旦大学的俞燕蕾和东京工业大学的Ikeda(池田富树)等首先报道了含有偶氮苯的液晶弹性体薄膜的三维弯曲运动。Ikeda等发现具有平行取向偶氮苯介晶基元的薄膜在360 nm的紫外光的照射下会沿着液晶基元的排列方向朝着人射光发生弯曲，用540 nm的可见光照射后薄膜恢复到最初的平展状态;相反，垂直取向的液晶弹性体薄膜则是背着入射光方向弯曲的。

Ikeda和俞燕蕾等通过进一步研究精确控制了膜的弯曲方向，如图1所示。通过改变偏振光的入射方向精确控制了膜的弯曲方向，实现膜的反复卷曲和复原。光致形变聚合物材料变形量大，光致伸缩的实验值已达20%，理论值可达400%，且材料易成型，可加工成柔性薄膜，从而提高了其作为驱动器新材料的可能性［5］。

图1 多畴液晶弹性体在不同方向偏振光照射下的弯曲行为

1.3 光致形变聚合物在引信驱动器上的应用特点

从光驱动方式的优势来看，它的许多优点满足了引信安全系统的性能要求。与其他驱动方式相比，光驱动的引信安全与解除保险机构具有以下特点:远程可控性好，无需加热器件、电磁转换器件等辅助设备;结构简单，体积小，更利于实现引信结构的微小型化;驱动电压较低，只需点亮发光二极管即可实现相应执行元件动作;不易受电磁、热等外界干扰影响，保证了引信作用的精确性。

2 引信驱动器原理

传统的机械式引信一般是利用后坐力、离心力等外界环境力来完成相应的动作，感知外界环境信息和执行动作要靠同一装置完成。机电式引信的出现使得引信探测控制部分和执行动作部分相互分离开来，大大提高了引信作用的可靠性。各种新技术在引信中的应用及在此基础上的不断拓展创新为引信精密驱动技术的融入和应用提供了可行性的基础。

近年来，新型引信驱动器成为研究热点，发展较迅速。当前，基于功能材料的驱动器趋于小型化和实用化。目前，有多种工作原理和结构形式的引信驱动器，如机械力驱动、火药驱动、电磁驱动、电热驱动、形状记忆合金驱动、压电驱动、超声波驱动、静电驱动等。

2.1 机械力驱动

在引信安全系统中最常用的惯性力是后坐力和离心力。图2所示为利用后坐力和离心力驱动的典型引信安全和解除保险机构。

图2 机械力驱动安全与解除保险机构示意图

该机构的工作过程:弹丸发射时质量块1在后坐力作用下带动延时滑块5沿滑块轨道架3向下做曲折运动，通过齿间碰撞达到延时的目的;延时滑块5运动到位后将安全保险销11推离安全凸块15，从而释放滑块17;滑块17在离心力作用下向左运动到止动滑块23，此时，传爆序列对正;随着出炮口后坐力减小，弹簧13将安全保险销11推到自锁凸块25形成自锁，完成安全解除保险过程［6］。

2.2 电火药驱动

电火药驱动器是一种通过电能点燃火药，并利用火药燃气的推动力做功的火工品，驱动力和驱动位移大，响应速度快，是MEMS安全系统中常用的解保方式。典型应用如美国OICW20mm高爆榴弹引信MEMS安全系统中的摇杆锁命令微作动器，其作用过程如图3所示。

平时状态下，离心滑块被后坐滑块和摇杆锁卡住，不能运动;弹丸发射后，后坐滑块在后坐力作用下解除第一道保险，达到预定条件时，引信电路发出解除保险信号，使电火药作用并推动活塞向下运动，解除对离心滑块的约束;离心滑块在离心力作用下运动到位，使引信处于解除保险状态［7］。

图3 电火药驱动作用过程

2.3 电磁驱动

在微机电引信研究设计领域中，美国掌握着最前沿的技术。在2006年提出的美国专利设计［8］中，利用电磁驱动器产生的电磁力来解除保险，使微机电安全与解除保险装置的设计取得了阶段性的成果。电磁驱动引信安全系统的隔爆机构如图4所示。

图4 电磁驱动隔爆机构

该装置为平行基板式引信安全与解除保险装置，适于非旋转弹及微旋弹。电磁驱动引信安全与解除保险装置的作用过程:弹丸发射后，锁销电磁驱动器接收到传感器传来的解除保险信号，两侧的电磁驱动器通电，锁销在驱动器与锁销磁体孔中的磁体相互作用产生的电磁力作用下开始动作，从保险卡槽中退出。当预定的延时时间结束后，滑块电磁驱动器通电，与滑块磁体相互作用，滑块受电磁力，向下运动到解除保险位置。随后，锁销电磁驱动器断电，锁销在锁销弹簧的恢复力作用下，运动到两侧解除保险卡槽中，将滑块锁定在解除保险位置，此时传爆序列对正，引信处于解除保险状态。

2.4 电热驱动

电热驱动器是利用微结构通电发热产生的热应力而工作的。在电热驱动器所有类型中，U型梁电热驱动器和V型梁电热驱动器的应用最为广泛。U型梁的热臂和冷臂由具有相同膨胀系数的同种材料加工而成，当驱动器通电时，热臂上的膨胀率远大于冷臂，使驱动器热臂向冷臂方向发生弯曲。对于V型梁电热驱动器，在驱动器的两个固定端施加电压，由热量产生的膨胀使悬臂梁相互推挤而产生驱动力和驱动位移［9］。

3 基于光致形变的引信驱动器方案

基于光致形变材料的光驱动器在微型开关、引信安保机构等方面都有着良好的发展优势，通过对光致形变聚合物的研究，可将其应用到引信驱动上。现以其在引信保险机构中的应用为例，提出引信驱动器的设计方案。

3.1 基于微型滑块隔爆机构的设计方案

引信滑块隔爆机构具有结构小巧、保险与解除保险可靠等优点，在引信安全系统安全与解除保险装置中得到广泛应用。将光致形变聚合物应用到引信滑块隔爆机构上的方案如图5所示。

图5 引信滑块隔爆机构示意图

平常状态时，锁销卡在保险卡槽中，滑块弹簧处于预压状态，锁销弹簧处于原始状态，能够确保引信在运输及勤务处理条件下震动和跌落未解除保险。弹丸发射后，传感器检测到解除保险信号，并传给光驱动器，光驱动器通电。光驱动器由具有光致形变特性的高分子聚合物制造而成，其一端通过连接臂与锁销连接。通电后，发光二极管点亮，光驱动器朝着入射光方向发生弯曲，带动锁销退出保险卡槽，解除对滑块的约束，滑块在滑块弹簧的作用下向下运动到位，此时，传爆序列对正。随后光驱动器断电，锁销在锁销弹簧的拉力下运动到解除保险卡槽，完成了安全解除保险过程。

将光驱动应用到滑块隔爆机构的思路来源于参考方案中的电磁驱动。针对电磁驱动引信结构体积较大，线圈加工较困难，能耗大且容易产生电磁干扰，基于光致形变聚合物材料的特性，可在上述电磁驱动引信隔爆机构基础上完成基于光致形变聚合物材料的引信保险机构的光驱动器设计。

3.2 基于球转子隔爆机构的设计方案

球转子机构也是一种典型的引信保险机构，具有结构简单、体积小、便于加工制造等优点，能实现引信平时状态时的安全及发射时的可靠解除保险，且简单易行。将光致形变聚合物应用到引信球转子隔爆机构上的方案如图6所示。

该结构由定位销、导向槽、装有雷管的球转子、锁销等组成，其中连接锁销的连接杆是由光致形变材料制成。平时击针尖与装有雷管的球转子的惯性主轴错开一定角度，球转子被左右锁销卡住而不能转动，保证了勤务处理的安全，此时，引信处于安全隔爆状态。弹丸发射时，光驱动器收到传感器传来的解除保险信号通电动作。连接杆在发光二极管作用下弯曲，将锁销从球转子卡槽中拔出，解除对球转子的约束。球转子在离心力作用下沿导向槽转动，直到球转子主轴与引信轴线对正，此时定位销将球转子固定在解除保险位置，引信解除保险。

图6 引信球转子隔爆机构

4 结论

对光致形变聚合物材料进行性能研究，并将其应用到引信安全与解除保险机构上，满足了现代引信设计的要求，适应了引信不断小型化的发展方向。本文提出了将光驱动应用到引信滑块隔爆机构和球转子隔爆机构上的设计方案。但是，目前将光致形变聚合物应用到引信驱动上属于一个新的课题，还有很多问题需要解决。如光致形变材料变形量与光照波长，光照强度的关系;引信恶劣工作环境下，封装结构的各个部分在高冲击后能否承受高过载而保持物理结构不变，光驱动引信能否正常解除保险;光驱动器与隔爆机构的精密装配技术;实现引信安全系统保险解除控制技术等。

［1］陈茂林，刘钊，岳涛.光致形变聚合物材料马达光驱动的变形能分析［J］.材料科学与工程学报，2010，28(2): 1－2.

［2］秦瑞丰，朱光明，王金花.具有自发可逆形变特性的液晶弹性体［J］.材料科学与工艺，2006，14(15):514－514.

［3］叶飞，黄学良.基于新型光电材料PLZT的光电机构设计和应用研究［J］.功能材料，2007(S):396－397.

［4］俞燕蕾，刘玉云.光致形变液晶弹性体的研究进展［J］.自然杂志，2012，35(2):127－128.

［5］杨卫祥，朱玉田，符星球.光致弯曲驱动曲梁的挠曲线方程求解［J］.现代制造工程，2010，32(4):115－115.

［6］王士伟，郝永平，张德智等.基于MEMS的引信保险机构综合分析［J］.探测与控制学报，2006，28(6):56－56.

［7］刘加凯，齐杏林.MEMS安全系统的解除保险方式［J］.探测与控制学报，2012，34(6):23－23.

［8］李启磊.MEMS引信安全与解除保险装置的结构设计［D］.南京:南京理工大学，2009.

［9］李艳娇.微机电引信安全与解除保险装置结构设计［D］.南京:南京理工大学，2010.

(责任编辑周江川)

Light Deformation Effect and Its Application in Fuze Drives

ZHOU Xue－li1，LIShi－zhong1，HUANGWei－ping2，ZHANG Xiao－yuan2
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Zhongbei University，Taiyuan 030051，China; 2.Liaoshen Industrial Group Co.LTD，Shenyang 110045，China)

Focused on the big traditional fuze，poor controllability，vulnerable to electromagnetic interference and other issues，the light drivemode were proposed.According to the research for the light deformation effect of light deformation polymermaterials，the conception and designing scheme that applied it to the fuze optical driveswere put forward.It realizes that fuze does not directly depend on the external environment，but using the deformation of light deformation polymermaterials in the light to remove insurance.With characteristics ofminiaturization，good controllability，resistance to electromagnetic interference，the photic driving accordswith the development direction of smart and intelligent fuze.

fuze;light deformation polymermaterials;light deformation effect;drive

:A

1006－0707(2014)07－0017－04

format:ZHOU Xue－li，LIShi－zhong，HUANGWei－ping，et al.Light Deformation Effect and Its Application in Fuze Drives［J］.Journal of Sichuan Ordnance，2014(7):17－20.

本文引用格式:周雪丽，李世中，黄维平，等.光致形变效应及其在引信驱动器中的应用［J］.四川兵工学报，2014(7): 17－20.

10.11809/scbgxb2014.07.006

2014－02－03

周雪丽(1989—)，女，硕士研究生，主要从事机械电子工程研究。

TJ430.33