基于微光机电技术的引信电子安全系统控制方法

单体强，齐杏林，高　敏

(解放军军械工程学院，河北 石家庄　050003)



基于微光机电技术的引信电子安全系统控制方法

单体强，齐杏林，高敏

(解放军军械工程学院，河北 石家庄050003)

针对全电子安全系统电磁兼容性差的问题，根据系统安全性工程法遵循的第一原理，建立电子安全系统过程能量不相容原则，依据该原则提出了基于微光机电技术(MOEMS)的引信电子安全系统安全控制方法。该方法通过在电子安全系统中融入光纤和光学能量转换技术，采用具有特殊时域波形的高功率激光脉冲序列作为过程能量传输，并以多模光纤为能量传输介质，通过微机械保险实现系统光纤光路通断控制逻辑，最终基于砷化镓激光光伏电池完成高频高功率激光光电转换。理论分析与实验表明：基于MOEMS的电子安全系统安全控制方法能够有效降低引信系统内外电磁危害隐患，实现了微小体积条件下电子安全系统更好的电磁兼容性与更高的集成度。

引信；电子安全系统；安全控制；微光机电技术

0　引言

引信电子安全系统采用无隔爆爆炸序列，从根本上改变了引信安全系统的“隔离设计思想”[1]。但由于其内部冲击片雷管与战斗部主装药或传爆药之间无任何隔离，处于绝对对正状态，一旦安全控制系统发出错误起爆指令，必然导致战斗部直接误起爆。因此，引信电子安全系统的安全性设计比传统引信安全系统更为严格，必须使其具备内在的安全性，即本质安全。

文献[2]对经典模式电子安全系统——全电子安全系统的安全性进行了理论分析，得出其理论安全性高于其他类型安全系统。但在实际应用中，文献[3—6]通过试验研究得出全电子安全系统存在诸多电磁危害隐患：1)高压转换电路，特别是高频变压器升压，极易产生强脉冲电磁干扰；2)发火电容充电后在其周围空间形成强静电场，引起静电干扰；3)外界静电、闪电、射频及高空电磁脉冲等易通过电子电路引入系统内部，产生大量谐波干扰；4)在多点分时起爆应用中，任一起爆点起爆时产生的强电磁干扰易导致系统中部分电子电路工作异常甚至损坏，造成其他起爆点失效或过早作用。由此得出，电子器件及电子电路在全电子安全系统中的大量应用，致使全电子安全系统不仅在弹药武器系统内与其他环节相互间产生严重的电磁干扰现象，而且容易受到外界干扰而使引信系统失效或早炸，大大降低了直列式爆炸序列弹药武器系统的安全性与可靠性。本文针对此问题，提出了基于微光机电技术的引信电子安全系统安全控制方法。

1　安全控制原理

引信状态控制功能的实质是通过引信安全系统实现“过程能量”的安全控制，目的是确保引信在进入预定解除保险程序之前，切断能量传输通道，使其可靠地处于安全状态；在进入预定解除保险程序并满足解除保险条件时，闭合能量传输通道，使引信可靠地完成解除保险动作而处于待发状态[7]。所谓“过程能量”，是相对“起爆能量”而言的，是指在引信安全系统内部传输，最终将转化为起爆能量的传输过程中的能量。

与此对应，干扰能量要实现对引信安全系统状态控制功能的干扰，必须具备三个基本条件：干扰源、传输介质和敏感接收单元。除去其中任一条件，干扰将被消除。在安全系统中，相对于除去干扰源与敏感接收单元，除去干扰能量传输介质是更为可行的方案。据此，本文提出“过程能量不相容原则”，该原则是指通过改变电子安全系统中正常能量的传输介质，切断干扰能量传输的“场”或“路”等传输途径，从而消除干扰能量对引信安全系统的影响。其中，“场”指静电场、电磁场等，“路”指能量传输线路、电子电路等。“过程能量不相容原则”的建立遵循了系统安全性工程法第一原理[8]，即基于关键件所用材料的最基本的物理化学特性进行设计，使该元件在经受特定环境时的行为完全处于设计者预期的范围之中，从而使系统响应遵循无可辩驳的自然规律。“过程能量不相容原则”的实现方法是通过在电子安全系统中融入光纤和光学能量转换技术，采用MOEMS光学器件进行过程能量传输与转换，过程能量——具有特殊时域波形的高功率激光脉冲序列与常见的环境能量形式差别较大，极难在自然界中出现，从而实现了电子安全系统内在的安全性，即本质安全。

美军WSESRB委员会在其发布的《非隔断式爆炸序列电子安全与解除保险装置技术手册》中规定了电子安全系统的保险结构形式及组合类型[9]，GJB6456-2008亦参考该手册对引信电子安全系统的设计进行了规范，如表1所示。基于MOEMS的电子安全系统安全控制方法采用了保险组合类型B——机械保险与动态电保险相结合，以增强安全系统的故障保险功能，同时降低共因失效概率。

遵循“过程能量不相容原则”设计，基于MOEMS的电子安全系统安全控制原理如图1所示。

图1　MOEMS电子安全系统安全控制原理框图Fig.1　Safety control principle of the MOEMS ESA

图1中，动态电保险控制半导体激光管输出预定特殊时域波形的高功率激光脉冲序列，微机械保险控制系统多模阶跃光纤光路的通断，系统通过动态电保险与微机械保险实现安全与解除保险逻辑控制， 过程能量经激光光伏电池完成光能脉冲序列到电能脉冲序列的转换。电子安全系统内冲击片雷管的起爆电压上千伏，即遵循了“起爆能量不相容原则”，“过程能量不相容”与“起爆能量不相容”的结合致使MOEMS电子安全系统具有高度的安全性。

2　过程能量传输控制

2.1光纤光路通断控制方法

根据系统安全控制原理可以得出，过程能量传输控制的实质是通过微机械保险实现对系统光纤光路的通断控制。基于MOEMS技术，光纤光路的通断控制存在两种方案：光纤固定式和光纤移动式。

1)光纤固定式光路

在光纤固定式光路通断控制方案中，具体包含两种实现类型：阻断式光路和反射式光路，如图2所示。显然，相对于反射式光路，阻断式光路具有非常高的光能传输效率。但根据GJB373A-97可以得出，阻断式光路设计不符合引信安全性设计准则。具体原因包括：1)引信安全设计准则规定：在某个或全部能量隔断件漏装或误动作的情况下，引信不应解除保险(启动)，但若阻断式光路中微执行器漏装，则对应保险功能解除，存在严重的安全控制隐患；2)不符合“故障保险”设计要求，若安全系统出现故障，高能激光经能量输入光纤误输出，则微执行器上的微挡板极易被高能激光烧蚀，导致光路导通，对应保险功能解除。因此，在光纤固定式光路通断控制方案中，反射式光路是可行方案。

图2　光纤固定式光路Fig.2　Optical path of the fixed fiber

2)光纤移动式光路

在光纤移动式光路通断控制方案中，可以通过能量输入光纤与能量输出光纤横向偏移、轴向偏移、角度偏移及其中两种或三种偏移方式的组合实现光纤光路的通断控制，如图3所示。

图3　光纤移动式光路Fig.3　Optical path of thelocomotive fiber

当两光纤之间的横向偏移为x时，即光轴间距为x，光路光能耦合效率为：

(1)

式(1)中，k为折射率匹配系数，k=0.679；r为光纤纤芯半径，r=52.5μm。

当两光纤之间的轴向偏移为z时，即光纤端面间隙为z，光路光能耦合效率为：

(2)

式(2)中，γ为芯包折射率差，γ=0.016。

当两光纤之间存在轴间夹角为θ时，光路光能耦合效率为：

(3)

假设多模阶跃光纤横截面光功率均匀分布，光强角分布与偏振也均匀。根据几何光学理论，由式(1)-式(3)得出光纤横向偏移、轴向偏移、角度偏移与光路光能耦合效率之间的关系如图4所示。根据计算结果，光路光能率耦合效率对光纤横向偏移最为敏感，其次是角度偏移，而轴向偏移对光能耦合效率影响最小。因此，在光纤移动式光路通断控制方案中，通过控制光纤横向偏移与角度偏移能够实现更高的隔离度和光能耦合效率。

2.2微机械保险实现方法

在MOEMS电子安全系统中，过程能量的传输状态由微机械保险控制，而微机械保险的实现方法则是由其内部微执行器控制光纤光路通断的结构形式决定的。系统设计采用纤芯直径为105 μm的多模阶跃光纤，光纤芯径越大，光斑均匀性越高，但对微执行器位移及驱动力的要求也越高。目前能够实现致动位移大于100 μm的微执行器有三类：电磁式、静电式和电热式。电磁式执行器不符合引信电子安全系统应用背景，故不予采用。

图4　光纤偏移与光路光能耦合效率的关系

在光纤移动式光路中，由于需要直接驱动光纤，因此要求微执行器必须具备大位移与大驱动力输出能力。显然，电热微执行器是最优选择。但在光纤固定式光路中，由于微反射镜的质量决定光路光能耦合效率，且微反射镜与微执行器一般直接接触或为一体化设计，为了避免出现“双晶体效应”，应采用静电微执行器驱动微反射镜实现光纤光路通断控制。但静电微执行器在电子安全系统中的静电防护比较困难[6]，且其驱动电压上百伏，在引信中应用具有一定的局限性。因此，通过电热微执行器执行光纤光路通断控制可行性更高。基于电热微执行器的微机械保险芯片结构如图5所示。

图5　微机械保险芯片结构Fig.5　Structure of micromechanical safety feature

微机械保险中，主、辅执行器均为V型电热微执行器，主执行器用于驱动能量输入光纤可动端运动，最终实现能量输入、输出光纤对准；辅执行器用于对能量输入光纤可动端的位移量进行限制，防止因振动、冲击等外界环境因素而意外解除保险，微机械保险芯片体积小于10 mm×6 mm×1 mm。

不同于其他微结构，由于能量输入光纤悬臂端长度较长，刚度较低，即固有频率较低，因此悬臂光纤对于多数条件下机械冲击的响应是动态的，而非准静态。真空条件下，当微机械保险分别经受周期为0.1 ms与1.0 ms的半正弦波冲击时，悬臂光纤位移响应如图6所示。光纤裸纤直径125 μm，悬臂端长4 mm。从图中可以得出，当冲击载荷达到3 500～5 000g时，光能意外耦合效率约为50%[10]。为解决该问题，必须采用限位机构与主执行器配合限制光纤可动端移动。若采用微弹簧结构与主执行器配合，则要求弹簧弹性系数较大，对主执行器的性能要求更为严苛。因此，本文微机械保险采用了双执行器结构控制能量输入光纤可动端位移。

图6　冲击条件下悬臂光纤响应Fig.6　Response of thecantilever fiber under shock

3　过程能量转换控制

过程能量转换控制的实质是高频高功率激光脉冲序列的光电转换控制。过程能量转换控制必须解决三个方面的问题：转换频率、转换效率和输出功率。受电子安全系统中变压器最低工作频率的限制，光电转换频率必须大于20 kHz。一般情况下，能量型光电转换器件转换频率低(小于1 kHz)，转换效率较低(小于20%)，输出功率小(毫瓦量级)，这将造成系统功耗过大，解除保险时间过长等问题，很难达到引信工作需求。

根据以上三个方面的要求，通过研究相关半导体光电材料特性，确定了基于砷化镓光伏电池的高频高功率激光光电转换控制方法。砷化镓为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其动态响应频率最高达50 MHz[11]，满足系统光电转换频率要求。

光伏电池具有N/P和P/N两种形式。对多波长光源而言，由于直隙半导体电池从表面开始，光吸收系数均大于0.9，且电子扩散系数远大于空穴扩散系数，为了提高少数载流子的收集几率，一般采用P型基区，即光伏电池一般采用N/P型结构。但对于单波长激光入射的砷化镓光伏电池，应采用P/N结构，原因是其接收光子能量单一，不存在短波光子被浪费的现象，且由于单波长激光的能量密度非常大，P/N结有利于减小电子收集时的横向电阻。依据上述理论分析，本文设计砷化镓激光光伏电池结构如图7(a)所示，其等效电路如图7(b)所示。光伏电池I-V特性计算如下：

(4)

式中，Isc为光生电流，Is1是由准中性区中的复合产生的暗电流，Is2是由空间电荷区中的复合产生的饱和暗电流，n为理想因子，k为波尔兹曼常量，q为基本电荷电量，T为温度。

图7　激光光伏电池结构及其等效电路模型Fig.7　Structure of laserphotovoltaic cell and its equivalent circuit model

激光光伏电池的基极与发射极结构对其性能起决定性作用。通过仿真与实验得出[12]，对于波长为808 nm的单色激光，当电池基极掺杂浓度为1×1017cm3，发射极掺杂浓度为2×1018cm3时，激光光伏电池性能最优。除基极与发射极外，激光光伏电池结构还包括窗口层、背场层、缓冲层和衬底等结构层。基于背场层在电池中的作用以及晶体生长方面的考虑，激光光伏电池采用了N型AlGaAs作为背场层，AlGaAs材料能够实现与GaAs材料的良好晶格匹配。激光光伏电池及其I-V/P-V特性试验结果如图8所示。从图中可以看出，砷化镓激光光伏电池的最高光电转换效率能够达到50%，最高输出功率大于2.5 W，与国外水平相当。

图8　激光光伏电池I-V/P-V特性Fig.8　The I-V/P-V characters of laserphotovoltaic cell

在一定光功率密度条件下，激光光伏电池具有固定的输出电压(约1 V)，而发火电容所需充电电压上千伏，直接采用变压器将1 V电压升至上千伏十分困难。因此，采用串联结构形式的光伏电池阵列完成高频高功率激光的光电转换。六片光伏电池串联封装结构如图9所示。其中，单片光伏电池面积为5 mm×5 mm。经实验研究得出[13]，串联封装后，由于入射光斑光功率密度不均匀，电池阵列光敏面的光电转换效率下降约10%，但最高光电转换效率仍可达到40%。

图9　激光光伏电池串联结构Fig.9　Series connected laser photovoltaic cells

4　结论

本文提出了基于微光机电技术的引信电子安全系统安全控制方法。该方法通过在电子安全系统中融入光纤和光学能量转换技术，以微机械保险实现系统光纤光路通断控制逻辑，采用微型光学器件进行过程能量传输与转换；过程能量是具有特殊时域波形的高频高功率激光脉冲序列，与安全系统内部器件产生的强脉冲电磁干扰、静电干扰以及系统外部静电、闪电、射频及高空电磁脉冲能量在能量形式上不具备相容性。理论分析与实验表明：该方法能够有效降低引信系统内外电磁危害隐患，使电子安全系统具备了本质安全性，实现了微小体积条件下电子安全系统更好的电磁兼容性与更高的集成度。

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Electronic Safety and Arming System Controlling Based on MOEMS

SHAN Tiqiang, QI Xinglin, GAO Min

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

The electromagnetic compatibility of the classic model fuze electronic safety and arming system (ESA) is poor. To solve this problem, according to the first principles of the system safety engineering, the incompatibility principle of the process energy was established. According to this principle, a safety control method of the ESA was proposed based on MOEMS. The technologies of the fiber and optical energy conversion were introduced into ESA. The electric process energy was displaced by the high power laser, which was a pulse sequence with special time-domain waveform. The multimode fibers were adopted as medium of the process energy transmission. The optical path on-off logic was controlled by the MEMS safety feature. The laser photovoltaic cells based on GaAs was used in laser photoelectric conversion. The analytic and experimental results showed that the ESA safety control method based on MOEMS was effective to restrain the electromagnetic damage inside/outside of the system and promoted the electromagnetic compatibility and integration degree of the ESA with miniature scale volume.

fuze; electronic safety and arming system; safety control; MOEMS

2015-12-27

装备预研基金项目资助(9140A05050115JB34065)

单体强(1987—)，男，山东高密人，博士研究生，研究方向：信息感知与控制技术。E-mail: stq0701@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2016)04-0027-06