MEMS引信安全与解除保险装置结构设计：原理、创新与实践

MEMS引信安全与解除保险装置结构设计：原理、创新与实践一、引言1.1研究背景与意义在现代兵器科学领域，随着武器装备智能化、微型化发展趋势的不断推进，MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统）技术凭借其独特优势，逐渐成为引信领域的研究热点与关键技术方向。MEMS引信作为一种将微机械技术与电子技术深度融合的新型引信装置，能够在精确控制弹药爆炸过程的同时，有效提升爆炸效果，对于增强武器装备的作战效能意义重大。其具备的体积小、重量轻、精度高以及抗干扰能力强等显著特点，不仅契合了现代战争对武器装备轻量化、小型化的需求，更为武器系统在复杂战场环境下实现精确打击与高效毁伤提供了有力支撑。安全与解除保险装置（简称安解装置）作为MEMS引信的核心组成部分，在引信系统中扮演着至关重要的角色，承担着保障引信及弹药全寿命周期安全的关键职责。在弹药的储存、运输以及勤务处理等各个环节中，安解装置需始终确保引信处于安全状态，有效防止意外起爆事件的发生，为人员和装备的安全提供坚实保障；而当弹药发射后，安解装置又要能够依据预设的环境条件和指令，可靠地解除保险，实现爆炸序列的正确连接，从而确保弹药在目标位置准确起爆，达成预期的作战目标。因此，安解装置性能的优劣，直接关乎引信乃至整个武器系统的安全性与可靠性。然而，当前MEMS安解装置的研究在实际应用中仍面临诸多挑战。一方面，尽管在理论计算和仿真分析层面已取得一定进展，但由于缺乏充分有效的试验验证，导致能够成功应用于武器系统的定型产品数量稀少，严重制约了MEMS引信的推广与应用。另一方面，在实际试验过程中，弹体发射后所产生的高转速以及复杂的振动冲击环境，会使安解装置的隔爆板在毫米级距离内解保，由此产生的高冲击过载极易引发隔爆板和锁销结构的塑性变形与碰撞反弹等问题，进而对安解装置解保动作的稳定性造成不利影响，威胁到武器系统的正常运行与作战效能。在此背景下，深入开展MEMS引信安全与解除保险装置的结构设计研究具有极其重要的现实意义。通过对安解装置结构的优化设计，能够显著提升其在复杂环境下的性能表现，有效解决现有装置存在的结构强度不足、解保动作不稳定等问题，从而增强引信的安全性和可靠性，为武器系统的稳定运行提供坚实保障。同时，这一研究还有助于推动MEMS引信技术的进一步发展，促进其在更多武器装备中的广泛应用，对于提升我国武器装备的现代化水平，增强国防实力，具有不可忽视的重要作用。1.2MEMS引信及安解装置概述MEMS引信是将微机械技术与电子技术深度融合的产物，作为现代兵器科学领域的关键创新成果，在精确控制弹药爆炸过程中发挥着不可替代的作用。其核心优势首先体现在显著的微型化特征上，相较于传统引信，MEMS引信的体积大幅缩小，重量显著减轻，这不仅为武器系统节省了宝贵的空间，还能有效降低整体重量，提升武器装备的机动性与便携性，满足现代战争对装备轻量化的严苛要求。例如，在一些小型无人机挂载的弹药中，MEMS引信的应用使得弹药在不牺牲性能的前提下，实现了体积和重量的优化，使无人机能够携带更多弹药执行任务，增强了作战灵活性。高精度是MEMS引信的又一突出特点。借助先进的微机电加工工艺和精密的传感器技术，MEMS引信能够极其精确地感知环境参数的细微变化，如目标的距离、速度、方位等，并依据这些精确的数据对弹药的爆炸时机和方式进行精准控制，从而极大地提高了弹药的命中精度和爆炸效果，确保对目标的有效打击。以精确制导导弹为例，MEMS引信能够在复杂的战场环境中，准确捕捉目标的动态信息，实现对目标的精准打击，有效提升了武器系统的作战效能。在现代复杂多变的战场环境中，电磁干扰、噪声等不利因素充斥其中，MEMS引信凭借其独特的结构设计和材料特性，展现出强大的抗干扰能力，能够在恶劣的电磁环境下稳定工作，确保引信信号的准确传输和指令的可靠执行，有效避免了因干扰导致的误动作，为武器系统的正常运行提供了坚实保障。安解装置作为MEMS引信的核心组件，承担着控制爆炸序列能量传递的关键任务，在保障引信及弹药全寿命周期安全方面发挥着双重重要职能。在弹药的储存、运输以及勤务处理等各个环节，安解装置就如同一位忠诚的卫士，始终保持高度警惕，确保引信处于安全状态。通过巧妙设计的多重保险机制，如机械锁止、电气隔离等，安解装置能够有效阻止意外的能量传递，防止引信在非预期情况下起爆，为人员和装备的安全构筑起一道坚固的防线。在弹药运输过程中，即使遇到颠簸、碰撞等意外情况，安解装置也能确保引信的安全，避免事故的发生。而当弹药发射后，安解装置则迅速转换角色，依据预设的环境条件和指令，可靠地解除保险，实现爆炸序列的正确连接。在这个过程中，安解装置会精确感知弹药发射时产生的后坐力、离心力等物理量，以及飞行过程中的各种环境参数，当这些参数满足预设的解除保险条件时，安解装置会及时动作，解除对爆炸序列的限制，使弹药能够在预定的目标位置准确起爆，释放出强大的能量，达成预期的作战目标。在炮弹发射后，安解装置会根据炮弹的飞行速度、旋转角速度等参数，准确判断解除保险的时机，确保炮弹在接近目标时能够可靠起爆，实现对目标的有效毁伤。1.3国内外研究现状国外对MEMS安解装置的研究起步较早，取得了一系列具有开创性的成果。美国陆军武器研发中心（ARDEC）的CharlesH.Robinson致力于MEMS安解装置的研究，通过深入分析机械环境力驱动的特点，设计出基于后坐力、离心力等环境力感应的保险滑块结构。在实际应用中，保险滑块能够在预设的环境力条件下，准确移动至发火位置，实现装置从安全状态到发火状态的转变，为MEMS安解装置在弹药系统中的应用奠定了重要基础。然而，这种平行于弹轴放置的设计，在微传爆序列中会导致爆轰能量传递方向改变，造成能量损失，甚至可能引发“哑弹”现象，同时，闭锁机构在复杂环境下易发生塑性形变，影响装置的可靠性。法国国家科研中心（CNRS）系统结构分析实验室（LAAS）则另辟蹊径，专注于火药力驱动的MEMS安解装置研究。他们利用低压化学气相沉积、反应离子刻蚀等先进工艺，成功制造出基于硅基底的安解装置。该装置整体尺寸小巧，仅为8.4mm×7.4mm×3mm（不含电路层），触发起爆器所需电流低至53mA。在实际使用中，通过烟火药剂产生高温高压气体推动装置内的滑块，使爆炸序列对正，展现出体积小、质量轻、不受环境力约束以及小尺寸可实现大位移等显著优势。但由于微/纳含能材料的制备工艺与MEMS技术存在兼容性问题，通常需要在器件制造完成后再进行含能材料的填充，这在一定程度上增加了生产的复杂性和成本。国内在MEMS安解装置领域的研究虽起步相对较晚，但发展迅速，众多科研机构和高校积极投入，取得了一系列具有自主知识产权的成果。中北大学的姜学文团队针对小口径榴弹引信安解装置体积缩小与性能提升的双重需求，提出了一种基于电铸镍材料的改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置。该装置巧妙利用后坐环境和离心环境激励特点，结合指令控制的电动推销器，实现了三道独立冗余保险和延期解除隔离功能。在实际测试中，该装置能够精准识别正常发射的后坐和离心环境激励，满足安全解除保险的动作要求，同时，通过优化结构设计，有效避免了材料强度失效问题，展现出简单可靠的性能优势，为小口径榴弹引信的安全与可靠性提供了有力保障。北京理工大学的研究团队则在电磁力驱动的MEMS安解装置方面取得了重要突破。SunYi提出的电磁驱动mems安全与解除隔离装置，通过巧妙设计电磁线圈和永磁体的相互作用，实现了对隔爆滑块运动的有效控制。在实际应用中，该装置能够在复杂的有旋环境下，通过电磁力阻碍离心作用，确保引信的安全性。但该装置存在电磁驱动器需持续通电、无法驱动隔爆滑块运动等问题，若电磁驱动器出现故障，引信的安全性将无法得到保障。为解决这些问题，团队进一步研究，如SiningLv提出的低驱动能量双稳态可恢复式mems安全与解除隔离装置，对驱动方式和结构进行了优化，采用“l”型运动模式实现爆炸序列传输。然而，该装置仍存在驱动位移较小的问题，在安保状态下隔爆滑块无法完全遮挡传爆孔，不符合引信安全性设计准则。针对这些不足，团队又提出了一种接力式电磁驱动引信mems安解装置，采用新型接力式电磁驱动方式，通过微电磁驱动器与永磁体的斥力以及固定永磁体与运动永磁体的引力，实现了隔爆滑块的大位移运动，有效提高了无（弱）离心环境弹药引信的可靠性和安全性。综合来看，国内外在MEMS安解装置的设计、仿真与试验验证方面均取得了一定进展。但目前研究仍主要集中在理论计算和仿真分析阶段，实际试验验证相对匮乏，导致应用于武器系统的定型产品较少，成为限制MEMS引信发展的瓶颈。在实际试验中，弹体发射后的高转速以及复杂的振动冲击环境，会使安解装置的隔爆板在毫米级距离内解保，产生的高冲击过载易造成隔爆板和锁销结构的塑性变形与碰撞反弹，复杂振动冲击环境的耦合也会影响安解装置解保动作的稳定性，这些问题亟待解决。1.4研究目标与内容本研究旨在设计出性能优越的MEMS引信安解装置结构，有效解决当前安解装置在复杂环境下存在的结构强度不足、解保动作不稳定等问题，显著提升引信的安全性和可靠性。通过对现有MEMS安解装置常见结构类型进行深入分析，全面梳理各类结构的工作原理、特点以及在实际应用中面临的挑战，为后续的结构设计提供坚实的理论基础和丰富的参考依据。针对当前MEMS安解装置在实际试验中出现的高冲击过载导致隔爆板和锁销结构塑性变形与碰撞反弹，以及复杂振动冲击环境耦合影响解保动作稳定性等问题，深入探究其产生的内在机理，从材料特性、结构力学、动力学等多学科角度出发，分析在高转速、复杂振动冲击等恶劣环境下，安解装置各部件的受力情况和变形规律，为结构设计要点的确定提供关键依据。基于上述分析，确定MEMS引信安解装置结构设计的关键要点，包括材料的合理选择、结构形式的优化设计、关键参数的精确计算等。在材料选择方面，综合考虑材料的强度、韧性、耐冲击性以及与MEMS工艺的兼容性等因素，筛选出适合安解装置的高性能材料；在结构形式设计上，通过创新设计理念，提出新型的结构形式，以提高装置的结构强度和抗冲击能力；在关键参数计算上，运用先进的力学分析方法和数值模拟技术，精确计算各部件的尺寸、形状等参数，确保装置在复杂环境下能够稳定可靠地工作。根据确定的设计要点，运用先进的设计软件和工具，进行MEMS引信安解装置的结构设计。在设计过程中，充分考虑装置的小型化、集成化需求，力求在有限的空间内实现装置的多功能集成，提高装置的空间利用率和整体性能。同时，注重结构的合理性和可制造性，确保设计方案能够通过现有的MEMS加工工艺进行精确制造，降低生产成本，提高生产效率。采用数值模拟与实验验证相结合的方法，对设计的MEMS引信安解装置结构进行性能验证。利用有限元分析软件对装置在不同工况下的力学性能、动态响应等进行数值模拟，预测装置在实际工作中的性能表现，及时发现设计中存在的问题并进行优化改进；通过搭建实验平台，对样机进行各种环境试验，如高冲击过载试验、复杂振动冲击试验等，获取装置的实际性能数据，与数值模拟结果进行对比分析，进一步验证设计的正确性和可靠性。1.5研究方法与技术路线本研究综合运用多种研究方法，确保研究的科学性、系统性与可靠性。通过广泛查阅国内外相关文献资料，深入了解MEMS引信安解装置领域的前沿动态、研究成果以及存在的问题，为后续研究奠定坚实的理论基础。在文献研究的基础上，运用材料力学、结构力学、动力学等相关理论知识，对MEMS引信安解装置在复杂环境下的工作原理、受力情况以及结构性能进行深入分析，明确结构设计的关键要点和影响因素，为装置的结构设计提供理论依据。借助专业的有限元分析软件，如ANSYS、ADAMS等，对设计的MEMS引信安解装置结构进行多物理场耦合仿真模拟。通过建立精确的模型，模拟装置在各种工况下的力学性能、动态响应以及热特性等，预测装置在实际工作中的性能表现，及时发现设计中存在的潜在问题，并为结构优化提供数据支持。在理论分析和仿真模拟的基础上，搭建完善的实验平台，对MEMS引信安解装置样机进行全面的性能测试和验证。通过开展后坐力、离心力、振动冲击等环境试验，以及可靠性、安全性等综合性能测试，获取装置的实际性能数据。将实验结果与理论分析和仿真模拟结果进行对比分析，进一步验证设计的正确性和可靠性，为装置的优化改进提供实践依据。本研究的技术路线如图1所示，首先从实际需求出发，对MEMS引信安解装置的功能、性能指标以及应用环境等进行全面的需求分析，明确研究目标和设计要求。基于需求分析结果，结合理论分析和对现有装置结构的研究，提出多种创新的结构设计方案，并运用仿真模拟技术对各方案进行初步筛选和优化。对优化后的结构设计方案进行详细的设计和建模，利用先进的加工工艺制造出MEMS引信安解装置样机。对样机进行严格的性能验证和测试，包括力学性能测试、环境适应性测试、可靠性测试等，根据测试结果对装置结构进行进一步的优化改进，最终得到性能优越、安全可靠的MEMS引信安解装置。[此处插入技术路线图1][此处插入技术路线图1]二、MEMS引信安全与解除保险装置基础理论2.1MEMS技术原理与特点MEMS技术是微机械学、微电子学等多学科深度交叉融合的结晶，其核心原理是运用微电子加工技术与微机械制造技术，在芯片上构建微小机械系统，实现微小机构、传感器、执行器与电子电路的有机集成。从微观层面来看，MEMS技术利用硅等半导体材料的机械特性与电学特性，通过光刻、薄膜制备、离子注入、刻蚀等一系列精密加工工艺，在微米甚至纳米尺度上对材料进行精确操控和加工，制造出具有特定功能的微型结构和器件。以MEMS加速度计为例，其工作原理基于牛顿第二定律，通过检测质量块在加速度作用下产生的惯性力，将加速度信号转换为电信号输出。在MEMS加速度计的制造过程中，利用光刻技术在硅片上精确刻蚀出质量块、悬臂梁等微机械结构，这些结构在加速度作用下会发生微小形变，通过与之集成的电容式或压阻式传感器，将形变转换为电容或电阻的变化，进而通过后续的电子电路将其转换为可测量的电信号。MEMS技术的显著特点之一是微小型化。相较于传统的机械和电子系统，MEMS器件的尺寸大幅缩小，通常在微米到毫米量级之间。这种微小型化不仅使得MEMS器件能够在狭小的空间内集成更多功能，还为其在各种对体积和重量有严格要求的领域应用提供了可能。在生物医学领域，微小尺寸的MEMS传感器可被植入人体，用于实时监测人体生理参数，如血糖、血压等，且对人体的侵入性极小，降低了手术风险和患者的不适感；在航空航天领域，MEMS器件的应用能够有效减轻飞行器的重量，提高其飞行性能和燃油效率，同时，微小型化的传感器还能够实现对飞行器各种参数的精确测量，为飞行控制提供可靠的数据支持。MEMS技术的集成度高，可将多种功能的微机械结构、传感器、执行器以及信号处理电路集成在同一芯片上，形成一个高度集成的微型系统。这种集成度的提升不仅减少了系统的体积和重量，还提高了系统的可靠性和性能。通过将传感器与信号处理电路集成在一起，可以减少信号传输过程中的干扰和损耗，提高信号的处理速度和精度。在智能传感器领域，MEMS技术能够将温度传感器、压力传感器、湿度传感器等多种传感器集成在一个芯片上，实现对环境参数的多参数同时监测，并通过内部的微处理器对这些参数进行综合分析和处理，输出更加准确和有用的信息。在武器装备发射和飞行过程中，会受到各种高冲击过载的作用，如炮弹发射时产生的巨大后坐力、导弹飞行时的高速气流冲击等。MEMS技术由于采用了特殊的材料和结构设计，使其具备良好的抗冲击过载能力，能够在恶劣的力学环境下稳定工作，确保引信及整个武器系统的可靠性。一些MEMS引信中的关键部件，如惯性传感器，通过优化结构设计和材料选择，能够承受高达数千甚至数万倍重力加速度的冲击过载，在如此剧烈的冲击下仍能准确地感知弹体的运动状态，为引信的安全与解除保险提供可靠的依据。MEMS技术的出现，为引信的发展带来了革命性的变化。在精确打击武器中，MEMS引信凭借其高精度的传感器和快速的信号处理能力，能够精确地感知目标的位置和运动状态，实现对弹药爆炸时机的精确控制，从而提高弹药的命中精度和毁伤效果。在一些高精度制导炸弹中，MEMS引信能够根据目标的距离和速度，精确计算出最佳的爆炸时机，使炸弹能够在最有利的位置起爆，对目标造成最大的破坏。同时，MEMS引信的微小型化和集成度高的特点，使其能够与其他武器系统组件更好地集成，提高武器系统的整体性能和可靠性，为现代战争中的精确打击提供了有力的技术支持。2.2引信安全与解除保险的基本要求在弹药的全寿命周期中，从最初的储存阶段开始，引信安解装置就肩负着保障安全的重任。储存过程中，可能会面临各种复杂的环境因素，如温度、湿度的波动，以及意外的碰撞、震动等。安解装置需具备高度的稳定性，通过其内部的机械锁止结构、电气隔离措施等，确保引信在这些不利条件下始终处于安全状态，防止因环境变化引发的意外起爆。在高温高湿的储存环境中，安解装置的材料应具备良好的耐腐蚀性和稳定性，其机械结构不应因材料的膨胀或收缩而出现松动或误动作，电气隔离部分也应能有效抵御潮湿环境带来的短路风险，从而保障引信及储存设施的安全。运输环节同样充满挑战，弹药可能会经历颠簸的路况、快速的加速和减速，以及不同运输工具产生的振动。安解装置要能够适应这些动态变化，其保险机构应具有足够的强度和可靠性，在受到各种外力冲击时，仍能保持对爆炸序列的有效隔离，避免因运输过程中的意外情况导致引信起爆，确保运输路线上人员和其他物资的安全。在勤务处理阶段，操作人员对弹药的搬运、安装等操作也可能对引信产生影响。安解装置应设计有明确的安全标识和操作指引，防止操作人员误操作导致引信进入危险状态。其保险机构应具备一定的容错能力，即使在操作过程中出现轻微的失误，也能保证引信的安全。当弹药发射后，安解装置需要可靠地解除保险并实现隔离。在发射瞬间，弹体承受着巨大的后坐力，这要求安解装置的后坐保险机构能够准确识别这一特征环境力，迅速做出响应，解除相应的保险环节。后坐保险机构中的滑块或销钉等部件，应在规定的后坐力阈值范围内，克服阻力，完成预定的运动，为后续的解除保险步骤做好准备。在炮弹发射时，后坐力通常可达数千倍重力加速度，后坐保险机构的滑块需要在如此巨大的力作用下，在极短的时间内（通常在毫秒级）移动到指定位置，解除对后续保险机构的约束。随着弹体进入飞行阶段，离心力成为重要的环境因素，特别是对于旋转稳定的弹药。离心保险机构要依据预设的转速阈值，在弹体达到相应转速时，可靠地解除保险，确保爆炸序列的逐步连通。同时，为了防止引信在炮口附近意外起爆，对己方人员和装备造成伤害，引信需要设置延期解除保险功能，确保在弹丸飞出安全距离后，才允许完全解除保险，进入待发状态。这一安全距离的确定，需要综合考虑弹丸的威力、初速、破片杀伤范围等因素，通过精确的计算和试验验证来确定。对于中大口径火炮榴弹和小口径舰炮、高炮榴弹，引信炮口保险指标一般可按弹径的400倍确定；对于初速较低且炸药装填量又较大的某些航炮榴弹，引信炮口保险指标从战术需求角度来看则应更远，可达15m甚至50m。在解除保险的过程中，安解装置各部件的运动应平稳、准确，避免出现卡滞、碰撞反弹等异常情况。隔爆板的运动轨迹应严格控制，确保在解除保险后，爆炸序列能够正确对正，实现可靠的能量传递；而在保险状态下，隔爆板应能有效阻挡爆炸能量的传播，满足引信安全性设计准则。安解装置还应具备一定的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境、振动冲击环境中，准确地执行解除保险和隔离的动作，确保引信在各种恶劣条件下都能稳定可靠地工作，实现对目标的有效打击。2.3安解装置的工作机制与作用安解装置的核心工作机制在于精确控制爆炸序列含能材料的能量传递，以此实现引信的安全与解除保险功能，其工作过程紧密围绕弹药的发射前后阶段展开，对引信及整个武器系统的安全性和可靠性起着决定性作用。在弹药发射前的漫长储存、运输和勤务处理阶段，安解装置宛如一位忠诚的卫士，始终确保引信处于安全状态。以常见的基于机械结构的安解装置为例，其内部的隔爆板在储存时将爆炸序列中的敏感元件与传爆元件有效隔离，机械锁销则如同坚固的“枷锁”，牢牢限制隔爆板的移动，防止意外的能量传递引发引信起爆。在运输过程中，即使弹药受到颠簸、碰撞等外力作用，这些机械结构也能凭借其坚固的设计和合理的力学布局，保持稳定的状态，确保引信的安全。一些采用电信号控制的安解装置，在储存时会通过电气隔离措施，切断引信发火电路，从电气层面杜绝意外起爆的可能性，为弹药的安全储存和运输提供了多重保障。当弹药发射瞬间，后坐力成为安解装置感知发射动作的关键信号。后坐保险机构中的质量块在巨大的后坐力作用下，克服阻力产生位移。这个过程中，质量块的运动如同一个精密的开关，触发一系列后续动作。质量块的位移可能会使原本处于锁定状态的机械结构解锁，为后续的解除保险步骤奠定基础。后坐力作用下，后坐滑块克服微弹簧拉力实现锁销闭锁，解除对后续保险机构的第一道约束，为离心保险机构的动作创造条件。随着弹体进入飞行阶段，离心力成为主导因素，尤其是对于旋转稳定的弹药。离心保险机构开始发挥作用，其内部的离心滑块在离心力的作用下，逐渐向外移动。当离心力达到预设阈值时，离心滑块完成预定位移，进一步解除对爆炸序列的限制，使引信逐渐接近待发状态。在这个过程中，离心力的大小和变化速率直接影响着离心保险机构的动作时机和可靠性，因此，对离心力的精确感知和控制是确保引信安全解除保险的关键环节。为了防止引信在炮口附近意外起爆，对己方人员和装备造成伤害，引信通常设置延期解除保险功能。这一功能通过延期元件实现，延期元件可以是时间延迟装置，也可以是基于距离感知的装置。时间延迟装置利用精确的计时机制，在弹药发射后的一定时间内，阻止引信完全解除保险，确保弹丸飞出足够的安全距离。基于距离感知的装置则通过传感器实时监测弹丸的飞行距离，当距离达到预设的安全值时，才允许引信解除保险，进入待发状态。对于中大口径火炮榴弹和小口径舰炮、高炮榴弹，引信炮口保险指标一般可按弹径的400倍确定；对于初速较低且炸药装填量又较大的某些航炮榴弹，引信炮口保险指标从战术需求角度来看则应更远，可达15m甚至50m。在整个解除保险的过程中，安解装置各部件的协同运作至关重要。隔爆板的运动需要精准控制，确保在解除保险后，爆炸序列能够正确对正，实现可靠的能量传递。同时，在保险状态下，隔爆板又必须能有效阻挡爆炸能量的传播，满足引信安全性设计准则。安解装置还应具备强大的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境、振动冲击环境中，准确地执行解除保险和隔离的动作，确保引信在各种恶劣条件下都能稳定可靠地工作，为武器系统实现对目标的有效打击提供坚实保障。安解装置在引信系统中占据着核心地位，其工作机制的可靠性和稳定性直接关系到武器系统的作战效能和安全性。通过深入研究和不断优化安解装置的工作机制，能够有效提升引信的性能，满足现代战争对武器装备日益严苛的要求。三、MEMS引信安解装置常见结构分析3.1转子-限位销式结构3.1.1结构组成与工作原理转子-限位销式结构是MEMS引信安解装置中一种具有代表性的结构类型，其工作原理紧密依赖于弹药发射及飞行过程中的环境激励。以基于磁流变脂（MRG）的安解装置为例，该装置主要由后坐销、永磁铁、转子、活塞以及磁流变脂等关键部件组成。在弹药发射前，后坐销和永磁铁共同作用，对转子形成有效的约束，使其处于锁定状态，确保引信处于安全保险状态。此时，磁流变脂在磁场的作用下呈类固态，如同坚固的“胶水”，进一步增强了对转子的锁定效果，防止其意外转动。当弹药发射瞬间，巨大的后坐力成为触发装置动作的首个关键信号。后坐力作用下，后坐销和永磁铁所受的外力超过其与转子之间的约束力，从而脱落，解除了对转子的第一道保险约束。这一过程中，后坐销和永磁铁的脱落是一个快速且精准的动作，它们在设计好的阈值后坐力作用下，迅速脱离与转子的连接，为后续的解除保险步骤开启通道。随着弹体进入飞行阶段，离心力逐渐成为主导因素。在离心激励下，活塞开始发挥作用，它推动脱离磁场的液态磁流变脂。由于磁场的消失，磁流变脂从类固态转变为液态，流动性增强，在活塞的推动下，为转子的进一步解锁创造条件。活塞的运动是由离心力驱动的，离心力的大小与弹体的转速密切相关，当弹体达到一定转速时，离心力足以推动活塞克服磁流变脂的阻力，实现对液态磁流变脂的推动。在活塞推动液态磁流变脂的过程中，转子所受的约束进一步减小，实现了第二道保险的延期解除。此时，转子处于无约束状态，在离心力的持续作用下，开始旋转。转子的旋转是一个逐渐加速的过程，其转速与离心力成正比，离心力越大，转子的旋转速度越快。转子在旋转过程中，其传爆孔逐渐与限位销处对正。当传爆孔完全对正到位时，引信完成了解除保险的全过程，进入待发状态。在这个过程中，限位销起到了关键的定位作用，它确保转子在正确的位置停止旋转，使传爆孔能够准确对正，实现爆炸序列的可靠连接。3.1.2优缺点分析转子-限位销式结构在MEMS引信安解装置中具有独特的优势。其巧妙地利用了弹药发射和飞行过程中的后坐力、离心力等环境激励，无需额外的复杂驱动装置，大大简化了装置的结构设计。这种利用自然环境力的方式，不仅降低了装置的成本和体积，还提高了装置的可靠性和稳定性，减少了因额外驱动装置故障而导致的失效风险。通过合理设计后坐销、活塞等部件的参数，能够实现延期解除保险的功能，有效避免了引信在炮口附近意外起爆，保障了己方人员和装备的安全。延期时间可以根据实际需求进行精确调整，通过改变磁流变脂的特性、活塞的尺寸和形状等参数，能够实现不同时长的延期，满足不同弹药的战术需求。然而，这种结构在实际应用中也暴露出一些明显的缺点。在弹体发射后的高转速环境下，安解装置的隔爆板通常需要在毫米级距离内完成解保动作，这会产生极高的冲击过载。在如此高的冲击过载作用下，隔爆板和锁销结构极易发生塑性变形。塑性变形会导致隔爆板和锁销的形状和尺寸发生改变，使其无法正常工作，影响引信的安全性和可靠性。隔爆板的变形可能导致其无法准确对正传爆孔，从而影响爆炸序列的正常连接，甚至可能引发“哑弹”现象；锁销的变形则可能导致其无法有效锁定或解锁，使引信处于危险状态。高冲击过载还容易引发隔爆板和锁销结构的碰撞反弹问题。当隔爆板和锁销在解保过程中受到冲击时，它们可能会与周围部件发生碰撞，碰撞后产生的反弹力会使它们的运动轨迹发生改变，导致解保动作不稳定。这种不稳定的解保动作会增加引信意外起爆的风险，严重威胁到武器系统的安全运行。在复杂的振动冲击环境中，各种振动和冲击的耦合作用会进一步加剧隔爆板和锁销结构的受力情况，使塑性变形和碰撞反弹问题更加严重，从而影响安解装置解保动作的稳定性，限制了该结构在一些对可靠性要求极高的武器系统中的应用。3.2弹簧-锁销式结构3.2.1结构组成与工作原理弹簧-锁销式结构是MEMS引信安解装置中另一种重要的结构类型，以基于UV-LIGA（紫外光刻、微电铸、微复制）工艺的装置为例，其结构组成精巧且紧密配合，工作原理严谨而有序。该装置主要由后坐滑块、转销、切断销、隔爆板等关键部件构成，各部件在引信的安全与解除保险过程中发挥着独特且不可或缺的作用。在弹药发射前，后坐滑块与转销构成联锁结构，转销与切断销又共同对隔爆板形成两道紧密的约束，其中切断销承担着延期保险的关键职责，而后坐滑块与隔爆板上的锁销结构相同，它们相互配合，确保引信处于高度安全的保险状态。这种多重约束的设计，就像给引信加上了多道坚固的“枷锁”，极大地提高了引信在储存、运输和勤务处理等阶段的安全性，有效防止意外起爆事件的发生。当弹丸发射瞬间，强大的后坐力成为触发装置动作的首个关键信号。在1500g后坐激励的强大作用下，后坐滑块克服微弹簧的拉力，实现锁销闭锁。这一过程中，后坐滑块的运动就如同一个精密的开关，它在巨大的后坐力推动下，迅速克服微弹簧的阻力，完成锁销闭锁动作，为后续的解除保险步骤奠定了基础。后坐滑块的这一动作，不仅是对发射信号的快速响应，更是整个解除保险过程的起始点，其动作的准确性和可靠性直接影响到后续步骤的顺利进行。随着弹体进入飞行阶段，离心力逐渐成为主导因素。在20r/s离心作用下，转销开始旋转。转销的旋转是一个逐渐加速的过程，它在离心力的持续作用下，克服摩擦力等阻力，缓慢而稳定地转动。当转销旋转到一定角度时，它成功解除了对隔爆板的第一道约束，为隔爆板的后续运动创造了条件。转销的这一动作，就像打开了通往解除保险的第一道大门，使得隔爆板的运动成为可能，是解除保险过程中的重要一环。当引信识别到外弹道安全距离后，电推销收到弹道远解指令，迅速产生推力。这一推力与隔爆板自身所受的离心推力共同作用，将切断销推断。切断销的推断过程是一个瞬间的、高能量的动作，在电推销推力和隔爆板离心推力的双重作用下，切断销克服自身与周围结构的摩擦力和约束力，迅速脱离原来的位置，从而解除了对隔爆板的第二道延期保险约束。切断销的推断，意味着隔爆板的最后一道约束被解除，隔爆板即将进入最后的闭锁阶段，是解除保险过程中的关键步骤。最后，在离心力的持续驱动下，无约束的隔爆板开始闭锁。隔爆板在离心力的作用下，沿着预定的轨迹快速运动，当它运动到指定位置时，隔爆孔与传爆通道对正，完成了解除保险的全过程，使引信进入待发状态。隔爆板的闭锁过程是一个精确的定位过程，它需要在离心力的作用下，准确地移动到预定位置，确保隔爆孔与传爆通道的精确对正，以实现爆炸序列的可靠连接，这对隔爆板的运动精度和稳定性提出了极高的要求。3.2.2优缺点分析弹簧-锁销式结构在MEMS引信安解装置中展现出诸多显著优点。该结构巧妙地利用了弹药发射和飞行过程中产生的后坐力和离心力这两种自然环境力，无需额外的复杂驱动装置，极大地简化了装置的整体结构。这种利用自然环境力的设计理念，不仅降低了装置的成本和体积，还提高了装置的可靠性和稳定性，减少了因额外驱动装置故障而导致的失效风险。在一些对成本和体积要求较高的武器系统中，这种结构的优势尤为明显，它能够在有限的空间内实现引信的安全与解除保险功能，为武器系统的小型化和轻量化提供了有力支持。该结构能够实现直列式传爆序列，有效避免了爆轰能量传递方向的改变，减少了能量损失，提高了爆炸能量的利用效率。直列式传爆序列使得爆炸能量能够沿着预定的路径高效传递，确保了弹药在起爆时能够释放出最大的威力，增强了武器系统的作战效能。在一些对爆炸威力要求较高的武器中，如炮弹、导弹等，直列式传爆序列能够使弹药在命中目标时产生更大的破坏力，提高了武器的杀伤效果。然而，弹簧-锁销式结构也存在一些不容忽视的缺点。UV-LIGA工艺本身较为复杂，对加工设备和工艺条件要求极高，这使得基于该工艺的装置加工难度较大。在加工过程中，需要精确控制光刻、微电铸、微复制等多个环节的参数，任何一个环节出现偏差，都可能导致装置的尺寸精度、表面质量等性能指标下降，从而影响装置的正常工作。微小尺寸的锁销和复杂形状的转销等部件的加工，需要高精度的光刻技术和微电铸工艺，这不仅增加了加工成本，还降低了生产效率，限制了该结构的大规模应用。在实际试验中，由于弹体发射后的高转速，安解装置的隔爆板通常需要在毫米级距离内完成解保动作，这会产生极高的冲击过载。在如此高的冲击过载作用下，隔爆板和锁销结构极易发生塑性变形。塑性变形会导致隔爆板和锁销的形状和尺寸发生改变，使其无法正常工作，影响引信的安全性和可靠性。隔爆板的变形可能导致其无法准确对正传爆孔，从而影响爆炸序列的正常连接，甚至可能引发“哑弹”现象；锁销的变形则可能导致其无法有效锁定或解锁，使引信处于危险状态。高冲击过载还容易引发隔爆板和锁销结构的碰撞反弹问题。当隔爆板和锁销在解保过程中受到冲击时，它们可能会与周围部件发生碰撞，碰撞后产生的反弹力会使它们的运动轨迹发生改变，导致解保动作不稳定。这种不稳定的解保动作会增加引信意外起爆的风险，严重威胁到武器系统的安全运行。在复杂的振动冲击环境中，各种振动和冲击的耦合作用会进一步加剧隔爆板和锁销结构的受力情况，使塑性变形和碰撞反弹问题更加严重，从而影响安解装置解保动作的稳定性，限制了该结构在一些对可靠性要求极高的武器系统中的应用。3.3其他创新结构简述除了上述两种常见的结构类型，还有一些创新的MEMS引信安解装置结构在研究中展现出独特的优势。限位自闭锁式结构是其中一种具有代表性的创新结构，以中北大学姜学文团队提出的基于电铸镍材料的改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置为例，该装置在结构设计上独具匠心，充分利用后坐环境和离心环境激励特点，结合指令控制的电动推销器，成功实现了三道独立冗余保险和延期解除隔离功能需求。在结构组成方面，该装置对传统结构进行了多方面的改进。去除了后坐滑块与基板碰撞的Z型齿，这是因为在UV-LIGA工艺过程中，借助环氧光刻胶（SU-8）进行光刻后曝光、显影、微电铸成型时，微型连续的Z型齿加工难度极大，而且在连续碰撞震动环境的耦合作用下，会严重影响微弹簧及后坐滑块的闭锁稳定性。在隔爆板上增加了一体式推力弹簧，在解除隔离前，推力弹簧处于预压状态，而在解除隔离时，弹簧回弹产生径向预推力，这一设计巧妙地有助于隔爆板在离心力作用下的运动，使其能够更加顺畅地完成解保动作。在基板上增加反锁卡簧，同时在隔爆板上增加卡簧限位槽，两者相互配合，发挥出削能和止退的关键作用。反锁卡簧能够有效避免隔爆板闭锁过程中因冲量过大而造成锁销结构的危险截面强度失效，起到了保护锁销结构的作用；反锁卡簧作为径向止退限位装置，能够阻碍隔爆板折返回初始位置，保障在碰撞反弹后的隔爆板能够再次迅速闭锁，大大提高了解保动作的稳定性和可靠性。在保险性能方面，该限位自闭锁式结构凭借三道独立冗余保险设计，显著提升了引信在储存、运输和勤务处理等阶段的安全性。与常见的转子-限位销式和弹簧-锁销式结构相比，这种冗余保险设计使得引信在面对各种意外情况时，能够提供更可靠的安全保障。在受到强烈的外部冲击时，冗余保险机制能够有效防止引信意外起爆，确保人员和装备的安全。而在结构强度方面，通过优化结构设计，尤其是反锁卡簧与卡簧限位槽的配合，有效增强了隔爆板的闭锁强度，降低了高冲击过载下隔爆板和锁销结构发生塑性变形的风险。在高转速环境下，反锁卡簧能够有效缓冲隔爆板的运动冲量，避免其因受力过大而发生塑性变形，从而保证了引信在复杂环境下的可靠工作。与常见结构相比，限位自闭锁式结构在解保动作的稳定性方面具有明显优势。传统结构在高冲击过载和复杂振动冲击环境下，容易出现隔爆板和锁销结构的塑性变形与碰撞反弹问题，导致解保动作不稳定。而限位自闭锁式结构通过反锁卡簧的削能和止退作用，能够有效避免这些问题的发生，实现环境激励下的无碰撞反弹一次闭锁到位，确保引信能够准确、可靠地解除保险，为弹药的精确打击提供了有力保障。四、MEMS引信安解装置结构设计要点4.1材料选择与应用4.1.1常用材料特性分析在MEMS引信安解装置的设计中，材料的选择对装置的性能起着至关重要的作用。电铸镍是一种常用材料，其具有出色的力学性能。通过优化工艺参数，电铸镍能够获得综合性能优异的铸镍层，如抗拉强度可达673MPa、延伸率为23.2%和内应力为48MPa。这种较高的抗拉强度使得电铸镍在承受高冲击过载时，不易发生断裂，能够有效保障安解装置在恶劣环境下的结构完整性；适当的延伸率则赋予了材料一定的柔韧性，使其在受到外力作用时，能够通过自身的变形来缓冲能量，减少因应力集中而导致的结构破坏。从加工性能来看，电铸镍工艺能够实现复杂形状的制造，满足MEMS引信安解装置对微型化、精细化结构的需求。通过电铸工艺，可以在模具表面精确地沉积镍层，形成各种微小的结构和特征，如微型齿轮、弹簧等，这些结构在安解装置中发挥着关键的作用，如实现力的传递、控制部件的运动等。在制造后坐滑块、隔爆板等关键部件时，电铸镍工艺能够确保其尺寸精度和表面质量，为安解装置的性能提供了有力保障。硅材料在MEMS技术中也具有广泛的应用。硅材料具有良好的机械性能和电学性能，其密度低，能够有效减轻装置的重量，符合MEMS引信安解装置微型化和轻量化的发展趋势。硅材料的加工工艺成熟，如光刻、刻蚀等工艺，能够实现高精度的微加工，制造出尺寸精确、结构复杂的微机械结构。在制造硅基传感器时，通过光刻和刻蚀工艺，可以在硅片上精确地制作出敏感元件和电路，实现对环境参数的精确感知和信号处理。硅材料还具有良好的化学稳定性，在不同的环境条件下，能够保持其性能的稳定，确保安解装置的可靠性。金属基板（如镍或铜）常用于MEMS引信安解装置，这主要得益于其良好的防爆性能。在爆炸等极端环境下，金属基板能够有效地阻挡爆炸能量的传播，保护内部的敏感元件和电路不受损坏。镍基板具有较高的强度和耐腐蚀性，在恶劣的环境中，能够长时间保持其结构和性能的稳定；铜基板则具有良好的导电性和导热性，能够快速地传递电信号和热量，确保安解装置的正常运行。金属基板还能够为其他部件提供稳定的支撑，保证安解装置的整体结构稳定性。4.1.2材料对结构性能的影响不同材料在满足MEMS引信安解装置微型化、高强度和可靠性要求方面发挥着各自独特的作用。电铸镍的高强度特性使其成为制造关键受力部件的理想选择，如隔爆板和锁销等。在高冲击过载环境下，隔爆板需要具备足够的强度来承受巨大的冲击力，防止因塑性变形而导致爆炸序列的误连接或失效。电铸镍制成的隔爆板，凭借其较高的抗拉强度和良好的韧性，能够在高冲击过载下保持结构的完整性，确保隔爆功能的可靠实现。锁销在安解装置中承担着锁定和解锁的重要任务，需要具备较高的强度和耐磨性。电铸镍的高强度和良好的耐磨性，使得锁销能够在频繁的锁定和解锁操作中，保持其形状和尺寸的稳定，确保安解装置的正常工作。硅材料由于其良好的加工性能和低重量特性，适用于制造一些对重量敏感且需要高精度微加工的部件。在制造微传感器时，硅材料能够通过光刻、刻蚀等工艺，精确地制作出微小的敏感结构和电路，实现对环境参数的高精度感知。硅材料的低重量特性，使得微传感器在不增加装置整体重量的前提下，能够实现更多的功能集成，提高了安解装置的智能化水平。金属基板的防爆性能为安解装置提供了可靠的安全保障。在爆炸发生时，金属基板能够有效地阻挡爆炸能量的传播，保护内部的敏感元件和电路不受损坏，确保引信的安全性和可靠性。金属基板还能够为其他部件提供稳定的支撑，保证安解装置在复杂环境下的结构稳定性。在振动冲击环境中，金属基板能够吸收和分散能量，减少对其他部件的影响，确保安解装置各部件的正常工作。材料的选择对MEMS引信安解装置的结构性能有着深远的影响。在设计过程中，需要综合考虑材料的力学性能、加工性能、防爆性能等多方面因素，根据不同部件的功能需求，合理选择材料，以实现装置的微型化、高强度和高可靠性，满足现代战争对武器装备的严苛要求。4.2力学环境适应性设计4.2.1后坐力与离心力作用分析在弹丸发射过程中，后坐力与离心力是影响MEMS引信安解装置工作性能的关键力学因素。后坐力产生于发射瞬间，其大小与发射系统的参数密切相关，如发射药的种类、装药量以及发射装置的结构等。一般而言，后坐力可通过经典的内弹道学公式进行估算，其表达式为：F=m\cdota，其中F表示后坐力，m为弹丸质量，a是发射瞬间弹丸获得的加速度。在常见的火炮发射中，弹丸质量通常在数千克至数十千克之间，而发射瞬间的加速度可达数千倍重力加速度，这意味着后坐力能够达到数万牛顿甚至更高。对于一枚质量为10kg的炮弹，在发射时加速度达到5000g（g为重力加速度，约9.8m/s²），则后坐力F=10\times5000\times9.8=490000N。后坐力的方向沿着弹轴方向向后，其作用时间极为短暂，通常在毫秒级。在如此短的时间内，后坐力会对MEMS引信安解装置产生巨大的冲击，这就要求装置中的后坐保险机构能够迅速响应。后坐保险机构中的质量块在巨大的后坐力作用下，需要在极短的时间内克服阻力产生位移，以触发后续的解除保险动作。后坐力作用下，后坐滑块需在几毫秒内克服微弹簧拉力实现锁销闭锁，完成对后续保险机构的第一道解锁。随着弹丸进入飞行阶段，离心力成为重要的力学因素，特别是对于旋转稳定的弹药。离心力的大小与弹丸的转速、质量以及质心到旋转轴的距离有关，其计算公式为F_{c}=m\cdot\omega^{2}\cdotr，其中F_{c}表示离心力，m为弹丸质量，\omega是弹丸的角速度，r为质心到旋转轴的距离。在实际飞行中，弹丸的转速可达数千转每分钟，假设弹丸质量为5kg，转速为3000转每分钟（换算为角速度约为314rad/s），质心到旋转轴的距离为0.05m，则离心力F_{c}=5\times314^{2}\times0.05\approx24649N。离心力的方向沿着弹丸旋转半径向外，在弹丸整个飞行过程中持续作用。在离心力的持续作用下，安解装置中的离心保险机构开始动作，离心滑块需要在离心力的作用下，克服摩擦力等阻力，逐渐向外移动。当离心力达到预设阈值时，离心滑块完成预定位移，进一步解除对爆炸序列的限制，使引信逐渐接近待发状态。为了更准确地分析后坐力和离心力对MEMS引信安解装置的作用，可建立相应的力学模型。以常见的弹簧-质量块模型来模拟后坐保险机构，质量块代表后坐滑块，弹簧则模拟后坐滑块所受的阻力，如微弹簧的拉力。通过对该模型进行动力学分析，利用牛顿第二定律F=ma，结合后坐力的变化规律，可求解出后坐滑块在不同时刻的位移、速度和加速度，从而评估后坐保险机构在不同后坐力条件下的响应特性。对于离心保险机构，可建立旋转坐标系下的力学模型，考虑离心力、摩擦力以及其他约束条件，分析离心滑块在离心力作用下的运动轨迹和运动时间，为离心保险机构的设计提供理论依据。通过这些力学模型的建立和分析，能够深入了解后坐力和离心力对MEMS引信安解装置的作用机制，为装置的结构设计和优化提供关键的数据支持，确保装置在复杂的力学环境下能够可靠地工作。4.2.2结构抗过载设计方法为了提高MEMS引信安解装置在高冲击过载环境下的结构强度和可靠性，需要采用一系列有效的抗过载设计方法。通过优化结构形状，能够显著改善装置在高冲击过载下的受力分布，降低应力集中现象，从而提高结构的抗过载能力。在设计隔爆板时，可采用流线型或弧形结构，避免出现尖锐的边角和突变的截面形状。尖锐的边角和突变的截面在受到冲击时，容易产生应力集中，导致局部应力过高，从而引发结构的破坏。而流线型或弧形结构能够使冲击力更均匀地分布在结构表面，减少应力集中的程度。在设计隔爆板的边缘时，采用圆角过渡，能够有效降低边缘处的应力集中，提高隔爆板的抗冲击能力。合理调整结构尺寸也是提高抗过载能力的重要手段。对于关键的受力部件，如锁销、滑块等，根据力学分析结果，适当增加其尺寸，能够提高部件的强度和刚度，使其在高冲击过载下不易发生塑性变形或断裂。在设计锁销时，通过有限元分析等方法，计算出锁销在不同工况下的受力情况，然后根据计算结果，适当增加锁销的直径或长度，提高其承载能力。但在增加尺寸时，需要综合考虑装置的整体体积和重量限制，确保在满足抗过载要求的前提下，不影响装置的微型化和轻量化设计目标。在结构设计中，增加加强筋是一种简单而有效的提高结构强度的方法。加强筋能够增强结构的刚度，提高其抵抗变形的能力。在隔爆板等关键部件上合理布置加强筋，可使其在受到冲击时，将冲击力分散到更多的区域，从而降低单个部位的受力，提高结构的整体抗过载能力。加强筋的布置方向和间距需要根据部件的受力特点进行优化设计。对于主要承受轴向力的部件，加强筋可沿轴向布置；对于承受弯曲力的部件，加强筋可呈网格状布置，以增强结构在各个方向上的刚度。加强筋的间距也需要合理控制，间距过大，加强效果不明显；间距过小，则会增加结构的复杂性和重量。在一些复杂的MEMS引信安解装置结构中，还可以采用组合结构的方式来提高抗过载能力。将不同材料或不同结构形式的部件组合在一起，充分发挥各自的优势，实现结构性能的优化。将高强度的金属材料与轻质的复合材料组合使用，在保证结构强度的同时，减轻装置的重量；将刚性结构与柔性结构相结合，利用柔性结构的缓冲作用，降低刚性结构在冲击下的受力，提高结构的抗冲击能力。通过优化结构形状、合理调整尺寸、增加加强筋以及采用组合结构等一系列设计方法的综合应用，能够显著提高MEMS引信安解装置的结构抗过载能力，确保装置在高冲击过载的恶劣环境下能够稳定可靠地工作，为引信的安全性和可靠性提供坚实的保障。4.3冗余保险设计4.3.1多重保险机制原理冗余保险设计是提升MEMS引信安解装置安全性与可靠性的关键策略，其核心在于设置多道独立保险，形成严密的安全防护体系。后坐保险作为第一道防线，主要利用弹药发射瞬间产生的后坐力来触发动作。在发射瞬间，巨大的后坐力会使后坐保险机构中的质量块迅速产生位移，通过巧妙设计的机械结构，如后坐滑块在导轨上的滑动，实现对后续保险机构的解锁，为解除保险的后续步骤开启通道。后坐力的大小通常与发射系统的参数密切相关，如发射药的种类、装药量以及发射装置的结构等，一般在数千倍重力加速度以上。通过精确设计后坐保险机构的参数，如质量块的质量、弹簧的弹性系数以及导轨的摩擦力等，能够确保只有在正常发射产生的后坐力作用下，后坐保险才能可靠解除，有效避免因意外冲击导致的误解除保险情况。离心保险作为第二道保险，主要在弹丸飞行阶段发挥作用，利用弹丸旋转产生的离心力来控制保险的解除。随着弹丸发射后进入飞行状态，其转速逐渐升高，离心力也随之增大。离心保险机构中的离心滑块在离心力的作用下，克服摩擦力和弹簧的阻力，沿着特定的轨迹向外移动。当离心力达到预设的阈值时，离心滑块完成预定的位移，实现对下一级保险机构的解锁，进一步推进解除保险的进程。离心力的大小与弹丸的转速、质量以及质心到旋转轴的距离有关，通过精确计算和实验验证，确定合适的离心保险参数，能够确保离心保险在弹丸达到预定转速时可靠解除，同时避免在低转速或异常情况下误解除保险。延期保险则为整个保险体系提供了额外的时间延迟保障，确保引信在炮口附近处于绝对安全状态。延期保险通常采用时间延迟装置或基于距离感知的装置来实现。时间延迟装置利用精确的计时机制，如机械定时器、电子定时器等，在弹药发射后的一定时间内，阻止引信完全解除保险。电子定时器可以通过高精度的晶体振荡器产生稳定的时钟信号，经过分频和计数电路，实现精确的时间控制。基于距离感知的装置则通过传感器实时监测弹丸的飞行距离，当距离达到预设的安全值时，才允许引信解除保险，进入待发状态。对于中大口径火炮榴弹和小口径舰炮、高炮榴弹，引信炮口保险指标一般可按弹径的400倍确定；对于初速较低且炸药装填量又较大的某些航炮榴弹，引信炮口保险指标从战术需求角度来看则应更远，可达15m甚至50m。通过合理设置延期保险的时间或距离参数，能够有效避免引信在炮口附近意外起爆，保障己方人员和装备的安全。多重保险机制通过后坐保险、离心保险和延期保险等多道防线的协同作用，形成了一个层次分明、相互制约的安全保障体系。每一道保险都独立发挥作用，且只有当前一道保险按预定条件解除后，下一道保险才有可能解除，这种严格的顺序控制大大降低了引信意外起爆的风险，显著提高了MEMS引信安解装置在全寿命周期内的安全性和可靠性，为武器系统的稳定运行提供了坚实保障。4.3.2保险机构的协同工作在弹药发射的不同阶段，MEMS引信安解装置的各保险机构紧密协同工作，确保引信可靠解除保险。发射瞬间，后坐力成为触发保险机构动作的首个关键信号。后坐力的大小通常在数千倍重力加速度以上，在如此巨大的力作用下，后坐保险机构迅速响应。以常见的弹簧-质量块结构为例，质量块在强大的后坐力作用下，克服弹簧的拉力，在极短的时间内（通常在毫秒级）沿着导轨快速滑动，实现对转销的解锁。这一动作就像打开了通往解除保险的第一道大门，为后续保险机构的动作创造了条件。后坐力作用下，后坐滑块需在几毫秒内克服微弹簧拉力实现锁销闭锁，完成对后续保险机构的第一道解锁。随着弹丸进入飞行阶段，转速逐渐升高，离心力成为主导因素。在离心力的作用下，转销开始旋转。转销的旋转是一个逐渐加速的过程，它在离心力的持续作用下，克服摩擦力等阻力，缓慢而稳定地转动。当转销旋转到一定角度时，它成功解除了对隔爆板的第一道约束，使隔爆板能够在离心力的作用下开始运动。转销的这一动作，就像接力赛中的第二棒，接过了后坐保险机构传递的“接力棒”，继续推进解除保险的进程。在20r/s离心作用下，转销开始旋转，解除对隔爆板的第一道约束。当引信识别到外弹道安全距离后，延期保险机构开始发挥作用。电推销收到弹道远解指令，迅速产生推力。这一推力与隔爆板自身所受的离心推力共同作用，将切断销推断。切断销的推断过程是一个瞬间的、高能量的动作，在电推销推力和隔爆板离心推力的双重作用下，切断销克服自身与周围结构的摩擦力和约束力，迅速脱离原来的位置，从而解除了对隔爆板的第二道延期保险约束。切断销的推断，意味着隔爆板的最后一道约束被解除，隔爆板即将进入最后的闭锁阶段，是解除保险过程中的关键步骤。最后，在离心力的持续驱动下，无约束的隔爆板开始闭锁。隔爆板在离心力的作用下，沿着预定的轨迹快速运动，当它运动到指定位置时，隔爆孔与传爆通道对正，完成了解除保险的全过程，使引信进入待发状态。隔爆板的闭锁过程是一个精确的定位过程，它需要在离心力的作用下，准确地移动到预定位置，确保隔爆孔与传爆通道的精确对正，以实现爆炸序列的可靠连接，这对隔爆板的运动精度和稳定性提出了极高的要求。在整个保险机构协同工作的过程中，每一个环节都紧密相连，前一个保险机构的动作是后一个保险机构动作的前提条件。这种严格的顺序控制和协同工作机制，确保了引信在不同阶段能够按照预定的程序可靠地解除保险，同时有效避免了因意外情况导致的误解除保险或保险解除不完全等问题，为引信的安全性和可靠性提供了坚实的保障，确保武器系统在作战中能够准确、可靠地发挥作用。4.4隔爆与解锁设计4.4.1隔爆结构的设计优化在MEMS引信安解装置中，隔爆结构的设计优化对于保障引信的安全性和可靠性至关重要。通过对隔爆板形状、尺寸和材料的优化，可以显著提升隔爆性能。在形状设计上，采用流线型或弧形的隔爆板，能够有效改善爆炸能量作用下的受力分布，减少应力集中现象。传统的矩形隔爆板在爆炸冲击时，边角部位容易产生应力集中，导致结构损坏，影响隔爆效果。而流线型隔爆板能够使爆炸能量更均匀地分散，降低局部应力，提高隔爆板的抗冲击能力。在尺寸方面，根据爆炸能量的大小和传播特性，精确计算隔爆板的厚度和面积，确保其在承受爆炸冲击时不会发生过度变形或破裂。通过有限元分析等方法，模拟不同尺寸隔爆板在爆炸冲击下的力学响应，确定最佳的尺寸参数，既能保证隔爆效果，又能满足装置的微型化要求。材料的选择对隔爆结构的性能也有着决定性影响。如前文所述，电铸镍材料具有较高的抗拉强度和良好的韧性，是制作隔爆板的理想材料之一。其抗拉强度可达673MPa，能够在高冲击过载下保持结构的完整性，有效阻挡爆炸能量的传播。还可以考虑在电铸镍材料中添加适量的合金元素，进一步提高其强度和耐磨性，增强隔爆板的抗冲击性能。添加微量的钛元素，可以细化电铸镍的晶粒结构，提高材料的强度和韧性，使其在承受爆炸冲击时更不容易发生塑性变形。为了进一步提高隔爆性能，还可以在结构设计上增加一些辅助结构。在隔爆板周围增加反锁卡簧，同时在隔爆板上设置卡簧限位槽。反锁卡簧与卡簧限位槽的配合能够起到削能和止退的作用。在隔爆板闭锁过程中，当受到较大的冲量时，反锁卡簧能够有效吸收部分能量，避免锁销结构因受力过大而发生危险截面强度失效。反锁卡簧还能作为径向止退限位装置，阻碍隔爆板折返回初始位置，保障在碰撞反弹后的隔爆板能够再次迅速闭锁，确保隔爆结构在复杂环境下的稳定性和可靠性。在一些对隔爆性能要求极高的场合，还可以采用多层隔爆结构。将不同材料、不同厚度的隔爆板组合在一起，形成多层次的隔爆屏障。外层的隔爆板可以采用高强度的金属材料，如电铸镍，主要承受爆炸的冲击力；内层的隔爆板则可以采用具有良好吸能特性的材料，如橡胶或复合材料，进一步吸收和分散爆炸能量。通过这种多层隔爆结构的设计，可以大大提高隔爆效果，确保引信在各种恶劣条件下的安全性。4.4.2解锁机构的可靠性设计解锁机构作为MEMS引信安解装置中实现解除保险功能的关键部件，其可靠性直接关系到引信能否在预定条件下准确解除保险，对武器系统的作战效能和安全性有着至关重要的影响。因此，通过改进解锁机构的触发方式、驱动力和锁定方式，提高其可靠性成为设计中的关键要点。在触发方式方面，传统的解锁机构多依赖于单一的环境力触发，如后坐力或离心力。这种单一触发方式在复杂的战场环境下可能存在一定的局限性，容易受到干扰而导致误触发或触发不及时。为了提高触发的可靠性，可以采用多种环境力复合触发的方式。结合后坐力和离心力的作用，设计一种复合触发机构。在弹药发射瞬间，后坐力首先触发解锁机构的初步动作，使机构进入预解锁状态；随着弹丸飞行，离心力逐渐增大，当达到预设阈值时，进一步触发解锁机构完成最终的解锁动作。这种复合触发方式能够有效避免因单一环境力异常而导致的解锁失败，提高了解锁机构在复杂环境下的适应性和可靠性。还可以引入智能传感器技术，通过感知弹丸的多种状态参数，如加速度、角速度、压力等，综合判断是否满足解锁条件，实现更加精准的触发控制。解锁机构的驱动力是确保其正常工作的重要因素。传统的驱动力来源主要包括弹簧力、电磁力等。弹簧力作为一种常见的驱动力，具有结构简单、成本低的优点，但在长期使用过程中，弹簧可能会出现疲劳、变形等问题，导致驱动力不稳定，影响解锁的可靠性。电磁力虽然具有响应速度快、可控性强的特点，但在复杂电磁环境下，容易受到干扰，影响其正常工作。为了提高驱动力的可靠性，可以采用多种驱动力协同作用的方式。将弹簧力和电磁力相结合，在正常情况下，弹簧力提供主要的驱动力，确保解锁机构能够顺利动作；当遇到特殊情况，如弹簧失效或电磁干扰较小时，电磁力作为备用驱动力，保证解锁机构仍能正常工作。还可以探索新型的驱动力来源，如利用形状记忆合金的特性，通过温度变化产生驱动力，为解锁机构提供更加可靠的动力支持。锁定方式是保证解锁机构在非解锁状态下安全可靠的关键。传统的锁定方式主要有机械锁止和电气锁止两种。机械锁止通常采用锁销、卡扣等结构，虽然具有可靠性高的优点，但在长期使用过程中，容易因磨损、腐蚀等原因导致锁止失效。电气锁止则通过电路控制实现锁定和解锁，具有操作方便、响应速度快的特点，但在电气故障时，可能会出现无法锁定或解锁的情况。为了提高锁定方式的可靠性，可以采用多重锁定的方式。在机械锁止的基础上，增加电气锁止功能，形成双重保险。当机械锁止正常工作时，电气锁止作为备用保险，实时监测机械锁止的状态；当机械锁止出现故障时，电气锁止能够迅速启动，确保解锁机构仍能处于锁定状态。还可以采用智能锁定技术，通过传感器实时监测解锁机构的状态，当检测到异常情况时，自动启动备用锁定机制，提高锁定方式的可靠性和智能化水平。通过对解锁机构触发方式、驱动力和锁定方式的改进和优化，能够显著提高解锁机构的可靠性，确保MEMS引信安解装置在各种复杂条件下都能准确、可靠地解除保险，为武器系统的安全稳定运行提供有力保障。五、基于具体案例的MEMS引信安解装置结构设计5.1某型小口径榴弹引信安解装置设计5.1.1设计需求与目标某型小口径榴弹在现代战争中承担着重要的作战任务，其引信安解装置的性能直接关系到弹药的作战效能和使用安全。随着武器装备智能化、微型化发展趋势的不断推进，对该型小口径榴弹引信安解装置提出了更为严苛的要求。在体积方面，由于小口径榴弹自身空间有限，为了增加弹药的装药量，提高其杀伤力，迫切需要安解装置在满足功能需求的前提下，尽可能地缩小体积，以节省空间。在冗余保险性能上，为了确保弹药在储存、运输和使用过程中的绝对安全，防止意外起爆事件的发生，需要加强安解装置的冗余保险性能，设置多道独立的保险机制，形成严密的安全防护体系，降低引信意外起爆的风险。考虑到小口径榴弹在发射和飞行过程中会承受高冲击过载和复杂的振动冲击环境，这对安解装置的结构强度提出了极高的要求，需要提高其结构强度，确保装置在恶劣环境下能够稳定可靠地工作，避免因结构损坏而导致的功能失效。基于上述需求，本设计的目标是研发一种基于MEMS技术的安解装置，通过创新的结构设计和先进的材料应用，实现装置体积的有效缩小。在冗余保险性能方面，通过设计三道独立冗余保险，利用后坐环境和离心环境激励特点，结合指令控制的电动推销器，确保引信在全寿命周期内的安全性。在结构强度上，通过优化结构设计和选用高性能材料，如电铸镍材料，提高装置在高冲击过载和复杂振动冲击环境下的结构强度和可靠性，有效解决现有装置存在的结构强度不足、解保动作不稳定等问题，提升引信的安全性和可靠性，满足现代战争对武器装备的严苛要求。5.1.2具体结构设计方案本设计提出的基于电铸镍材料的改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置，在结构设计上进行了多方面的创新与优化，以满足某型小口径榴弹引信对安解装置的严格要求。该装置外形尺寸为13.3mm×7mm×0.7mm，在有限的空间内实现了功能的集成与优化，有效缩小了体积。在结构组成上，装置充分利用后坐环境和离心环境激励特点，结合指令控制的电动推销器，实现了三道独立冗余保险和延期解除隔离功能需求。后坐滑块与基板碰撞的Z型齿被去除。在UV-LIGA工艺过程中，借助环氧光刻胶（SU-8）进行光刻后曝光、显影、微电铸成型时，微型连续的Z型齿加工难度极大，且在连续碰撞震动环境的耦合作用下，会严重影响微弹簧及后坐滑块的闭锁稳定性。去除Z型齿后，不仅降低了加工难度，还提高了后坐滑块闭锁的稳定性，为整个装置的可靠运行奠定了基础。在隔爆板上增加了一体式推力弹簧。在解除隔离前，推力弹簧处于预压状态，储存了一定的弹性势能；而在解除隔离时，弹簧回弹产生径向预推力，这一推力能够有效地辅助隔爆板在离心力作用下的运动，使其能够更加顺畅地完成解保动作，提高了解保的可靠性和稳定性。基板上增加了反锁卡簧，同时在隔爆板上增加了卡簧限位槽。反锁卡簧与卡簧限位槽相互配合，发挥出削能和止退的关键作用。在隔爆板闭锁过程中，当受到较大的冲量时，反锁卡簧能够有效吸收部分能量，避免锁销结构因受力过大而发生危险截面强度失效，保护了锁销结构的完整性；反锁卡簧作为径向止退限位装置，能够阻碍隔爆板折返回初始位置，保障在碰撞反弹后的隔爆板能够再次迅速闭锁，大大提高了解保动作的稳定性和可靠性。通过以上结构设计方案的实施，该改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置在体积缩小的同时，有效加强了冗余保险性能和结构强度，满足了某型小口径榴弹引信对安解装置的设计需求，为提高小口径榴弹的作战效能和使用安全提供了有力保障。5.1.3设计创新点分析本设计在结构上的创新点显著，有效提升了引信安解装置的性能。利用反锁卡簧与卡簧限位槽的配合实现限位自闭锁，这一设计区别于传统隔爆机构需要借助额外微弹簧辅助锁紧的方式。反锁卡簧不仅能够在隔爆板闭锁过程中起到削能作用，有效避免因冲量过大而造成锁销结构的危险截面强度失效，还能作为径向止退限位装置，阻碍隔爆板折返回初始位置，保障碰撞反弹后的隔爆板能够再次迅速闭锁，大大提高了解保动作的稳定性和可靠性。这种限位自闭锁方式简化了结构，减少了部件数量，降低了装置的复杂性和成本，同时提高了装置的可靠性和稳定性。在高冲击过载和复杂振动冲击环境下，传统结构的隔爆板和锁销容易发生塑性变形与碰撞反弹，导致解保动作不稳定。而本设计通过优化结构设计，尤其是反锁卡簧与卡簧限位槽的协同作用，能够有效避免这些问题的发生。反锁卡簧的削能作用可以减轻隔爆板在闭锁过程中的冲击力，降低锁销结构发生塑性变形的风险；其止退作用则能确保隔爆板在碰撞反弹后仍能迅速回到正确位置，实现无碰撞反弹一次闭锁到位，确保引信能够准确、可靠地解除保险，为弹药的精确打击提供了有力保障。本设计还在材料应用上进行了创新，采用电铸镍材料作为装置的关键材料。电铸镍具有出色的力学性能，通过优化工艺参数，其抗拉强度可达673MPa、延伸率为23.2%和内应力为48MPa。这种较高的抗拉强度使得电铸镍在承受高冲击过载时，不易发生断裂，能够有效保障安解装置在恶劣环境下的结构完整性；适当的延伸率则赋予了材料一定的柔韧性，使其在受到外力作用时，能够通过自身的变形来缓冲能量，减少因应力集中而导致的结构破坏。电铸镍工艺能够实现复杂形状的制造，满足MEMS引信安解装置对微型化、精细化结构的需求，为装置的创新设计提供了材料基础。通过结构和材料应用上的创新，本设计的改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置在性能上相较于传统结构有了显著提升，为MEMS引信安解装置的发展提供了新的思路和方法。5.2电磁驱动引信MEMS安解装置设计5.2.1电磁驱动原理应用电磁驱动引信MEMS安解装置的核心在于巧妙利用电磁力实现对隔爆滑块的精确控制，其原理基于电磁感应定律和安培力定律。当电流通过电磁线圈时，根据安培定律，电流会在其周围产生磁场，磁场强度与电流大小成正比。此时，若在磁场中放置一个永磁体，永磁体与电磁线圈产生的磁场相互作用，会产生电磁力，其大小和方向可通过改变电流的大小和方向进行精确控制。这一电磁力成为驱动隔爆滑块运动的关键动力源。在具体工作过程中，电磁线圈产生的电磁力会推动隔爆滑块在预设的导轨上位移。在安保状态下，隔爆滑块位于初始位置，其传爆孔与爆炸序列的其他部分错开，有效阻止爆炸能量的传递，确保引信处于安全状态。当接收到解除保险的指令时，电磁线圈通电，产生的电磁力克服隔爆滑块与导轨之间的摩擦力以及其他阻力，使隔爆滑块沿着导轨向待发位置运动。随着隔爆滑块的运动，其传爆孔逐渐与爆炸序列的其他部分对正，当传爆孔完全对正到位时，引信完成解除保险的过程，进入待发状态，为爆炸序列的可靠连接和起爆做好准备。为了实现对隔爆滑块运动的精确控制，通常会采用闭环控制策略。通过在装置中集成位置传感器，实时监测隔爆滑块的位置信息，并将该信息反馈给控制系统。控制系统根据预设的运动轨迹和当前的位置信息，精确调整电磁线圈中的电流大小和方向，从而实现对电磁力的精确控制，确保隔爆滑块能够按照预定的路径和速度运动，准确到达待发位置。这种闭环控制策略能够有效提高电磁驱动引信MEMS安解装置的可靠性和精度，使其在复杂的战场环境下也能稳定可靠地工作。5.2.2结构设计与优化电磁驱动引信MEMS安解装置的整体结构设计精巧且复杂，各关键部件紧密配合，共同实现引信的安全与解除保险功能。该装置主要由电磁微驱动器、隔爆机构、后坐保险机构、指令锁保险机构等核心部件组成，各部件在装置中发挥着独特且不可或缺的作用。电磁微驱动器作为装置的动力源，其设计直接影响着装置的性能。为了实现对隔爆滑块的高效驱动，采用了新型的接力式电磁驱动方式。微电磁驱动器通电时，其工作面会产生与运动永磁体极性相同的磁场，根据同性相斥的原理，两者之间产生斥力，进而推动与永磁体相固定的隔爆滑块运动。在第一道保险和第二道保险解保时，电磁微驱动器产生的斥力成为推动隔爆滑块向待发位置运动的主要动力。当后坐保险机构和指令锁保险机构依次解除对隔爆滑块的约束后，电磁微驱动器通电，产生的斥力推动隔爆滑块沿着导轨快速向待发位置运动。在隔爆滑块的待发位置设置了固定永磁体，其产生与运动永磁体极性相反的磁场。当隔爆滑块在电磁微驱动器的推动下靠近待发位置时，固定永磁体与运动永磁体之间产生的吸引力成为接力驱动力，进一步推动隔爆滑块准确对正，完成解除保险的过程。这种接力式电磁驱动方式不仅驱动力大，能够有效克服隔爆滑块运动过程中的各种阻力，确保其快速、稳定地运动；而且动作迅速，能够在短时间内完成隔爆滑块的驱动和对正，提高了引信解除保险的效率；同时，其方式创新且动作可靠，通过电磁力的精确控制，有效避免了传统驱动方式中可能出现的卡滞、误动作等问题，为引信的安全与可靠性提供了有力保障。隔爆机构是装置的关键部分，主要由隔爆滑块和导槽组成。隔爆滑块设置在基板的导槽内，能够沿导槽顺畅滑动，且中间设有传爆孔。在安保状态下，隔爆滑块的传爆孔与爆炸序列的其他部分错开，有效阻挡爆炸能量的传递，确保引信的安全性。在解除保险过程中，隔爆滑块在电磁力的驱动下，沿着导槽向待发位置运动，当运动到待发位置时，传爆孔与爆炸序列的其他部分对正，实现爆炸