0 引言
随着无人装备的快速发展与应用,利用隐蔽性更高、机动性更强的微无人机对目标进行闪电式的精准打击已成为现代战争的基本特点与发展趋势[1-2]。然而,受到微无人机尺寸限制,现有的毁伤弹药无法与其有效集成。以俄乌冲突为例,冲突双方均采用将现有弹药引信拆除并直接挂载在无人机上的方式,对目标进行碰炸毁伤。由于去除了引信安保机构,上述弹药中的起爆器、传爆药与主装药直接对正,在装备运输、电磁干扰、静电放电等场景下,很容易出现早炸、误炸等安全事故,因此亟需开展适配于微型无人机的微型弹药技术研究。
分析近几届引信年会资料[3-6]可以发现,通过MEMS技术,美国在微型引信、微型火工品以及小型弹药方面发展迅速。以美国海军水面作战中心为例[6],该机构通过MEMS技术,将鱼雷引信的体积缩小了87%,并且在其内部增加了1个加速度传感器和2个压力传感器。通过感知鱼雷水深、航速、碰撞冲击等信息,保证了鱼雷从发射到着靶全弹道过程的可靠动作。美军在上述技术积累的基础上,又先后研发出“红眼睛”、“毒刺”、“长钉”等单兵便携式防空导弹以及陆军20、25 mm口径单兵空爆弹等。我国在微型弹药方面的研究工作开展较晚,多数集中于个别部件的研制,虽然近几年国内在MEMS起爆器[7-8]、MEMS安保装置[9-10]以及微装药[11]等方面均有所突破,但将上述单元有机集成在一起并形成具备打击能力的微型弹药尚未出现。
1 微型聚能毁伤弹药设计
1.1 总体结构设计
微型聚能毁伤弹药主要由微型聚能战斗部模块以及微安保与起爆模块组成。其中,微安保与起爆模块又由传爆药柱、MEMS安保与起爆机构、连接底座以及封装外壳组成,如图1所示。微型聚能战斗部模块以及微安保与起爆模块通过M14标准螺纹实现配合连接。采用该种方式有利于不同模块之间的快速集成与更换,通过搭配不同毁伤效能的战斗部,来满足复杂多变的作战需求。
图1 微型聚能毁伤弹药总体结构
Fig.1 The scheme of the micro shaped ammunition
MEMS安保与起爆机构是控制微型弹药解保与起爆的核心部件。该机构呈现出类似三明治的叠层结构,自底向上依次由MEMS起爆器、MEMS隔断机构、B/KNO3药片以及相关PCB转接板组成,如图2所示。
图2 MEMS安保与起爆机构结构
Fig.2 The structure of the MEMS safe/arm/exploed device
MEMS安保与起爆机构的工作原理为:安全状态下,隔板将下方的传爆孔覆盖,爆轰能量无法传递到上方的B/KNO3药片;解保状态下,MEMS隔断机构单元控制隔板打开点传爆孔,MEMS起爆器产生的爆轰能量将激发B/KNO3药片,完成能量的传递。MEMS安保与起爆机构工作原理如图3所示。
图3 MEMS安保与起爆机构工作原理
Fig.3 The working principle of MEMS safe/arm/exploed device
1.2 MEMS起爆器设计
MEMS起爆器的结构设计由含能薄膜、Au电极、NiCr换能元以及陶瓷基底组成,如图4所示。其中,陶瓷基底具备低导热、电绝缘等性能,是换能元的优良载体。NiCr换能元是电学能量转换与爆轰能量引发的关键元件,其通常具备H型桥区结构。当电流流过换能元时,由于桥区宽度急剧缩小,H型桥中心温度会迅速超过NiCr熔点,此时桥区材料转变为高温等离子体,并对外输出相应的火焰和爆轰。
图4 MEMS起爆器基本结构组成
Fig.4 The MEMS detonator structure
NiCr换能元采用电容放电的激发形式。由于该过程为瞬态过程,假设只有桥区以下部分基底受到热扰动,主要选取该部分基底和桥区为研究对象。假设热量只沿垂直于基底的方向传递,导热模型为半无限大平板;只考虑热传导这一种导热方式,忽略辐射散热;桥区与基底接触良好,忽略二者之间的接触热阻,即桥区与基底接触处等温。
以桥区中心为坐标原点,垂直于基底方向为x轴,建立直角坐标系,换能元的非稳态导热微分方程为
(1)
式(1)中: ρb、cb、λb、Tb分别为NiCr桥膜的密度(kg/m3)、热容(J/kg·K)、热导率(W/m·K)以及桥膜温度(K)。
给出式(1)的定解条件:
(2)
式(2)中: S为桥区的面积(m2);C为充电电容(F);U为充电电压(V)。通过积分可得到换能层的温度响应表达式为
(3)
在实际设计中,NiCr换能元宽度为800 μm,长度为300 μm,厚度为1 μm,相应电阻值为1 Ω。在电容激励条件下,微结构换能元在5 μs以内即可升至1 700 K,超过NiCr熔点1 573 K,如图5所示。
图5 NiCr换能元桥区温度响应曲线
Fig.5 The temperature on NiCr bridge
NiCr换能元对外输出的能量十分微弱,通常需要制备一层含能薄膜来提升换能元的输出能力。常采用Al/CuO多层纳米薄膜复合材料,该材料可在换能元激发下发生铝热剂反应,产生大量火焰。为提高MEMS起爆器的制备效率,这里采用机械混合法将微米级Al和CuO粉末制备成含能油墨,再滴定到药腔中,待溶剂挥发完毕,便形成所需的含能薄膜。
1.3 MEMS安保机构设计
MEMS隔断机构需要在电信号的控制下实现对传爆通道的快速开启,并且需要具备一定的结构强度来实现对爆轰能量的可靠隔断。考虑到上述基本特性,这里提出一种双层四隔板隔断机构。该隔断机构由双层SOI硅片组成(器件层厚度50 μm、埋氧层厚度3 μm、衬底层厚度400 μm),芯片总体尺寸为8.5 mm×8.5 mm×0.9 mm,其结构如图6所示。该隔断机构采用将2片SOI器件层相对布置,形成器件层朝内、衬底层朝外的结构形式。在衬底层中设计了直径为0.7 mm的传爆孔,用于实现MEMS起爆器爆轰能量的轴向传递。
图6 MEMS隔断机构总体结构
Fig.6 The scheme of MEMS blocker
每层隔断机构包含两对结构相互对称的隔板驱动器,隔板驱动器主要由V型电热执行器、柔性杠杆、隔板组成,如图7所示。
图7 隔断机构结构
Fig.7 The structure of MEMS blocker
隔断机构中的隔板驱动器采用电热原理。当电流通过V型电热执行器时,在焦耳效应与热膨胀效应的共同作用下,V型梁的中点会产生相应的位移变形。由于器件在长度方向的尺寸远大于截面方向的尺寸,故可以用一维、稳态、有内热源的导热微分方程来描述相应模型。
(4)
式(4)中: λ为硅的导热系数; J为电流密度; ρ为电阻率;S为结构的形状因子;RT为V型梁底面与衬底之间的热阻;Tr为参考温度。结合温度边界条件:T(0)=T(L)=Tr,即可求出稳态温度分布T(x)。图8为V型电热执行器温度与位移输出结果,可以发现V型电热执行器的最大温度与最大位移输出均出现在V型梁的中点处,最大温度与最大位移分别为945.9 K与19.5 μm。
图8 V型电热执行器稳态温度与位移
Fig.8 The temperature and displacement of the V actuator
由于硅材料的热膨胀系数较小,V型电热执行器的输出位移十分有限,因此,这里设计了柔性杠杆来实现对微小位移的放大,如图9所示。
图9 柔性杠杆放大机构
Fig.9 The flexible lever
对柔性杠杆机构进行受力分析,可以得到相应的结构变形矩阵为
(5)
式(5)中:E为材料的杨氏模量;A为柔性梁的横截面积;I为柔性梁的惯性矩。经过求解,可以得到柔性杠杆输入端的位移yi以及输出端的位移yo为
(6)
通过式(6)可以得出柔性杠杆机构的放大倍数为yo/yi,其大小会随着输入力Fy的增加而增加,考虑在微尺度下,机构的结构尺寸以及受力都很小,因此,式中(6)中的Δy项可以忽略不计,相应的放大倍数的表达式可以简化成为:yo/yi=(l1+l2)/l1,可以发现,微尺度下柔性杠杆机构于宏观杠杆机构类似,其放大倍数与杠杆臂长之比有关。
经计算设计,可以发现柔性杠杆可以大幅提升V型电热执行器的输出位移。放大后隔板输出的最大理论位移为449.1 μm,该位置出现在隔板的顶端。将变形前后的机构按1∶1的比例同时显示出来,可以发现,变形后隔板的最低处,即隔板底边恰好与未变形隔板的最高处相切,可认为隔板的真实位移为隔板的半径,即370 μm,如图10所示。
图10 隔板驱动器稳态输出位移
Fig.10 The output displacement of the actuator
由于整体结构呈对称布局,因此最终的输出位移约为2倍的隔板运动位移,即740 μm,大于传爆孔的直径(700 μm),说明在11 V驱动电压下,隔断机构可以实现传爆孔的完全开启,满足传爆的功能要求。机构的最高温度仍出现在V型梁的中点处,数值为945.3 K。最大应力出现在柔性杠杆的根部,数值为784.5 MPa,小于硅材料的断裂应力7 GPa。
1.4 微型聚能战斗部设计
微型聚能战斗部主要由传爆药柱、主装药、紫铜药型罩以及不锈钢外壳组成,如图11所示。
图11 微型聚能战斗部剖视结构示意图
Fig.11 The structure of micro shaped warhead
该种结构将主装药的药柱压铸成内锥形,并在锥形孔内壁安放与其形状匹配的金属药型罩。当主装药起爆后,所产生的爆轰产物将挤压药型罩向其锥形的轴线方向运动,药型罩材料将发生碰撞,并形成沿锥型轴线方向运动的高速金属射流,其头部速度可达7 000～9 000 m/s,温度可达800～1 000 ℃,撞击靶板时瞬间压强可达数十万兆帕,具有很强的穿透能力[12]。采用金属射流的聚能毁伤方式,可以在低药量的条件下,实现对目标的有效毁伤,符合微无人机在有限载荷条件下的作战应用。
在工程设计中,根据试验并结合高速摄影进行分析[12],得到射流破甲深度经验公式为
(7)
式(7)中:P为破甲深度; β1为经验系数,与药型罩和靶板材料有关,对于紫铜药型罩,如果靶板为装甲钢,β1=1.7,如果靶板是45号钢,β1=1.76;dk是药型罩口部内直径;α是药型罩的半锥角,大多数情况下,α设计为20 °～40 °时,药型罩所产生的射流兼具良好的稳定性与较高的速度,这里设计为35°;Hy是有利静炸高,即药型罩底面距离靶板的距离。Hy可表示为
Hy=k1k2k3dk
(8)
式(8)中:k1是与药型罩锥角2α有关的系数,当锥角2α分别为40°、50°、60°、70°时,k1分别取1.9、2.05、2.15、2.2;k2是与射流速度有关的系数,对于紫铜药型罩,如果靶板为装甲钢,k2=1.0,如果靶板是45号钢,k2=1.1;k3是与主装药爆速D有关的系数,k3=(D/8 300)2。
考虑到微型聚能毁伤弹药的尺寸限制,这里将紫铜药型罩的直径设计为15 mm,锥角为70°,主装药选用以黑索金为主体的JH-14混合炸药,该主装药是GJB373B所指定的许用装药,平均密度为1.7～1.8 g/cm3,爆速为8 100～8 200 m/s,装药量为1.4 g;目标靶板材料选择617号装甲钢。根据射流破甲深度经验公式计算可得:在32.2 mm的有利炸高下,微型聚能毁伤弹药对617号装甲钢穿深达72.95 mm。
为了验证聚能战斗部的毁伤能力,这里采用Autodyn有限元仿真软件对战斗部金属射流形成与破甲过程进行仿真分析。建立射流破甲仿真模型如图12所示,包括617靶、空气域、药形罩以及主装药4个区域。
图12 微型聚能毁伤战斗部射流破甲仿真模型
Fig.12 The simulation model of the micro shaped warhead
617靶厚度为20 mm,靶板为固体采用拉格朗日网格,每个网格单元的顶点随填充材料一起移动;空气域、药形罩以及主装药为流体均采用欧拉网格,网格不变形和移动,物质通过网格边界流入流出。边界条件包括,空气域四周的流出边界,靶板两端的固定约束,起爆方式为点起爆,起爆位置设置在主装药中心,炸高设置为32 mm。
射流破甲仿真模型的计算结果如图13所示,在8 μs内,药型罩的尖部先形成射流,其速度约8 500 m/s,始终保持在射流的前端,接着各个微元形成的射流速度逐渐降低,紧跟在头部射流后面并不断拉伸。在8 μs开始后,射流开始撞击靶板,直到19 μs完全穿透靶板,射流穿透靶板后仍具有约6 000 m/s的速度,穿孔直径约为15 mm。
图13 聚能战斗部射流穿甲仿真结果图
Fig.13 The simulation results of the micro shaped warhead
2 微型聚能毁伤弹药性能测试
2.1 微型聚能毁伤弹药集成装配
将MEMS起爆器、MEMS隔断机构沿传爆孔轴线方向对齐,并通过锡焊方式完成两部件之间的固定,之后将装有B/KNO3药片的药腔放置于MEMS隔断机构的固定腔室内,装配完成后MEMS安保与起爆机构如图14所示,封装后的尺寸为Φ10 mm×3.4 mm。
图14 MEMS安保与起爆机构装配关系
Fig.14 The assembling of MEMS safe/arm/explode device
将MEMS安保与起爆机构与连接底座、封装外壳、传爆药柱等集成,形成微安保与起爆模块,如图15所示。
图15 微安保与起爆模块装配关系
Fig.15 The assembling of micro safe/arm/explode module
通过M12转接螺纹将装配完的微安保与起爆模块与微型聚能毁伤战斗部集成,形成最终的微型聚能毁伤弹药,弹药的整体尺寸为Φ22 mm×40 mm,如图16所示。
图16 微型聚能毁伤弹药装配关系
Fig.16 The ultimate micro shaped ammunition
2.2 微安保与起爆模块起爆隔爆测试
在起爆测试前,微安保与起爆模块需要在相应电压驱动下,完成隔板的完全开启,因此,需要先对MEMS隔断机构输出位移进行测试。为了得到精确的运动过程,采用高速摄像机对机构在不同驱动电压下的响应过程进行记录分析,其中,高速摄像机与驱动电源设置为同步触发模式。测试过程中,将驱动电压从2～11 V变化进行测试,结果如图17所示。由图17可以看出,MEMS隔断机构达到稳态时的时间约为25 ms,且不随驱动电压的增加而变化;MEMS隔断机构的稳态输出位移随着驱动电压的升高而升高,当驱动电压达到11 V时,隔板的总位移达743.8 μm,传爆孔可以完全开启(孔径为Φ700 μm)。
图17 微安保与起爆模块驱动位移测试结果
Fig.17 The output displacement test results of the micro safe/arm/explode module
在MEMS隔断机构的隔板保持开启的条件下,采用18 V 47 μF的电容对MEMS起爆器放电,测试系统的起爆情况,如图18所示。
图18 微安保与起爆模块起爆测试
Fig.18 The detonation test results of the micro safe/arm/explode module
由测试结果可以看出,当MEMS隔断机构隔板开启时,MEMS起爆器所产生的爆轰能量可以传递到后端并顺利点燃B/KNO3药片,火焰持续时间约为50 ms,火焰高度超过5 cm,说明微安保与起爆模块具备可靠起爆功能。
将驱动电压调整为0 V,MEMS隔断机构会在结构自身弹性力的作用下恢复至初始状态,即隔板关闭。在该状态下,同样采用18 V 47 μF的电容对MEMS起爆器放电,测试系统的隔爆情况,如图19所示。由测试结果可以看出,当MEMS隔断机构隔板关闭时,MEMS起爆器所产生的爆轰能量将被隔板阻挡,隔板四周产生明显灼烧痕迹,两层隔板下位置会在爆轰能量的冲击下出现轻微变化,但仍然可以保持关闭状态。由于隔板的存在,MEMS起爆器所产生的爆轰能量无法传递并点燃后端B/KNO3药片,说明微安保与起爆模块具备可靠隔爆功能。
图19 微安保与起爆模块隔爆测试
Fig.19 The blocking test results of the micro safe/arm/explode module
2.3 微型聚能毁伤弹药毁伤威力测试
将微安保与起爆模块、微型聚能毁伤战斗部集成,对所形成的微型聚能毁伤弹药毁伤威力进行测试。起爆条件保持为18 V 47 μF,毁伤目标为20 mm厚716装甲钢。首先,采用直流电源为微型聚能毁伤弹药提供11 V解保信号,100 ms后(即MEMS隔断机构的隔板完全打开并处于稳定状态),18 V 47 μF的电容开始对MEMS起爆器放电。微型聚能毁伤弹药对716装甲钢毁伤结果如图20所示。测试结果表明,微型聚能毁伤弹药可以穿透20 mm厚716装甲钢,金属射流穿透孔径约14 mm,与药型罩直径相当,穿孔侧壁陡直光滑。
图20 微型聚能毁伤弹药毁伤威力测试
Fig.20 The damage power test results of the micro shaped ammunition
3 结论
针对微型弹药领域的技术亟需,本文提出了一种内置MEMS安保机构的微型聚能毁伤弹药,完成了MEMS起爆器、MEMS隔断机构、微型聚能毁伤战斗部等关键部件的理论分析、数值仿真、样机制备、功能测试等工作,得出结论如下:
1) 当驱动电压为0 V时,微型聚能毁伤弹药中的隔板将传爆孔阻挡,弹药处于安全状态;当驱动电压为11 V时,微型聚能毁伤弹药中的隔板会在电热力的作用下将传爆孔开启,弹药处于解保待发状态。
2) 当微型聚能毁伤弹药处于安全状态下时,即使在18 V 47 μF的起爆信号下,微型聚能毁伤战斗部也不会作用;当微型聚能毁伤弹药处于解保待发状态下时,在18 V 47 μF的起爆信号下,微型聚能毁伤战斗部将被可靠引爆。
3) 微型聚能毁伤弹药整体尺寸为Φ22 mm×40 mm,装药量为1.4 g,毁伤能力可以穿透20 mm装甲钢。可应用于微型无人机、小口径弹药、无(低)后坐力弹药等领域。
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