基于微光機電技術的引信電子安全系統控制方法

單體強，齊杏林，高　敏

(解放軍軍械工程學院，河北 石家莊　050003)

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基于微光機電技術的引信電子安全系統控制方法

單體強，齊杏林，高敏

(解放軍軍械工程學院，河北 石家莊050003)

針對全電子安全系統電磁兼容性差的問題，根據系統安全性工程法遵循的第一原理，建立電子安全系統過程能量不相容原則，依據該原則提出了基于微光機電技術(MOEMS)的引信電子安全系統安全控制方法。該方法通過在電子安全系統中融入光纖和光學能量轉換技術，采用具有特殊時域波形的高功率激光脈沖序列作為過程能量傳輸，并以多模光纖為能量傳輸介質，通過微機械保險實現系統光纖光路通斷控制邏輯，最終基于砷化鎵激光光伏電池完成高頻高功率激光光電轉換。理論分析與實驗表明：基于MOEMS的電子安全系統安全控制方法能夠有效降低引信系統內外電磁危害隱患，實現了微小體積條件下電子安全系統更好的電磁兼容性與更高的集成度。

引信；電子安全系統；安全控制；微光機電技術

0　引言

引信電子安全系統采用無隔爆爆炸序列，從根本上改變了引信安全系統的“隔離設計思想”[1]。但由于其內部沖擊片雷管與戰斗部主裝藥或傳爆藥之間無任何隔離，處于絕對對正狀態，一旦安全控制系統發出錯誤起爆指令，必然導致戰斗部直接誤起爆。因此，引信電子安全系統的安全性設計比傳統引信安全系統更為嚴格，必須使其具備內在的安全性，即本質安全。

文獻[2]對經典模式電子安全系統——全電子安全系統的安全性進行了理論分析，得出其理論安全性高于其他類型安全系統。但在實際應用中，文獻[3—6]通過試驗研究得出全電子安全系統存在諸多電磁危害隱患：1)高壓轉換電路，特別是高頻變壓器升壓，極易產生強脈沖電磁干擾；2)發火電容充電后在其周圍空間形成強靜電場，引起靜電干擾；3)外界靜電、閃電、射頻及高空電磁脈沖等易通過電子電路引入系統內部，產生大量諧波干擾；4)在多點分時起爆應用中，任一起爆點起爆時產生的強電磁干擾易導致系統中部分電子電路工作異常甚至損壞，造成其他起爆點失效或過早作用。由此得出，電子器件及電子電路在全電子安全系統中的大量應用，致使全電子安全系統不僅在彈藥武器系統內與其他環節相互間產生嚴重的電磁干擾現象，而且容易受到外界干擾而使引信系統失效或早炸，大大降低了直列式爆炸序列彈藥武器系統的安全性與可靠性。本文針對此問題，提出了基于微光機電技術的引信電子安全系統安全控制方法。

1　安全控制原理

引信狀態控制功能的實質是通過引信安全系統實現“過程能量”的安全控制，目的是確保引信在進入預定解除保險程序之前，切斷能量傳輸通道，使其可靠地處于安全狀態；在進入預定解除保險程序并滿足解除保險條件時，閉合能量傳輸通道，使引信可靠地完成解除保險動作而處于待發狀態[7]。所謂“過程能量”，是相對“起爆能量”而言的，是指在引信安全系統內部傳輸，最終將轉化為起爆能量的傳輸過程中的能量。

與此對應，干擾能量要實現對引信安全系統狀態控制功能的干擾，必須具備三個基本條件：干擾源、傳輸介質和敏感接收單元。除去其中任一條件，干擾將被消除。在安全系統中，相對于除去干擾源與敏感接收單元，除去干擾能量傳輸介質是更為可行的方案。據此，本文提出“過程能量不相容原則”，該原則是指通過改變電子安全系統中正常能量的傳輸介質，切斷干擾能量傳輸的“場”或“路”等傳輸途徑，從而消除干擾能量對引信安全系統的影響。其中，“場”指靜電場、電磁場等，“路”指能量傳輸線路、電子電路等。“過程能量不相容原則”的建立遵循了系統安全性工程法第一原理[8]，即基于關鍵件所用材料的最基本的物理化學特性進行設計，使該元件在經受特定環境時的行為完全處于設計者預期的范圍之中，從而使系統響應遵循無可辯駁的自然規律。“過程能量不相容原則”的實現方法是通過在電子安全系統中融入光纖和光學能量轉換技術，采用MOEMS光學器件進行過程能量傳輸與轉換，過程能量——具有特殊時域波形的高功率激光脈沖序列與常見的環境能量形式差別較大，極難在自然界中出現，從而實現了電子安全系統內在的安全性，即本質安全。

美軍WSESRB委員會在其發布的《非隔斷式爆炸序列電子安全與解除保險裝置技術手冊》中規定了電子安全系統的保險結構形式及組合類型[9]，GJB6456-2008亦參考該手冊對引信電子安全系統的設計進行了規范，如表1所示。基于MOEMS的電子安全系統安全控制方法采用了保險組合類型B——機械保險與動態電保險相結合，以增強安全系統的故障保險功能，同時降低共因失效概率。

遵循“過程能量不相容原則”設計，基于MOEMS的電子安全系統安全控制原理如圖1所示。

圖1　MOEMS電子安全系統安全控制原理框圖Fig.1　Safety control principle of the MOEMS ESA

圖1中，動態電保險控制半導體激光管輸出預定特殊時域波形的高功率激光脈沖序列，微機械保險控制系統多模階躍光纖光路的通斷，系統通過動態電保險與微機械保險實現安全與解除保險邏輯控制， 過程能量經激光光伏電池完成光能脈沖序列到電能脈沖序列的轉換。電子安全系統內沖擊片雷管的起爆電壓上千伏，即遵循了“起爆能量不相容原則”，“過程能量不相容”與“起爆能量不相容”的結合致使MOEMS電子安全系統具有高度的安全性。

2　過程能量傳輸控制

2.1光纖光路通斷控制方法

根據系統安全控制原理可以得出，過程能量傳輸控制的實質是通過微機械保險實現對系統光纖光路的通斷控制。基于MOEMS技術，光纖光路的通斷控制存在兩種方案：光纖固定式和光纖移動式。

1)光纖固定式光路

在光纖固定式光路通斷控制方案中，具體包含兩種實現類型：阻斷式光路和反射式光路，如圖2所示。顯然，相對于反射式光路，阻斷式光路具有非常高的光能傳輸效率。但根據GJB373A-97可以得出，阻斷式光路設計不符合引信安全性設計準則。具體原因包括：1)引信安全設計準則規定：在某個或全部能量隔斷件漏裝或誤動作的情況下，引信不應解除保險(啟動)，但若阻斷式光路中微執行器漏裝，則對應保險功能解除，存在嚴重的安全控制隱患；2)不符合“故障保險”設計要求，若安全系統出現故障，高能激光經能量輸入光纖誤輸出，則微執行器上的微擋板極易被高能激光燒蝕，導致光路導通，對應保險功能解除。因此，在光纖固定式光路通斷控制方案中，反射式光路是可行方案。

圖2　光纖固定式光路Fig.2　Optical path of the fixed fiber

2)光纖移動式光路

在光纖移動式光路通斷控制方案中，可以通過能量輸入光纖與能量輸出光纖橫向偏移、軸向偏移、角度偏移及其中兩種或三種偏移方式的組合實現光纖光路的通斷控制，如圖3所示。

圖3　光纖移動式光路Fig.3　Optical path of thelocomotive fiber

當兩光纖之間的橫向偏移為x時，即光軸間距為x，光路光能耦合效率為：

(1)

式(1)中，k為折射率匹配系數，k=0.679；r為光纖纖芯半徑，r=52.5μm。

當兩光纖之間的軸向偏移為z時，即光纖端面間隙為z，光路光能耦合效率為：

(2)

式(2)中，γ為芯包折射率差，γ=0.016。

當兩光纖之間存在軸間夾角為θ時，光路光能耦合效率為：

(3)

假設多模階躍光纖橫截面光功率均勻分布，光強角分布與偏振也均勻。根據幾何光學理論，由式(1)-式(3)得出光纖橫向偏移、軸向偏移、角度偏移與光路光能耦合效率之間的關系如圖4所示。根據計算結果，光路光能率耦合效率對光纖橫向偏移最為敏感，其次是角度偏移，而軸向偏移對光能耦合效率影響最小。因此，在光纖移動式光路通斷控制方案中，通過控制光纖橫向偏移與角度偏移能夠實現更高的隔離度和光能耦合效率。

2.2微機械保險實現方法

在MOEMS電子安全系統中，過程能量的傳輸狀態由微機械保險控制，而微機械保險的實現方法則是由其內部微執行器控制光纖光路通斷的結構形式決定的。系統設計采用纖芯直徑為105 μm的多模階躍光纖，光纖芯徑越大，光斑均勻性越高，但對微執行器位移及驅動力的要求也越高。目前能夠實現致動位移大于100 μm的微執行器有三類：電磁式、靜電式和電熱式。電磁式執行器不符合引信電子安全系統應用背景，故不予采用。

圖4　光纖偏移與光路光能耦合效率的關系

在光纖移動式光路中，由于需要直接驅動光纖，因此要求微執行器必須具備大位移與大驅動力輸出能力。顯然，電熱微執行器是最優選擇。但在光纖固定式光路中，由于微反射鏡的質量決定光路光能耦合效率，且微反射鏡與微執行器一般直接接觸或為一體化設計，為了避免出現“雙晶體效應”，應采用靜電微執行器驅動微反射鏡實現光纖光路通斷控制。但靜電微執行器在電子安全系統中的靜電防護比較困難[6]，且其驅動電壓上百伏，在引信中應用具有一定的局限性。因此，通過電熱微執行器執行光纖光路通斷控制可行性更高。基于電熱微執行器的微機械保險芯片結構如圖5所示。

圖5　微機械保險芯片結構Fig.5　Structure of micromechanical safety feature

微機械保險中，主、輔執行器均為V型電熱微執行器，主執行器用于驅動能量輸入光纖可動端運動，最終實現能量輸入、輸出光纖對準；輔執行器用于對能量輸入光纖可動端的位移量進行限制，防止因振動、沖擊等外界環境因素而意外解除保險，微機械保險芯片體積小于10 mm×6 mm×1 mm。

不同于其他微結構，由于能量輸入光纖懸臂端長度較長，剛度較低，即固有頻率較低，因此懸臂光纖對于多數條件下機械沖擊的響應是動態的，而非準靜態。真空條件下，當微機械保險分別經受周期為0.1 ms與1.0 ms的半正弦波沖擊時，懸臂光纖位移響應如圖6所示。光纖裸纖直徑125 μm，懸臂端長4 mm。從圖中可以得出，當沖擊載荷達到3 500～5 000g時，光能意外耦合效率約為50%[10]。為解決該問題，必須采用限位機構與主執行器配合限制光纖可動端移動。若采用微彈簧結構與主執行器配合，則要求彈簧彈性系數較大，對主執行器的性能要求更為嚴苛。因此，本文微機械保險采用了雙執行器結構控制能量輸入光纖可動端位移。

圖6　沖擊條件下懸臂光纖響應Fig.6　Response of thecantilever fiber under shock

3　過程能量轉換控制

過程能量轉換控制的實質是高頻高功率激光脈沖序列的光電轉換控制。過程能量轉換控制必須解決三個方面的問題：轉換頻率、轉換效率和輸出功率。受電子安全系統中變壓器最低工作頻率的限制，光電轉換頻率必須大于20 kHz。一般情況下，能量型光電轉換器件轉換頻率低(小于1 kHz)，轉換效率較低(小于20%)，輸出功率小(毫瓦量級)，這將造成系統功耗過大，解除保險時間過長等問題，很難達到引信工作需求。

根據以上三個方面的要求，通過研究相關半導體光電材料特性，確定了基于砷化鎵光伏電池的高頻高功率激光光電轉換控制方法。砷化鎵為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，其動態響應頻率最高達50 MHz[11]，滿足系統光電轉換頻率要求。

光伏電池具有N/P和P/N兩種形式。對多波長光源而言，由于直隙半導體電池從表面開始，光吸收系數均大于0.9，且電子擴散系數遠大于空穴擴散系數，為了提高少數載流子的收集幾率，一般采用P型基區，即光伏電池一般采用N/P型結構。但對于單波長激光入射的砷化鎵光伏電池，應采用P/N結構，原因是其接收光子能量單一，不存在短波光子被浪費的現象，且由于單波長激光的能量密度非常大，P/N結有利于減小電子收集時的橫向電阻。依據上述理論分析，本文設計砷化鎵激光光伏電池結構如圖7(a)所示，其等效電路如圖7(b)所示。光伏電池I-V特性計算如下：

(4)

式中，Isc為光生電流，Is1是由準中性區中的復合產生的暗電流，Is2是由空間電荷區中的復合產生的飽和暗電流，n為理想因子，k為波爾茲曼常量，q為基本電荷電量，T為溫度。

圖7　激光光伏電池結構及其等效電路模型Fig.7　Structure of laserphotovoltaic cell and its equivalent circuit model

激光光伏電池的基極與發射極結構對其性能起決定性作用。通過仿真與實驗得出[12]，對于波長為808 nm的單色激光，當電池基極摻雜濃度為1×1017cm3，發射極摻雜濃度為2×1018cm3時，激光光伏電池性能最優。除基極與發射極外，激光光伏電池結構還包括窗口層、背場層、緩沖層和襯底等結構層。基于背場層在電池中的作用以及晶體生長方面的考慮，激光光伏電池采用了N型AlGaAs作為背場層，AlGaAs材料能夠實現與GaAs材料的良好晶格匹配。激光光伏電池及其I-V/P-V特性試驗結果如圖8所示。從圖中可以看出，砷化鎵激光光伏電池的最高光電轉換效率能夠達到50%，最高輸出功率大于2.5 W，與國外水平相當。

圖8　激光光伏電池I-V/P-V特性Fig.8　The I-V/P-V characters of laserphotovoltaic cell

在一定光功率密度條件下，激光光伏電池具有固定的輸出電壓(約1 V)，而發火電容所需充電電壓上千伏，直接采用變壓器將1 V電壓升至上千伏十分困難。因此，采用串聯結構形式的光伏電池陣列完成高頻高功率激光的光電轉換。六片光伏電池串聯封裝結構如圖9所示。其中，單片光伏電池面積為5 mm×5 mm。經實驗研究得出[13]，串聯封裝后，由于入射光斑光功率密度不均勻，電池陣列光敏面的光電轉換效率下降約10%，但最高光電轉換效率仍可達到40%。

圖9　激光光伏電池串聯結構Fig.9　Series connected laser photovoltaic cells

4　結論

本文提出了基于微光機電技術的引信電子安全系統安全控制方法。該方法通過在電子安全系統中融入光纖和光學能量轉換技術，以微機械保險實現系統光纖光路通斷控制邏輯，采用微型光學器件進行過程能量傳輸與轉換；過程能量是具有特殊時域波形的高頻高功率激光脈沖序列，與安全系統內部器件產生的強脈沖電磁干擾、靜電干擾以及系統外部靜電、閃電、射頻及高空電磁脈沖能量在能量形式上不具備相容性。理論分析與實驗表明：該方法能夠有效降低引信系統內外電磁危害隱患，使電子安全系統具備了本質安全性，實現了微小體積條件下電子安全系統更好的電磁兼容性與更高的集成度。

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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

裝備預研基金項目資助(9140A05050115JB34065)

單體強(1987—)，男，山東高密人，博士研究生，研究方向：信息感知與控制技術。E-mail: stq0701@163.com。

TJ430.2

A

1008-1194(2016)04-0027-06