微起爆序列設(shè)計及傳爆與隔爆性能

解瑞珍，褚恩義，戴旭涵，蘇謙，薛艷，任小明，劉蘭，劉衛(wèi)

(1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)重點實驗室，陜西 西安 710061；2.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國家級重點實驗室，上海 200240)

0 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備對彈藥性能以及毀傷效能的提高，要求在現(xiàn)有彈藥的固有體積中增大主裝藥量并壓縮引信的空間[1]。另外，城市反恐、單兵作戰(zhàn)用微型彈藥的發(fā)展也對微小型引信技術(shù)提出了迫切需求。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)提供了降低質(zhì)量與體積的優(yōu)勢[2-3]，適用于引信火工品的微小型化、輕量化設(shè)計。

2015—2019年美國引信年會連續(xù)報道了MEMS安全保險裝置技術(shù)的研究工作，公開了海軍、陸軍設(shè)計的兩種微小型爆炸序列結(jié)構(gòu)、工藝、功能和性能[2-4]，爆炸序列裝藥優(yōu)化、可靠性評估，以及MEMS安全保險裝置溫濕度、振動、跌落等環(huán)境適應(yīng)性研究[5-7]。從上述成果中可以看出，一方面MEMS技術(shù)的引入有效減少了安全保險裝置的體積，另一方面火工品安全保險機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計已成為引信火工技術(shù)的發(fā)展趨勢之一。國內(nèi)針對火工品、安全保險機(jī)構(gòu)微小型化設(shè)計，先后開展了微橋膜換能元[8-9]、平面微起爆器[10-12]、微納結(jié)構(gòu)含能材料[13-15]、MEMS安全保險機(jī)構(gòu)[16]等技術(shù)的研究[8-15]，而將平面微起爆器、MEMS安全保險機(jī)構(gòu)等集成為微起爆序列的設(shè)計及傳爆、隔爆性能的研究工作還鮮有報道。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中可以看出，基于MEMS工藝技術(shù)的安全保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)層即用于隔爆的滑塊厚度越小，工藝上越容易實現(xiàn)，越有利于微小型化設(shè)計。隨著滑塊厚度的減小，引信爆炸序列采用傳統(tǒng)雷管無法做到安全隔爆。采用基于MEMS工藝制作的平面微起爆器，由于引信爆炸序列設(shè)計一般在微起爆器與導(dǎo)爆藥柱之間是安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔，微起爆器因裝藥量較小，其爆轟能量經(jīng)傳爆空腔衰減后無法正常起爆傳爆藥柱。

本文設(shè)計了基于沖擊起爆的微起爆序列，即利用安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔作為加速膛，采用微起爆器驅(qū)動飛片，經(jīng)傳爆空腔加速后形成高速飛片，高速飛片沖擊起爆傳爆藥的爆轟能量放大方式。通過對微起爆器裝藥、安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔尺寸等參數(shù)的優(yōu)化，微起爆序列實現(xiàn)了安全隔爆、保險與解除保險、傳爆等功能，有效減少了起爆序列的初級裝藥量和軸向尺寸。

1 微起爆序列的設(shè)計

本文設(shè)計的微起爆序列主要由控制電路、微起爆器、MEMS安全保險機(jī)構(gòu)、傳爆藥等組成，示意圖如圖1所示。

圖1 微起爆序列示意圖

微起爆序列作用過程為：安全狀態(tài)下，微起爆器與傳爆藥之間是安全保險機(jī)構(gòu)隔爆滑塊，即安全保險機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔與起爆器、傳爆藥錯位，實現(xiàn)了起爆器與傳爆藥之間的物理隔離。解除保險狀態(tài)下，安全保險機(jī)構(gòu)隔爆滑塊完成設(shè)計位移，微起爆器、安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔、傳爆藥對準(zhǔn)，形成爆轟通道。作用時，微起爆器爆轟剪切并驅(qū)動飛片經(jīng)安全保險機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔加速形成高速飛片，高速飛片沖擊起爆傳爆藥，傳爆藥爆轟完成序列功能。

微起爆序列傳爆結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 微起爆序列傳爆結(jié)構(gòu)示意圖

MEMS安全保險機(jī)構(gòu)主要由上蓋板、結(jié)構(gòu)層、下蓋板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)層主要由后坐保險機(jī)構(gòu)、離心保險機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。采用紫外光刻、微電鑄、微復(fù)制(UV-LIGA)工藝制作。MEMS安全保險機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，功能結(jié)構(gòu)層示意圖如圖4所示。MEMS安全保險機(jī)構(gòu)的作用過程為：安全狀態(tài)下，離心保險的隔爆滑塊被后坐保險和離心保險的限位銷卡住；發(fā)射時當(dāng)發(fā)射過載達(dá)到一定數(shù)值時后坐保險限位銷釋放，運動一定的位移，完成后坐解除保險功能，釋放離心保險限位銷。離心保險在離心力的作用下運動解除對隔爆滑塊的第2道保險；當(dāng)彈丸飛行至炮口安全距離之外，延期保險機(jī)構(gòu)(圖4中不含延期保險)作用，通過彈道實時信息控制，解除對隔爆滑塊的最后一道保險，隔爆滑塊在離心力的作用下運動到位并鎖定。

圖3 MEMS安全保險機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 MEMS安全保險機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)層示意圖

上蓋板、下蓋板的厚度為0.15 mm，結(jié)構(gòu)層的厚度越大，解除保險需要的后坐力、離心力越小，但厚度越大工藝的可實現(xiàn)性越差，綜合考慮加摸底試驗，厚度設(shè)計尺寸為0.3～0.7 mm.

微起爆器采用表面微加工工藝在基底上完成Ni-Cr橋膜換能元的制作，采用深硅刻蝕工藝完成裝藥腔體層上裝藥腔體的制作，采用晶圓鍵合工藝、劃片完成未裝藥的單個微起爆器的制作。起爆藥選用微納結(jié)構(gòu)多孔疊氮化銅，采用原位裝藥工藝完成微起爆器裝藥[11，15]。之所以選擇微納結(jié)構(gòu)多孔疊氮化銅與原位裝藥工藝，主要是因為疊氮化銅具有感度高、起爆威力大、極限起爆藥量小等特點，如疊氮化銅起爆太安的極限藥量是0.000 4 g，疊氮化鉛則為0.005 g.粉末疊氮化銅對摩擦較為敏感，用傳統(tǒng)的起爆藥合成和裝藥方法制備疊氮化銅的安全性保證難度較大，而采用原位裝藥直接形成器件，有效提升了裝藥操作的安全性。

傳爆藥選用沖擊感度高的六硝基六氮雜異伍茲烷(CL-20)基傳爆藥，CL-20的最大爆速和爆壓可分別達(dá)到9.5～9.6 km/s及43～44 GPa，當(dāng)爆速為9 580 m/s時爆壓為42～43 GPa，標(biāo)準(zhǔn)生成焓約為980 kJ/kg，比奧克托今(HMX)的爆熱高9.2%、密度高7%、能量輸出高10%～15%，且CL-20的沖擊波感度較高[17-18]。CL-20基傳爆藥的配方與美國引信年會報道的RSI007相當(dāng)[4]，裝藥直徑3.0 mm、高度3.0 mm，裝藥密度1.8 g/cm3，為其最大理論密度的90%.

2 微起爆序列傳隔爆性能研究

2.1 微起爆序列傳爆性能

依照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5309.17—2004(K)火工品試驗方法：軸向輸出測定鋁塊凹痕法，對微起爆序列傳爆性能進(jìn)行了測試。測試原理為炸藥的爆轟以爆轟波的形式向前傳播：當(dāng)爆壓大于鑒定塊彈性極限時，鑒定塊將變形；當(dāng)鑒定塊的表面大于炸藥表面時，鑒定塊的變形就是一個凹坑。產(chǎn)生凹痕的能量等于傳遞給鑒定塊的能量減去鑒定塊彈性形變消耗掉的那部分能量。因此鑒定塊凹痕深度可以作為測定雷管軸向輸出的一種相對量度。

傳爆空腔的高度為MEMS安全保險機(jī)構(gòu)的總高度，即包括上蓋板、下蓋板、結(jié)構(gòu)層。結(jié)合含能材料驅(qū)動飛片運動基礎(chǔ)理論與安全保險機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能，傳爆空腔的直徑設(shè)計值選擇0.5～2.0 mm，總高度設(shè)計值選擇0.65～1.50 mm，其中上下蓋板的高度是固定的，即0.15 mm.

2.1.1 微起爆器裝藥量對序列傳爆性能的影響

安全保險機(jī)構(gòu)材料為Ni，傳爆空腔直徑為1.5 mm、高度為1.0 mm.微起爆器裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm.分別對不同裝藥量的微起爆器驅(qū)動飛片起爆CL-20基傳爆藥的情況進(jìn)行測試。測試用發(fā)火電路如圖5所示，充電電阻為5 000 Ω，電容為33 μF，放電開關(guān)是水銀開關(guān)。微起爆器作用時，加載電壓為15 V.測試結(jié)果如表1所示。

圖5 硅基微雷管發(fā)火電路原理圖

表1 不同裝藥量時序列傳爆測試結(jié)果

從表1中可以看出：裝藥量小于7 mg時，微起爆序列未正常傳爆；裝藥量大于7.5 mg時，微起爆序列正常傳爆；裝藥量為7.0～7.5 mg之間時，微起爆序列部分正常傳爆，部分未正常傳爆。

2.1.2 傳爆空腔直徑對序列傳爆性能的影響

安全保險機(jī)構(gòu)材料為Ni，安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度1.0 mm，微起爆器裝藥直徑2.0 mm、高度1.5 mm.裝藥密度為1.67 g/cm3，起爆電路加載電壓15 V、充放電電容33 μF.對安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑不同時微起爆序列傳爆性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出：當(dāng)安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑在1.0～2.0 mm范圍時，微起爆序列均實現(xiàn)了正常傳爆；當(dāng)傳爆空腔直徑大于2.0 mm時未進(jìn)行測試，主要是傳爆空腔直徑的增大會要求安全保險機(jī)構(gòu)離心保險隔爆滑塊位移增大，相應(yīng)的安全保險機(jī)構(gòu)尺寸也會增大。

2.1.3 安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度對序列傳爆性能的影響

安保機(jī)構(gòu)材料為Ni，微起爆器裝藥直徑為2.0 mm，高度為1.5 mm，裝藥密度為1.67 g/cm3，起爆電路加載電壓為15 V、充放電電容為33 μF，對安保機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度不同時微起爆序列傳爆性能進(jìn)行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 傳爆空腔高度不同時序列傳爆測試結(jié)果

從表3中可以看出，微起爆序列安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔高度在0.65～1.50 mm，序列均能正常傳爆。

對微起爆序列傳爆性能測試用的全部鋁凹深度進(jìn)行測量，凹痕平均深度為1.83 mm.序列正常傳爆后，部分鑒定塊照片如圖6所示。

圖6 部分鑒定塊照片

2.2 微起爆序列隔爆性能驗證

微起爆序列內(nèi)置安全保險機(jī)構(gòu)，隔爆滑塊對起爆器的隔爆性能是其安全性設(shè)計的重要指標(biāo)之一。微起爆序列隔爆性能驗證的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，安全保險機(jī)構(gòu)隔爆滑塊將微起爆器與傳爆藥柱隔開，該測試的目的是測試隔爆滑塊對平面微起爆器爆轟的隔爆情況。

圖7 隔爆狀態(tài)時序列結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)微起爆序列傳爆性能研究結(jié)果，優(yōu)選微起爆序列設(shè)計參數(shù)為起爆藥裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm，裝藥密度為1.67 g/cm3，安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑為2.0 mm.其隔爆性能測試結(jié)果如表4所示，隔爆效果照片如圖8所示。從表4和圖8中可以看出，當(dāng)安全保險機(jī)構(gòu)滑塊厚度大于等于0.3 mm時，微起爆序列能夠正常隔爆。

表4 序列隔爆性能測試結(jié)果

圖8 滑塊厚0.65 mm時的隔爆效果

3 微起爆序列解除保險功能驗證

根據(jù)微起爆序列傳爆與隔爆性能研究結(jié)果，優(yōu)選了微起爆序列設(shè)計參數(shù)，即微起爆器裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm，裝藥密度為1.67 g/cm3，安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑為1.5 mm、高度為1.0 mm(含上蓋板、下蓋板和結(jié)構(gòu)層)。完成制作的微起爆序列照片如圖9所示。

圖9 微起爆序列照片

采用空氣炮對微起爆序列解除保險功能進(jìn)行驗證，空氣炮主要是利用高壓氣體作為動力源，使得試驗彈體帶著被測樣品在炮管內(nèi)完成加速度運動，模擬彈藥發(fā)射環(huán)境。空氣炮試驗彈主要由氣體炮主體裝置、液壓泵站、操作控制系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、測試系統(tǒng)和空氣壓縮站等組成。根據(jù)充氣壓強(qiáng)、膛線長度，彈丸配重，經(jīng)計算本次試驗條件為發(fā)射過載21 000g，轉(zhuǎn)速6 000 r/min.微起爆序列安裝狀態(tài)如圖10所示。

圖10 微起爆序列樣機(jī)安裝照片

試驗后微起爆序列樣機(jī)外觀完好，試驗前后微起爆序列X射線照片如圖11所示，可以看出微起爆序列實現(xiàn)了解除保險功能。

圖11 試驗前后微起爆序列X射線照片

依據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5309.16—2004(K)火工品試驗方法：軸向輸出測定鋼塊凹痕法，對解除保險后的微起爆序列傳爆性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表5所示。

表5 微起爆序列傳爆性能測試結(jié)果

從表5中可以看出，經(jīng)受過21 000g過載、轉(zhuǎn)速6 000 r/min旋轉(zhuǎn)的發(fā)射環(huán)境后，微起爆序列正常傳爆，表明微起爆序列可以抗21 000g的發(fā)射過載。

4 討論與分析

國外公開報道的典型起爆序列[2，5]主要由蓋板、MEMS安全保險機(jī)構(gòu)、飛片、傳爆藥等構(gòu)成，蓋板上制作有換能元，安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔中裝填起爆藥。安全保險機(jī)構(gòu)與傳爆藥之間是飛片層、加速膛層。安全狀態(tài)下，起爆藥與換能元、加速膛、傳爆藥錯位，即換能元與飛片之間是隔爆滑塊；解除保險狀態(tài)下，安全保險機(jī)構(gòu)運動至設(shè)計位置，起爆藥隨之產(chǎn)生一定的位移，使得換能元、起爆藥、加速膛、傳爆藥由錯位狀態(tài)轉(zhuǎn)換成對準(zhǔn)狀態(tài)，爆轟通道形成。

與國外典型微起爆序列相比較，本文設(shè)計的起爆序列，換能元與起爆藥一體化集成為起爆器，起爆藥與換能元橋區(qū)緊密接觸，發(fā)火可靠性更高。其次，將安全保險機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔作為加速膛，結(jié)構(gòu)更緊湊，有效減少了序列軸向尺寸；同時規(guī)避了由于安全保險機(jī)構(gòu)上裝填機(jī)械感度較高的起爆藥，在高過載條件下移動帶來的安全隱患。初步試驗結(jié)果表明該起爆序列能夠抗21 000g的發(fā)射過載。

5 結(jié)論

本文基于MEMS工藝技術(shù)的微起爆序列對火工品安全保險機(jī)構(gòu)一體化設(shè)計進(jìn)行了探索，對微起爆序列的設(shè)計及傳隔爆性能進(jìn)行了研究。所得主要結(jié)論如下：

1)微起爆器裝藥直徑為1.67 g/cm3，裝藥直徑為2.0 mm、高度為1.5 mm，安全保險機(jī)構(gòu)傳爆空腔直徑為1.0～2.0 mm、高度為0.65～1.50 mm時，序列可靠傳爆；安全保險機(jī)構(gòu)隔爆滑塊厚度≮0.3 mm時序列安全隔爆。表明對于微起爆序列的設(shè)計，采用微起爆器驅(qū)動飛片經(jīng)安全保險機(jī)構(gòu)上的傳爆空腔加速，高速飛片沖擊起爆下一級裝藥的能量放大方式是可行的。

2)微起爆器裝藥量小于7 mg時，微起爆序列不能正常傳爆；大于7.5 mg時，微起爆序列正常傳爆。與最小的制式雷管相比較，裝藥結(jié)構(gòu)簡化，裝藥量減少了70%以上，且能夠與MEMS安全保險機(jī)構(gòu)相對較薄的隔爆滑塊相匹配，易于實現(xiàn)安全隔爆。

3)設(shè)計的內(nèi)置安全保險機(jī)構(gòu)微起爆序列，實現(xiàn)了保險與解除保險、傳爆、隔爆功能；初步獲得了微起爆器裝藥閾值、傳爆空腔直徑、高度以及隔爆厚度等序列設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，為引信微小型輕量化設(shè)計提供了支持。

由于對優(yōu)化參數(shù)選擇的理論分析及試驗支撐還相對薄弱，下一步需要深入開展相關(guān)的研究工作，進(jìn)一步探索其邊界條件。其次是開展序列環(huán)境適應(yīng)性研究，為其應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。