微机电技术在引信中的应用

微机电技术在引信中的应用

摘 要 :微机电技术是实现引信小型化和引信功能拓展的关键技术之一 。综述微机电技术在精确打击弹药引

信 、灵巧弹药引信 、防空反导引信 、轻武器面杀伤弹药引信 、水中高效毁伤弹药引信应用现状 。利用微机电技术 实现引信微小型化提高弹药的高效毁伤能力 ,识别发射环境和目标 ,提高引信的信息利用水平 ,提高引信的智 能化水平 ,实现引信功能多样化和扩展化 ,实现引信系统通用化 、系列化和组合化 。对比我国微机电技术在引 信中的应用与国外技术在三维加速度传感器 、微型卫星定位信号接收机 、微型惯性测量组合 、射频 M EM S 器件 等方面的差距 ,指出了我国加速发展微机电技术在引信中应用的必要性 。

关键词 :微机电 ;引信 ;信息化 ;智能化 ;小型

化

中图分类号 : T J43 文献标志码 :A

文章编号 :100821194( 2008) 0620054206

Appl icat i on of M E MS on Fuzes

N IU L a n 2jie , S H I Ku n 2li n , Z H A O Xu , Z H A I Ro ng

( N atio nal Key L a b o r ato r y of Elect r o m echa n ical Engineering a n d Co n t rol , X i ’a n 710065 China ) Abstract :M EM S technolo gy i s o ne of t he key technolo gie s of f uze ’s miniat urizatio n a nd f unctio n expa nsio n. Thi s p aper summa rize s t he M EM S t echnolo gy ’s applicatio n o n f uzes of p reci sio n st ri ke munatio n , sma rt munitio n ,a nti 2 air munitio n ,a r ea 2killing munitio n a n d underwat e r high efficiency dest ro y munitio n. M EM S technolo g y can be u 2 tilized to achieve f uze ’s miniat urizatio n , s o a s to realize munitio n ’s high efficiency killing a b ilit y ,firing enviro n ment a n d ta r g et reco g nitio n a b ilit y ,w h ich will p ro m o t e t he intelligent info r m atio n utilizing level of f uze s . The utilit y of M EM S technolo gy can al s o achieve t he f unctio n ’s diver s ificatio n a n d exp a n sio n of f uze s ,and generalizatio n , s eria 2 tio n a n d unitizatio n a s well . Thi s pap er al so co mp are s t he do me stic M EM S applicatio n wit h t hat of a broad o n t hree dimentio nal acceleratio n senso r ,micro 2 G PS receiver , micro 2IM U a n d R F M EM S device ,point s o ut t he ne 2 ce s sit y of do mestic M EM S applicatio n re s earch o n f uzes.

K ey w ords :M EM S ;f uze ;intelligentizatio n ; m iniat u rizatio n ;info r m atio n izatio n

0 引言

微机 电 系 统 ( Micro Elect ro 2Mecha n ical Sys 2t e m s ,M EM S ) 是指可批量制作的 ,集微型机构 、微型 传感器 、微型执行器以及信号处理和控制电路 ,直至接口 、通信和电源等于

一体的微型器件或系统 。微机电系统具有微型化 、

集成化 、可大批量生产 、成本 低廉的特点 ,尤其适合在引信中应用 ,为推动引信小 型化和智能化提供了技术支撑 。

引信正在向灵巧化 、智能化 、小型化方向发展 , 微机电技术作为引信向数字化 、

信息化发展的推动技术之一 ,已经成为 21 世纪提高引信性能的重要技 术途径 。国内外近年来研究的高新技术引信大量采 用了微机电技术 ,极大地拓展了引信的功能 ,提高了引信的性能 。通过综述微机电技术在引信系统中的 应用现状 、发展特点与趋势 ,表明微机电技术对拓展 引信功能 、提高引信性能 、提升引信信息化和智能化 的必要性 。对比我国微机电技术在引信中的应用与 国外技术的差距 ,指出我国加速发展微机电技术在引信中应用的必要性 。

1 国外M E MS 技术在引信中的应用

1 . 1 M E MS 技术在精确打击弹药引信中的应用

随着精确制导武器命中精度的不断提高,对敌方重要目标实施精确打击成为战争的首要选择,近年来硬目标灵巧引信成为研究热点[ 1 ] 。为使引信实

现具有可编程的计空穴或计层次起爆、计埋深起爆和延时起爆功能,美国在FM U2157/ B 、FM U2159/ B 硬目标侵彻灵巧引信的起爆控制中采用了高性能的三维微机电高g 值加速度传感器检测弹丸侵彻目标过程中的过载,采用微处理器进行信号处理和起爆

控制。最大计层次数达16 层, 最大侵彻行程达78 m ,引信能够承受10 万g 的侵彻过载。配用于BL U2109/ B 和BL U2113 战斗部上,用于攻击地下深埋的硬目标。

1 .

2 M E MS 技术在灵巧弹药引信中的应用

为实现武器系统低成本远程打击、精确命中的能力,国外正在发展以弹道修正引信为

代表的灵巧弹药引信,力求大幅度减小无控弹药的命中误差,典型代表为美国陆军和海军联

合研制的低成本强力弹药L CCM 弹道修正引信。

在弹道修正引信中,主要应用的微机电部件是惯性测量单元、G P S接收机和M EM S执

行器件。美国Roc k well Colli n s公司最新研制开发的微机电惯性测量单元( IM U)和射频M EM S GPS 接收机能承受超过16 000 g 的高过载冲击,已经在用于增程弹药降低风险研

美国陆军和海军联合研制的低

究( Ext e n de d Ra n ge Gui d e d M u n i2 tio n2Ri s k Reductio n) 、

成本强力弹药L CCM (Lo w Co st Co mp e t e n t M u2 nitio n s) 弹道修正引信和有能力弹药先进

技术演示验证CMA TD ( Co mp e t e n t M u n itio n A d va n ce d Tech n olo gy De m o n s t ratio n) 等项目中进行了验证。CMA TD 演示的M EM S惯性导航和控制系统能承受15 000 g 的发射过载,体积只有13 i n3 。美国海军开发的M K64 制导弹药中使用的微机电惯性测量单元

包括三个硅振动结构陀螺, 该陀螺由直径 6 mm 的环形谐振器和一个加速度计组成, 能

承受16 000 g 的过载冲击。

1 . 3 M E MS 技术在防空反导引信中的应用

为提高防空反导弹药对目标的毁伤和拦截效果,在防空反导引信方面发展了可编

程无线电近炸引信和感应装定时间引信。如瑞典博佛斯公司的

3 P 可编程引信以及法国汤姆逊公司研制的TB40 和TB35 自适应近炸引信。在诸如此

移相器等。微机电高Q 类的引信中, 大量应用了微机电滤波器、振荡器和微机电射频开关、

值滤波器能够提高接收机的选择性和降低接收机的噪声;微机电射频开关、

可调滤波器可用于捷变频无线电引信和软件无线电引信实现信道编程,提高引信的抗干扰能力;微机电射频开关,移相器适用于中、低重复频率的电扫描阵列,可用于定向扫描探测的近

炸引信。目前,微机电射频技术与单片微波集成技术正在研究中。

1 . 4 M E MS 技术在轻武器面杀伤弹药引信中的应

用

为提高轻武器面杀伤弹药的精确打击和高效杀伤能力,美国在理想单兵战斗武器( O ICW) 和班组支援武器( O C SW) 高爆榴弹的空炸引信中大量采用了M EM S技术。首先在引信安全系统中,采用“机械安全逻辑”概念,将传统的带钟表机构的保险机构合并为“机械安全逻辑”保险与解除保险芯片,采用L I GA 工艺制造出安全系统, 并采用低能起爆的半导体微桥火工品技术实现了爆炸序列微型化和双向起爆,体积只有0 . 1 i n3 ,重量减为原来的53 % ,制造成本降低50 % ,是目前世界上最小的满足引信安全性设计准则的安全与解除保险机构[ 224 ] 。

在O ICW 和O C SW 引信中,还采用了微机电磁

传感器,用于测量弹丸在飞行过程中的转速,利用弹丸飞行的转数进行远距离解除保险控制和定距起爆控制。采用微机电碰炸开关用于触发起爆控制,实现了入窗炸、

碰炸功能与定距空炸功能的集成。

1 . 5 M E MS 技术在水中高效毁伤弹药引信中的应用

美国海军水面武器中心印第安分部研制的鱼雷M EM S 引信是最早的集成化的微机电引信,通过微机电传感器或电子逻辑结构将武器信息和解除保险的环境信息传递给主控制单元,主控制单元将信息处理后通过光通路发送给子控制器,由子控制器和发火安保装置共同作用灵巧起爆装置完成引爆任务,其体积仅为7 i n3 , 是M K48 鱼雷使用的M K21 引信的1/ 17 ,造价是其1/ 4 ,可用在158 mm 反鱼雷鱼雷上,已成功地进行了演示。引信的环境传感器采用AD I 公司的AD XL2150 型微机电加速度传感器和霍尼威尔公司的微流体

微机电碰击传感器, Slapp e r雷管起爆压力差传感器。采用了微机电惯性测量速率传感器、

电路和控制单元使用了 D R I E 技术的M EM S 芯片和L I GA 技术加工保险与解除保险芯片[ 5 ] 。

2国外微机电技术在引信中的应用发展特点与趋势

自从2002 年美国国防高级研究计划局提出C4 KISR 体系概念后, 对引信技术含量要求越来越高,功能也明显扩展,从传统的安全控制和探测识别目标及起爆控制扩

毁伤效果评估和敌展,不同武器系统的引信还分别具有弹道修正、

续航发动机点火控制、我识别功能。微机电技术具有超小型化特征,采用与集成电路相同或类似制作工艺,能耗少、可靠性高、抗冲击能力强,特别适合完成引信多功能扩展和保持体积不成本低、

变或减小,最大化实现武器弹药的精确打击和高效毁伤要求。随着微机电技术在引信中的大量应用,引信技术呈现出以下特点。

2 . 1 利用微机电技术, 引信安全系统向微机电、微电子、微光机电方向发展, 控制电路向ASIC、M M I C 方向发展, 以实现引信微小型化, 保证弹药的高效毁伤能力

引信在向信息化发展的过程中 ,必须保证能量 信息的逐级放大传递 ,即保证引信可靠起爆战斗部并保证战斗部的杀伤威力 。传统的机电安全系统由 于体积过大 ,影响引信控制部分和战斗部的体积 ,影 响引信的功能和威力 。研制微小型化的安全系统 , 将节约的空间用于多传感器融合和战斗部装药 ,可 大幅度提高战斗部的杀伤威力 ,实现引信的多作用模式 ,推动引信向微小型化 、模块化 、信息化和数字 化 方 向 发 展 。美 军 在 O ICW 空 炸 引 信 中 采 用 M EM S 安全系统 ,在导弹中大量采用微全电子安全 系统 ,在鱼雷引信中采用微光机电安全系统 ,在有限 的引信体积内实现了引信功能的拓展 ,满足了武器弹药系统的精确打击 、高效毁伤等功能要求 。

在致力安全系统微小型化的同时 ,控制电路 、电源 、火工品等相关技术也致力于

微小型化 。远程精 确打击弹药通用的低炸高探测器 D S U 233B/ B 、高炸 高探测器 F ZU 239/ B 均采用通用化的 M M IC 芯片 ,O ICW 和 O C SW 空炸引信中均集成了半导体桥式 雷管 ,保证了引信向微小型化方向发展 。

2 . 2利用微机电传感器技术 , 识别发射环 境和 目

标 , 提高引信的信息利用水平

国内外针对不同种类信息研制了相应的微机电 传感器 ,诸如加速度传感器 、压力传感器 、温度传感器 、地磁传感器 、声传感器 、微型陀螺 、微型惯性测量组合等 ,用于引信的识别系统 ,实现引信对环境和目 标的探测 、识别 、分类的精细化 ,以及对安全状态转 换 、炸点控制和起爆控制的精确化 。同时 ,由于微机电传感器体积 较小 , 重 量较 轻 , 在 相 同 的 体 积 限 制 内 ,可以将多传感器融合或设计成传感器阵列 ,充分 发挥微机电传感器的特点 ,提高引信的安全性和作 用可靠性 。

美国 H TSF 灵 巧引 信 利用 三轴 加速 度 传感 器检测弹丸侵彻目标过程中的过载 ,获

取目标信息并进行炸点控制 ,与控制电路一起实现跳弹起爆 、

折弹起爆 、计空穴起爆 、计侵彻起爆模式 ,解决了以前引 信必须要求小着角和均匀材质目标才可以有效定深 的局限 ,实现了侵彻战斗部引信的可编程功能 。反 鱼雷鱼雷引信利用 D X L 2150 型微机电加速度传感 器和霍尼威尔公司的微流体压力差传感器实现了对 发射环境中的不同环境信息获取 ,从而控制安全系 统的解保功能 ,实现了冗余保险功能 。诸如此类微 机电传感器的应用 ,大大提高了引信的信息利用水 平 ,推动引信向精细化和精确化发展 。

2 .

3 利用微机电技术 , 提高引信的智能化水平

“多 a g e n t 系统”是近年智能科学领域最活跃的 研究课题 ,对于引信的发展至关重要 。由传感器 、信号处理器和执行器构成的一种独立单元 ,尤其适合运用微机电技术实现[ 6 ] 。由传感器感知环境 ( 含目 标) 并产生信号 ,由信号处理器对信号进行处理 ,产 生一系列的识别 、分类 、锁定 、跟踪信号和控制指令 ,并将控制指令传输给执行器 ,最终由执行器作用于 环境 、毁伤环境中的目标[ 7 ] 。

在引信领域中 ,采用微声传感器和微机电技术 实现分布式智能雷/ 弹技术 ,使雷/ 弹间具有通讯能 力 ,可大幅度提高探测精度 。在同步起爆和毁伤效果反馈技术方面，如多弹头侵彻和摧毁深埋地下目标音信可识别不同的介质，在预先编程指定的目标空穴层数或侵彻深度起爆 ,有 20 种延时起爆时间和16 层空穴数可供选择 。侵彻开始时 ,首先判定目标 类型 、选择起爆准则 ,在侵彻中不断计算空穴数和侵彻深度 ,并根据起爆准则在最有利的位置起爆 。更 进一步 ,利用微机电技术可实现系统一体化设计 、作 用技术 (不只是弹药与引信的一体化) ,使弹丸 、引信 之间没有明显的物理界面 ,弹药与弹药之间可交换 信息 、实现互补 ,以提高测试精度和起爆控制精度 ,而且每发精确打击用弹药均纳入战区的 C4 I KSR 系 统 ,实现全系统武器的统一应用和自动协调 。

2 . 4 利用微机电技术 , 实现引信功能多样化和扩展 化

引信功能多样化可针对攻击目标特性多样化情况下实现一炮多用和一弹多用要求 。

采用微机电技 术容易实现在体积和重量有限要求下的引信多功能 化 ,更 好 地 适 应 未 来 战 场 的 复 杂 情 况 。O ICW 和 O C SW 采用微机电技术后 ,在保持引信体积不变的 情况下 ,将轻武器弹药的单一碰炸作用模式提升为 碰炸 、入窗炸和定距空炸三种作用模式 ,实现了对建筑物内 、卧倒的 、堑壕中的 、掩体后的 、街角后的敌有生目标进行直接打击 ,将传统轻武器点杀伤改变为 面杀伤 ,提高命中和毁伤效率 ,大幅度提高武器作战效能 。硬目

标侵彻引信采用微机电技术后 , 可实现计时 、

计层次 、计行程和计埋深起爆控制功能 ,保证 巡航导弹 、空地导弹和制导炸弹是对重要目标实施 “外科手术”式打击 。防空弹药引信采用微机电技术 后 ,可实现 近炸 ( 分 档) 、触 发 、时 间 、延 期 等 作 用 模 式 ,大大提高小口径弹药的超近反导能力 。

微机电技术在引信中的应用 ,推动了引信功能 的扩展 。弹道修正引信利用微型惯性测量组合对弹道的实际弹道进行测量 ,通过弹道快速解算或查表得到实际弹道参数 ,与预先存储在引信控制系统中 的理想弹道数据进行比较 。根据比较的结果得到弹 的实际落点与预定落点的偏移量 ,利用鸭舵或推冲 器对弹丸的弹道进行修正 ,以提高弹丸命中预定目 标的概率 ,可使远程弹药的消耗量减少十几倍 。在 侵彻弹药引信中 ,采用微机电 GPS 和射频传输技术 后 ,可以将毁伤效果实施传给武器平台 ,进行毁伤效 果评估 。

2 . 5 利用微机电技术 , 实现引信系统通用化 、系列 化和组合化

微机电系统具有尺寸小 、质量轻 、功能多样化的特点 ,在有限体积内将微传感器和微执行器集成在 一起 ,把信息的获取 、处理和执行集成在一起 ,方便 与微电子技术结合 ,制造出具有数字接口 、通讯控制 和自检自调整的微机电系统 ,完成大尺寸机电系统 所不能完成的任务 ,也可以嵌入大尺寸系统中 ,从而 有利于实现 引 信系 统的 通 用 化 、系 列 化 和 组 合 化 。 如硬目 标侵 彻 引 信 , 美 军 从 FM U 2135/ B 到 FM U 2159/ B 在保持外形和重量不变的前提下 , 实现了系 列化 ,性能也越来越先进 。美军的单兵作战系统和

班组支援武器系统的定距空炸引信 ,均采用通用的微机电安全系统 。

利用微机电技术实现引信系统的 通用化 、系列化和组合化 ,有利于大规模生产 ,形成 规模效益 ,从而大幅度降低引信成本 。

3 我国微机电技术在引信中应用与国外差距和加速发展该技术的必要性

微型压力传感器、微型加速度计、微流量传感器和微气体传感器已经得到应用。在微型惯性器件和惯性测量组合( M IM U) 、机械量微型传感器和执行器( M icro Mec h a n ical Se n s o r sa n d Act uato r s) 、微流量器件和系统( Micro Fl u i d ic s) 、生物传感器和生物芯片(Bio se n so ra n d Biochip ) 、微型机器人和微操作系统( Micro Ro bo t sa n d Micro Op e ratio n Syst e ms) 等方面取得一定成果。

针对近年来轻武器小口径空爆弹药引信微小型化的技术瓶颈,许多单位都在探索符合微机电生产工艺又能满足引信传爆和安全性设计准则的结构, 并联合微米纳米专业组

微电磁驱动器、

微马达以及直和微电子专业组制作出了微加速度传感器、微加速度开关、

径为 1 . 5～2 mm 直径的钟表齿轮、骑马轮和卡摆等,准L I GA 工艺试制微小型安保机构的零件已是成熟技术。利用微机电技术研制了M EM S安全系统和微型碰炸开关,实现了初步的技术集成和应用。

国内微机电技术在引信中的应用与国外比还有较大差距:国外高精度三维加速度传感器已经在硬目标灵巧引信得到应用,国内的高g 值加速度传感器各方面性能还不能满足型号产品研制的要求。国外采用微型卫星定位弹道接收机和M EM S惯性测量组合装置的一维和二维弹道修正引信已经进行了演示验证,国内微型化的能抗高过载的卫星弹道接收机和惯性测量装置技术还在进一步研究。国外30 年前就装备了90 ～900 m 分档装定的定高开舱无线电引信,近年采用微机电技术已将尺寸缩小到炮弹引信标准外形,国内类似产品的小型化问题正在进一步研究。国外的微机电和全电子安全系统已经开始在新研制的产品上应用,国内也有了一定的应用,但安全性和可靠性的试验验证没有国外充分。

在引信中采用微机电技术,对大幅度提高武器系统的作战效能和效费比非常重要。采用微型惯性测量组合和GP S 接收机后,弹道修正引信可明显减小弹的实际落点与预定落点的偏移量,在100 k m 射程上减小73 %～93 %的圆概率误差,减少90 %的弹药消耗量。在轻武器弹药引信中采用微机电技术后,引信生产成本降低50 % , 杀伤威力和同口径碰炸引信比提高十几倍。在远程导弹子母弹的开仓点利用微机电技术进行自适应控制,可大大提高子弹的命中概率,极大提高武器的作战效能。更重要的是,如果利用微机电技术将大量生产的“笨弹”变为灵巧化、智能化弹药,提高命中精度和毁伤威力,其效费比之高是难以估算的。

4结论

微机电技术的特点特别适合在引信中应用,近年来国内外普遍认同和肯定微机电技术将和微电子技术、毫米波、激光、红外光电技术以及先进信号处理技术等高新技术成为推动引信装备和引信技术的跨越式发展的原动力,将对提升引信性能起到重要作用。因此,清醒认识我国微机电技术在引信中应用技术与国外的差距,大力发展微机电技术在引信中的应用研究,将推动我国引信装备和技术提高到一个新的水平,为完成网络技术时代的引信使命,具有划时代变革的重要意义。

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