CN103673794A

CN103673794A - 一种火工驱动活塞式微作动器

Info

Publication number: CN103673794A
Application number: CN201310468248.6A
Authority: CN
Inventors: 严楠; 王刚; 程俊; 耿万钧; 吕智星; 李朝振; 娄文忠; 穆慧娜
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2013-10-09
Filing date: 2013-10-09
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-10-09
Also published as: CN103673794B

Abstract

本发明涉及一种活塞式微作动器，其包括半导体桥发火组件、电热敏感发火药、台阶式活塞、管壳等。活塞微作动器是一种火工作动装置，同时也是一种做功火工品。发火组件装配在管壳一端并与管壳密封连接，电热敏感发火药装填在活塞圆筒形药室内，活塞采用过盈配合装配在管壳内。作用时，发火组件点燃电热敏感发火药产生大量气体，推动活塞在短时间内产生可靠的推力。该活塞式微作动器可作为微机电系统解除保险装置，兼顾了小尺寸、发火能量低、抗电磁环境等特性，具有良好的应用前景。

Description

一种火工驱动活塞式微作动器

所属技术领域

本发明涉及一种火工驱动的活塞式微作动器，是一种火工作动装置，同时也是一种做功火工品，本发明可作为微机电系统解除保险装置。

背景技术

GJB373A-97《引信安全性设计准则》中对引信安全系统的定义为：“用来防止引信在感受到预定的发射环境并完成延期解除保险之前解除保险（启动）和作用的各种装置（如环境敏感装置、发射动作敏感装置、指令动作装置、可动关键件或逻辑网络，以及传火序列的隔火件或传爆序列的隔爆件）的组合”。该定义中的指令动作装置就是指作动器；相应的，应用于微机电系统中的作动器整体结构尺寸非常小，可以称之为微作动器。

传统典型的活塞式作动器尺寸往往较大，如图1所示，直径为8mm，即利用现有电起爆器发火，“O”型密封圈保证密封性，灌注方式将药剂填装在电起爆器内，剪切销结构进行止推设计等。但如此尺寸不能满足微机电系统应用要求，若减小尺寸又很难完成上述结构和功能的实现，因此必须对传统作动器进行零件结构、尺寸以及其功能的重新设计。

微机电系统使用的活塞式微作动器因使用环境不同而具体结构组成也不同，但是活塞式微作动器基本作用原理相同：活塞和含能材料装在一个密闭的药室内，药室的密封是防止爆燃气体产物过快泄露从而降低做功能力；换能元受到发火指令激励而引燃含能材料，含能材料的爆燃气体产物推动活塞沿轴向运动，活塞杆作为能量传递机构，将药剂释放的化学能转换为机械能传递给引信安全系统的隔爆件或安全锁。活塞式微作动器产生的作用效果包括推动安全锁或隔爆机构产生位移或者结构变形等解除保险动作。

2005年Charles H.Robinson等对该小口径武器微机电系统机构进行了改进。其作用原理与改进前相似。这个MEMS安保机构中使用了活塞作动器，活塞上方装有火药和起爆器，工作过程如下：起爆器引燃火药，产生气体推动活塞运动，从而使得摆锁转动，完成解锁。

MEMS安全系统结构见图2。利用活塞式微作动器作为MEMS安全系统的作动器，用来解除保险滑块上的第二道保险，实现整个安全系统机械解保。该安全系统的第二道保险是一个翘翘板式的摆锁，摆锁以中间为轴，两端成一定角度。

该作动器作用过程如下：起初，保险滑块的一部分挡在摆锁翘起一端的下面，作动器无法推动摆锁旋转，同时摆锁与保险滑块位于同一平面的一端卡在保险滑块的小槽中，保险滑块移动到与摆锁接触后无法继续移动。摆锁与保险滑块处于一种互锁的状态，能够解开这道锁的关键环节就是作动器；弹药发射后，保险滑块在离心力作用下移动，当其接触到摆锁的时候被限制移动，此时原来挡在摆锁翘起端的滑块部分恰好离开原来位置，释放摆锁。一旦与发射平台的距离满足安全需要，控制信号由处于安全系统之外的引信电路给出，引燃作动器上方的含能材料，气体产物推动活塞下压摆锁，摆锁限制保险滑块的一端翘起释放保险滑块，完成解锁。

微机电系统成为新一代引信的发展趋势。受微机电系统体积的限制，作动器的体积也必须相应的减小、发火电压也随之降低，由此给作动器提出了更加严格的尺寸和性能要求。但是与微机电系统相匹配的作动装置还比较少，鲜有尺寸、结构以及功能均能满足微机电系统的作动装置。目前国内外正在大力发展微作动器以适应各种微机电系统的研发，因此迫切需要从微机电系统设计要求出发，设计一种尺寸小且结构功能均能满足要求的微作动装置，依靠现有火工品设计的技术水平无疑是个巨大的挑战。

发明内容

根据微机电系统对活塞式微作动器的技术要求，针对现有作动器在减小整体尺寸、降低发火组件发火电压、保持较高安全性、较大推力和推程等参数组合的设计方案中存在的技术难点，本发明专利通过深入细致的理论计算分析、统全面的验证试验和正交试验优化提出一种低发火电压活塞式微作动器，不仅能在结构尺寸、发火电压、止推和止退、推力和推程、作用时间等性能上满足微机电系统对微作动器的技术要求，还大大减小了尺寸，并能保证结构强度需要。

本发明专利的目的在于提供一种适合于解除微机电系统保险机构用的功火工品，在5V（10μF）低电压输入条件下能够可靠发火，推力不小于30N，推程不小于1.5mm，尺寸不大于Ф2.5×5mm，具有体积小、低发火电能、推力和推程较大、抗静电抗射频能力好等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

设计一种活塞式微作动器，在保证活塞式微作动器不会在振动、意外跌落等冲击情况下提前作动，同时在作用后保持至少1s不后退。基于优化设计思想，利用ANSYS/LS-DYNA非线性动力学软件对该

活塞式微作动器进行了结构组成以及结构尺寸的仿真分析和设计优化，通过大量试验验证，使整个作动装置的外形尺寸不大于Ф2.5×5mm，实现了作动器的小型化设计。

一种火工驱动的活塞式微作动器，其特征是：包括半导体桥发火组件（1）、电热敏感做功药（2）、台阶式活塞（3）、管壳（4），发火组件（1）用于引燃电热敏感做功药（2），采用管壳收口涂胶密封方式与管壳（4）密封连接，电热敏感做功药（2）装填在活塞圆筒形药室（6）内，发火时产生爆燃气体产物（5）推动活塞（3）运动做功，台阶式活塞（3）包含三段不同直径圆柱，大径部分设有圆筒形装药室（6），其直径为2.2mm，高为1.0～1.5mm，中径部分的高度取决于活塞的最大行程要求，直径为0.83～0.95，高度1.5～2.5mm，推力不小于30N，取决于药量和克服中径止推力，小径部分与管壳（4）底部过盈配合装配同时起传力和密封作用，直径为0.7～0.8mm，高为0.6～0.8mm，管壳（4）起密封、支撑和连接内部元件作用，其外径为2.4～2.6mm，高为4.5～5.5mm，装配关系如下：电热敏感做功药（2）装填在活塞（3）的圆筒形药室（6）内，活塞（3）小直径部分插入到管壳（4）底部通孔中，最后将发火组件（1）装入管壳（4）内并进行收口、涂密封胶密封，将活塞（3）锁定在装配初始位置，实现活塞作动前的止推功能。半导体桥发火组件（1）直径为Ф2.2mm，高度为1.0～1.2mm，包括半导体桥换能元芯片（7）、不对称陶瓷电极塞（8）和电热敏感发火药（9）组成，不对称陶瓷电极塞（8）的梯形凹槽短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，电热敏感发火药为超细结晶球形三硝基间苯二酚铅。作动前，活塞（3）受到管壳（4）输出端过盈配合部分的限制不能移动，实现活塞（3）作动前的止推功能；作动后，电热敏感做功药（2）产生的爆燃气体产物（5）推动活塞（3）克服过盈配合部分对活塞（3）中径的阻力，推动安全锁或隔爆机构移动到解锁位置，在管壳（4）侧壁挤压产生的摩擦力作用下，活塞（3）锁定在解锁位置，实现活塞推出作功后的止退功能。

本发明专利与现有技术相比，其显著优点是：火工驱动的活塞式微作动器具有结构尺寸小、推力和推程较高、发火电压低、抗静电抗射频能力好等特点，能满足微机电系统电性能和小型化要求。与传统的以桥丝为发火组件的作动器相比，发火能量更小、作用时间更快，采用半导体桥发火组件的微作动器可用于替代敏感型桥丝式作动器的使用场合，而抗静电抗射频能力又显著提高；同时保持了半导体桥的制作工艺、发火特性的优点，并且在低发火电压低电能输入条件下发火可靠性好、作用迅速，且抗电磁安全性良好。

本发明专利的技术效果是，相对于传统作动器结构和尺寸，采用台阶式和圆筒形药室的活塞设计，可以节省空间设计尺寸，在强度要求相同的条件下可以最大限度的减小微作动器尺寸，采用直径Ф2.2mm半导体桥发火组件降低了发火能量、提高安全电流和缩短作用时间等。通过以上低能半导体桥换发火组件、台阶式和圆筒形药室活塞、电热敏感发火药等参数组合设计，实现了尺寸小型化、低电压可靠点火、做功能力高、又具有较好的抗静电抗射频性能等要求，微作动器的性能达到外形尺寸不大于Ф2.5×5mm，推力不小于30N，推程不小于2mm，最小全发火电压为3.83V（10μF），发火能量为0.074mJ，安全电流为不小于200mA，能够满足微机电系统对活塞式微作动器的设计要求。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是典型活塞式推冲器结构

图2是改进后的小口径武器的MEMS引信安保机构

图3是火工驱动的活塞式微作动器作动前的结构示意图。

图4是半导体桥发火组件结构示意图。

图5是台阶式活塞结构示意图。

图6是火工驱动的活塞式微作动器作动后结构示意图。

具体实施方式

结合图3-4，一种火工驱动的活塞式微作动器主要包括：半导体桥发火组件（作为引燃电热敏感发火药）、电热敏感做功药（提供动力能源）、台阶式活塞（动力执行元件）、管壳等，半导体桥发火组件包括半导体桥换能元、不对称陶瓷电极塞和少量电热敏感发火药组成，将半导体桥换能元固定在不对称陶瓷电极塞梯形凹室中，键合引线后装填少量电热敏感发火药制成发火组件，活塞圆筒形药室装填一定量的电热敏感做功药后将活塞小直径部分插入到管壳底部通孔中，最后将发火组件装入管壳内并进行收口、涂胶密封，将活塞锁定在装配初始位置，实现活塞作动前的止推功能。

结合图5，活塞为台阶式，其中包含三段不同直径圆柱，大直径部分设有圆筒形药室，高度为1.5mm，中直径部分的高度决定最大推程，长度2.5mm，推力不小于30N，小直径起止推作用，长度为0.6mm。

结合图6，火工驱动的活塞式微作动器的发火组件在接收点火电能指令引燃电热敏感做功药，并释放出强大的爆燃气体产物推动活塞克服过盈配合部分对活塞中径的阻力而沿轴向运动，实现化学能转化为活塞运动的机械能，推动安全锁或隔爆机构移动到解锁位置（如解除保险），在管壳侧壁挤压产生的摩擦阻力作用下，活塞被锁紧在解锁位置，实现活塞微作动后的止退功能。实现了尺寸小型化、低电压可靠点火、做功能力高、又具有较好的抗静电抗射频性能，微作动器的性能达到外形尺寸可以不大于Ф2.5×5mm，推力不小于30N，推程不小于2mm，最小全发火电压为3.83V（10μF），发火能量为0.074mJ，安全电流为不小于200mA，能够满足微机电系统安全机构解除保险用活塞式微作动器要求，具有良好的应用前景。

Claims

1.一种火工驱动的活塞式微作动器，其特征是：包括半导体桥发火组件（1）、电热敏感做功药（2）、台阶式活塞（3）、管壳（4），发火组件（1）用于引燃电热敏感做功药（2），采用管壳收口涂胶密封方式与管壳（4）密封连接，电热敏感做功药（2）装填在活塞圆筒形药室（6）内，发火时产生爆燃气体产物（5）推动活塞（3）运动做功，台阶式活塞（3）包含三段不同直径圆柱，大径部分设有圆筒形装药室（6），其直径为2.2mm，高为1.0～1.5mm，中径部分的高度取决于活塞的最大行程要求，直径为0.83～0.95，高度1.5～2.5mm，推力不小于30N，取决于药量和克服中径止推力，小径部分与管壳（4）底部过盈配合装配同时起传力和密封作用，直径为0.7～0.8mm，高为0.6～0.8mm，管壳（4）起密封、支撑和连接内部元件作用，其外径为2.4～2.6mm，高为4.5～5.5mm，装配关系如下：电热敏感做功药（2）装填在活塞（3）的圆筒形药室（6）内，活塞（3）小直径部分插入到管壳（4）底部通孔中，最后将发火组件（1）装入管壳（4）内并进行收口、涂密封胶密封，将活塞（3）锁定在装配初始位置，实现活塞作动前的止推功能。

2.根据权利要求1所述的一种火工驱动的活塞式微作动器，其特征是：半导体桥发火组件（1）直径为Ф2.2mm，高度为1.0～1.2mm，包括半导体桥换能元芯片（7）、不对称陶瓷电极塞（8）和电热敏感发火药（9）组成，不对称陶瓷电极塞（8）的梯形凹槽短边长为0.5～0.55mm，长边长为0.6～0.7mm，边高为0.5～0.6mm，槽深为0.6mm，长边位于电极塞对称中心线上或附近，电热敏感发火药为超细结晶球形三硝基间苯二酚铅。

3.根据权利要求1所述的一种火工驱动的活塞式微作动器，其特征是：作动前，活塞（3）受到管壳（4）输出端过盈配合部分的限制不能移动，实现活塞（3）作动前的止推功能；作动后，电热敏感做功药（2）产生的爆燃气体产物（5）推动活塞（3）克服过盈配合部分对活塞（3）中径的阻力，推动安全锁或隔爆机构移动到解锁位置，在管壳（4）侧壁挤压产生的摩擦力作用下，活塞（3）锁定在解锁位置，实现活塞推出作功后的止退功能。