CN110657721B - 一种内环境自适应小口径弹远距离解保mems安全系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统及方法。本发明的MEMS安全系统包括安全起爆控制系统和MEMS安全机构，在未达到二级解保条件时，安全起爆控制系统对电磁驱动器施加电流产生磁场，对离心隔爆滑块施加拉力使得其相对位置不变；并且安全起爆控制系统控制对电磁驱动器提供的电流大小，使得电磁驱动器温度在最大阈值温度以下；本发明具有内环境自适应的特点，并具有结构尺寸小型化、高可靠性、安全系数高等优势；其次，针对广泛应用电磁驱动器作为保险机构，在使用过程中易产生温度过高的问题，提出了具有温度自适应的MEMS引信安全控制系统，提高了系统工作安全性与可靠性。

Description

一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统及方法

技术领域

本发明涉及小口径弹技术，具体涉及一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统及方法。

背景技术

随着新一代武器向着智能化，小型化的方向发展。作战平台不仅需要满足足够的毁伤威力，还要满足灵巧智能、功能复杂等要求。小口径弹药以其低成本、小型化、低功耗等优势得到大量装配。由于弹药结构的小型化趋势，在保证弹药对目标的高效打击以及毁伤威力的前提下，减少战斗部的装药量是不可行的。因此，引信系统的微型化成为众多研究机构的主要研究方案。目前引信安全系统保险解除主要通过电磁驱动器驱动隔爆滑块运动使传爆序列对正，始发火工品换能元点燃起爆药，进而点燃传爆药最后引爆战斗部对目标进行打击。但是电磁驱动器工作时线圈中电流过高产生电热使环境温度升高，并且由于起爆药的温度感度高，当温度超过一定阈值可能将起爆药误起爆造成引信安全系统可靠性和安全性降低。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统及方法，不仅满足了MEMS引信智能化和小型化的需求，同时又提高了系统作用的安全性与可靠性。

本发明的一个目的在于提出一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统。

小口径弹的微型火工系统包括依次对正的始发火工品换能源、微型起爆药和微型传爆药；本发明的MEMS安全系统安装在始发火工品换能源与微型起爆药之间，其表面垂直于发射方向。

本发明的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统包括：安全起爆控制系统和MEMS安全机构；安全起爆控制系统分别连接至MEMS安全机构以及微型火工系统；其中，MEMS安全机构为关于离心力方向轴对称的结构，包括边框、边框限位槽、后坐隔爆滑块、后坐过载阈值判定机构、后坐限位销、后坐限位槽、离心隔爆滑块、离心限位销、边框悬臂梁、闭锁机构、滑块磁体孔、磁体、电磁驱动器和传爆孔，边框为内部中空的支撑框架，后坐隔爆滑块位于边框内，在边框的内侧边缘与后坐隔爆滑块的外侧边缘之间设置有后坐过载阈值判定机构，后坐过载阈值判定机构的许用应力小于发射过载，边框的前端内边缘设置有边框限位槽，与边框限位槽相对应，在后坐隔爆滑块的前端外边缘设置有形状互补的后坐限位销；后坐隔爆滑块内部中空，离心隔爆滑块位于后坐隔爆滑块内，后坐隔爆滑的前端内边缘设置有后坐限位槽，与后坐限位槽相对应，在离心隔爆滑块的前端边缘设置有形状互补的离心限位销，离心隔爆滑块的底端设置有凹槽，连接边框的底端内边缘的边框悬臂梁设置在凹槽内，边框悬臂梁的侧边缘设置有闭锁机构；边框、后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的中心面位于同一平面内，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于边框的上下表面；在离心隔爆滑块上设置有滑块磁体孔，在滑块磁体孔中设置有磁体，在边框的底端正对滑块磁体孔的位置设置有电磁驱动器；电磁驱动器连接至安全起爆控制系统；在离心隔爆滑块上设置有传爆孔；MEMS安全机构具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，MEMS安全机构处于安全状态，后坐隔爆滑块通过后坐过载阈值判定机构固定，传爆孔与微型火工系统之间错位；当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，后坐隔爆滑块感知到后坐过载，满足一级解保条件，后坐过载阈值判定机构发生断裂，沿离心力方向运动，后坐限位销卡入边框限位槽中固定后坐隔爆滑块的位置；同时，安全起爆控制系统对电磁驱动器施加电流，电磁驱动器产生磁场，对磁铁施加与离心力方向相反并且不小于飞行时的最大离心力的电磁力，对离心隔爆滑块施加拉力使得离心隔爆滑块的相对位置不变；并且安全起爆控制系统实时检测电磁驱动器的温度，并控制对电磁驱动器提供的电流大小，使得电磁驱动器的温度在最大阈值温度以下；当满足二级解保条件时，安全起爆控制系统发送解保指令，电磁驱动器断电，离心隔爆滑块在离心力作用下沿离心力方向运动，离心限位销卡入后坐限位槽中，并且由闭锁机构限定离心隔爆滑块的位置，传爆孔与微型火工系统对正，进入攻击状态；安全起爆控制系统控制微型火工系统起爆。

安全起爆控制系统包括：主控单元、温度自适应控制系统、起爆单元和电源单元；其中，温度自适应控制系统包括温度传感器和控制阈值单元；电源单元分别连接至主控单元和起爆单元，并通过控制阈值单元连接至MEMS安全机构的电磁驱动器，提供工作电压；电磁驱动器连接至温度自适应控制系统的温度传感器，温度传感器连接至主控单元；主控单元还分别连接至温度自适应控制系统的控制阈值单元、起爆单元和电源单元；起爆单元连接至微型火工系统；发射时，主控单元控制电源单元向电磁驱动器提供电流，产生电磁场；同时，温度传感器实时采集电磁驱动器的温度，并将温度传输至主控单元，主控单元将模拟信号转换为数字信号，并与存储的最大阈值温度进行比较，通过控制阈值单元控制电磁驱动器的电流大小，使得电磁驱动器的温度在最大阈值温度以下，并且保持电磁驱动器的电流在最小阈值电流以上；当满足二级解保条件时，主控单元向电源单元发出解保指令，电源单元与电磁驱动器断路，电磁驱动器断电；主控单元发送起爆指令至起爆单元，起爆单元引爆微型火工系统。二级解保条件为小口径弹运动至炮口安全距离以外，保险解除。电磁驱动器的电流在最小阈值电流时，电磁驱动器产生的磁场对磁体的电磁力不小于飞行时的最大离心力的电磁力。

控制阈值单元采用滑动变阻器，如果电磁驱动器的温度大于最大阈值温度，则主控单元控制滑动变阻器的阻值变大，从而减小电磁驱动器的电流；如果电磁驱动器的温度小于最大阈值温度，则主控单元不改变滑动变阻器的阻值，滑动变阻器的阻值使得电磁驱动器的电流大于最小阈值电流即可。

由于微型火工系统的高敏感性，为了防止电磁驱动器中电流使线圈发热引起温度升高而对微型火工系统误起爆，采用温度自适应控制系统，温度传感器时刻监测、采集环境温度，并将温度信息传递给主控单元，当温度大于设定的最大阈值温度时，主控单元控制控制阈值单元增大电阻，使电磁驱动器的电流减小。

安全起爆控制系统包括依次连接的始发火工品换能元、微型起爆药和微型传爆药；其中，始发火工品换能元采用半导体桥，当主控单元发送起爆指令至起爆单元，起爆单元引爆始发火工品换能元产生电爆点燃微型起爆药，进而点燃微型传爆药，能量由始发火工品换能元到微型传爆药逐级放大直到引爆战斗部主装药。

闭锁机构的一侧固定在边框悬臂梁的侧边缘，另一侧刚好接触离心隔爆滑块的侧边缘，闭锁机构为沿离心力方向具有倾斜角的多个尖刺状结构，当离心隔爆滑块沿着离心力方向运动至传爆孔与微型火工系统对正时，尖刺状的闭锁机构限制离心隔爆滑块的运动，只能沿着离心力的方向运动而不能沿相反方向运动。

后坐过载阈值判定机构采用狗骨梁结构，为两端宽中间窄的形状。

MEMS安全机构采用半导体材料，厚度为300～500μm。

后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于边框的上下表面的高度为10～30μm。

本发明的另一个目的在于提供一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统的控制方法。

本发明的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统的控制方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，MEMS安全机构处于安全状态，后坐隔爆滑块通过后坐过载阈值判定机构固定，传爆孔与微型火工系统之间错位；

2)当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，后坐隔爆滑块感知到后坐过载，满足一级解保条件，后坐过载阈值判定机构发生断裂，沿离心力方向运动，后坐限位销卡入边框限位槽中固定后坐隔爆滑块的位置；

3)在点火发射同时，安全起爆控制系统对电磁驱动器施加电流，电磁驱动器产生磁场，对磁铁施加与离心力方向相反并且不小于飞行时的最大离心力的电磁力，对离心隔爆滑块施加拉力使得离心隔爆滑块的相对位置不变；

4)同时，安全起爆控制系统实时检测电磁驱动器的温度，并控制对电磁驱动器提供的电流大小，使得电磁驱动器温度在最大阈值温度以下；

5)当满足二级解保条件时，安全起爆控制系统发送解保指令，电磁驱动器断电，离心隔爆滑块在离心力作用下沿离心力方向运动，离心限位销卡入后坐限位槽中，并且由闭锁机构限定离心隔爆滑块的位置，传爆孔与微型火工系统对正，进入攻击状态；

6)安全起爆控制系统控制微型火工系统起爆。

其中，发射时，主控单元控制电源单元向电磁驱动器提供电流，产生电磁场；同时，温度传感器实时采集电磁驱动器的温度，并将温度传输至主控单元，主控单元将模拟信号转换为数字信号，并与存储的最大阈值温度进行比较，通过控制阈值单元控制电磁驱动器的电流大小，使得电磁驱动器的温度在最大阈值温度以下，并且保持电磁驱动器的电流在最小阈值电流以上；当满足二级解保条件时，主控单元向电源单元发出解保指令，电源单元与电磁驱动器断路，电磁驱动器断电；主控单元发送起爆指令至起爆单元，起爆单元引爆微型火工系统。

本发明的优点：

本发明的MEMS安全系统包括安全起爆控制系统和MEMS安全机构，在未达到二级解保条件时，安全起爆控制系统对电磁驱动器施加电流产生磁场，对离心隔爆滑块施加拉力使得离心隔爆滑块的相对位置不变；并且安全起爆控制系统控制对电磁驱动器提供的电流大小，使得电磁驱动器温度在最大阈值温度以下；本发明具有内环境自适应的特点，从应用于高转速高过载环境的小口径弹引信设计及加工角度来看，具有结构尺寸小型化、高可靠性、安全系数高等优势；其次，针对广泛应用电磁驱动器作为保险机构，在使用过程中易产生温度过高的问题，提出了具有温度自适应的MEMS引信安全控制系统，提高了系统工作安全性与可靠性。

附图说明

图1为本发明的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统的一个实施例的MEMS安全机构的立体示意图；

图2为本发明的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统的一个实施例的MEMS安全机构的正视图；

图3为本发明的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和2所示，本实施例的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统包括：安全起爆控制系统和MEMS安全机构；安全起爆控制系统分别连接至MEMS安全机构以及微型火工系统；其中，如图1和2所示，MEMS安全机构为关于离心力方向轴对称的结构，包括边框1、边框限位槽11、后坐隔爆滑块2、后坐过载阈值判定机构3、后坐限位销21、后坐限位槽、离心隔爆滑块4、离心限位销41、边框悬臂梁42、闭锁机构5、滑块磁体孔6、磁体、电磁驱动器7和传爆孔8，边框1为内部中空的支撑框架，后坐隔爆滑块2位于边框1内，在边框1的内侧边缘与后坐隔爆滑块2的外侧边缘之间设置有后坐过载阈值判定机构3，后坐过载阈值判定机构3的许用应力小于发射过载，边框1的前端内边缘设置有边框限位槽11，与边框限位槽11相对应，在后坐隔爆滑块2的前端外边缘设置有形状互补的后坐限位销21；后坐隔爆滑块2内部中空，离心隔爆滑块4位于后坐隔爆滑块2内，后坐隔爆滑的前端内边缘设置有后坐限位槽，与后坐限位槽相对应，在离心隔爆滑块4的前端边缘设置有形状互补的离心限位销41，离心隔爆滑块4的底端设置有凹槽，连接边框1的底端内边缘的边框悬臂梁42设置在凹槽内，边框悬臂梁42的侧边缘设置有闭锁机构5；边框1、后坐隔爆滑块2和离心隔爆滑块4的中心面位于同一平面内，后坐隔爆滑块2和离心隔爆滑块4的上下表面均低于边框1的上下表面；在离心隔爆滑块4上设置有滑块磁体孔6，在滑块磁体孔6中设置有磁体，在边框1的底端正对滑块磁体孔6的位置设置有电磁驱动器7；电磁驱动器7连接至安全起爆控制系统；在离心隔爆滑块4上设置有传爆孔8。

如图3所示，安全起爆控制系统包括：主控单元、温度自适应控制系统、起爆单元和电源单元；其中，温度自适应控制系统包括温度传感器和控制阈值单元；电源单元分别连接至主控单元和起爆单元，并通过控制阈值单元连接至MEMS安全机构的电磁驱动器，提供工作电压；电磁驱动器连接至温度自适应控制系统的温度传感器，温度传感器连接至主控单元；主控单元还分别连接至温度自适应控制系统的控制阈值单元、起爆单元和电源单元；起爆单元连接至微型火工系统。通过选择电磁驱动器的材料和尺寸，使得电磁驱动器在最小阈值电流时的温度远小于最大阈值温度。

安全起爆控制系统包括依次连接的始发火工品换能元、微型起爆药和微型传爆药；其中，始发火工品换能元采用半导体桥，始发火工品换能元产生电爆点燃微型起爆药，进而点燃微型传爆药，能量由始发火工品换能元到微型传爆药逐级放大直到引爆战斗部主装药。

本实施例中，MEMS安全机构采用硅，厚度为400μm；后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于边框的上下表面的高度为20μm。

本实施例的内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统的控制方法，包括以下步骤：

1)在小口径弹未发射前，MEMS安全机构处于安全状态，后坐隔爆滑块通过后坐过载阈值判定机构固定，传爆孔与微型火工系统之间错位；

2)当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，后坐隔爆滑块感知到后坐过载，产生较大位移，满足一级解保条件，后坐过载阈值判定机构发生断裂，沿离心力方向运动，后坐限位销卡入边框限位槽中固定后坐隔爆滑块的位置；

3)在点火发射同时，安全起爆控制系统对电磁驱动器施加电流，电磁驱动器产生磁场，对磁铁施加与离心力方向相反并且不小于飞行时的最大离心力的电磁力，对离心隔爆滑块施加拉力使得离心隔爆滑块的相对位置不变；

4)同时，安全起爆控制系统实时检测电磁驱动器的温度，并控制对电磁驱动器提供的电流大小，使得电磁驱动器温度在最大阈值温度以下；

5)当满足二级解保条件，即当小口径弹运动至炮口安全距离以外时，安全起爆控制系统发送解保指令，电磁驱动器断电，离心隔爆滑块在离心力作用下沿离心力方向运动，离心限位销卡入后坐限位槽中，并且由闭锁机构限定离心隔爆滑块的位置，传爆孔与微型火工系统对正，进入攻击状态；

6)安全起爆控制系统控制微型火工系统起爆。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种内环境自适应小口径弹远距离解保MEMS安全系统，小口径弹的微型火工系统包括依次对正的始发火工品换能源、微型起爆药和微型传爆药；所述MEMS安全系统安装在始发火工品换能源与微型起爆药之间，其表面垂直于发射方向，其特征在于，所述MEMS安全系统包括：安全起爆控制系统和MEMS安全机构；安全起爆控制系统分别连接至MEMS安全机构以及微型火工系统；其中，MEMS安全机构为关于离心力方向轴对称的结构，包括边框、边框限位槽、后坐隔爆滑块、后坐过载阈值判定机构、后坐限位销、后坐限位槽、离心隔爆滑块、离心限位销、边框悬臂梁、闭锁机构、滑块磁体孔、磁体、电磁驱动器和传爆孔，边框为内部中空的支撑框架，后坐隔爆滑块位于边框内，在边框的内侧边缘与后坐隔爆滑块的外侧边缘之间设置有后坐过载阈值判定机构，后坐过载阈值判定机构的许用应力小于发射过载，边框的前端内边缘设置有边框限位槽，与边框限位槽相对应，在后坐隔爆滑块的前端外边缘设置有形状互补的后坐限位销；后坐隔爆滑块内部中空，离心隔爆滑块位于后坐隔爆滑块内，后坐隔爆滑的前端内边缘设置有后坐限位槽，与后坐限位槽相对应，在离心隔爆滑块的前端边缘设置有形状互补的离心限位销，离心隔爆滑块的底端设置有凹槽，连接边框的底端内边缘的边框悬臂梁设置在凹槽内，边框悬臂梁的侧边缘设置有闭锁机构；边框、后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的中心面位于同一平面内，后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于边框的上下表面；在离心隔爆滑块上设置有滑块磁体孔，在滑块磁体孔中设置有磁体，在边框的底端正对滑块磁体孔的位置设置有电磁驱动器；电磁驱动器连接至安全起爆控制系统；在离心隔爆滑块上设置有传爆孔；MEMS安全机构具有安全状态和攻击状态；在小口径弹未发射前，MEMS安全机构处于安全状态，后坐隔爆滑块通过后坐过载阈值判定机构固定，传爆孔与微型火工系统之间错位；当点火发射时，小口径弹在发射筒内巨大的膛压作用下，开始产生位移，并在发射筒内膛线的作用下高速旋转，后坐隔爆滑块感知到后坐过载，满足一级解保条件，后坐过载阈值判定机构发生断裂，沿离心力方向运动，后坐限位销卡入边框限位槽中固定后坐隔爆滑块的位置；同时，安全起爆控制系统对电磁驱动器施加电流，电磁驱动器产生磁场，对磁体施加与离心力方向相反并且不小于飞行时的最大离心力的电磁力，对离心隔爆滑块施加拉力使得离心隔爆滑块的相对位置不变；并且安全起爆控制系统实时检测电磁驱动器的温度，并控制对电磁驱动器提供的电流大小，使得电磁驱动器的温度在最大阈值温度以下；当满足二级解保条件时，安全起爆控制系统发送解保指令，电磁驱动器断电，离心隔爆滑块在离心力作用下沿离心力方向运动，离心限位销卡入后坐限位槽中，并且由闭锁机构限定离心隔爆滑块的位置，传爆孔与微型火工系统对正，进入攻击状态；安全起爆控制系统控制微型火工系统起爆；所述安全起爆控制系统包括：主控单元、温度自适应控制系统、起爆单元和电源单元；其中，温度自适应控制系统包括温度传感器和控制阈值单元；电源单元分别连接至主控单元和起爆单元，并通过控制阈值单元连接至MEMS安全机构的电磁驱动器，提供工作电压；电磁驱动器连接至温度自适应控制系统的温度传感器，温度传感器连接至主控单元；主控单元还分别连接至温度自适应控制系统的控制阈值单元、起爆单元和电源单元；起爆单元连接至微型火工系统；发射时，主控单元控制电源单元向电磁驱动器提供电流，产生电磁场；同时，温度传感器实时采集电磁驱动器的温度，并将温度传输至主控单元，主控单元将模拟信号转换为数字信号，并与存储的最大阈值温度进行比较，通过控制阈值单元控制电磁驱动器的电流大小，使得电磁驱动器的温度在最大阈值温度以下，并且保持电磁驱动器的电流在最小阈值电流以上；当满足二级解保条件时，主控单元向电源单元发出解保指令，电源单元与电磁驱动器断路，电磁驱动器断电；主控单元发送起爆指令至起爆单元，起爆单元引爆微型火工系统。

2.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述控制阈值单元采用滑动变阻器，如果电磁驱动器的温度大于最大阈值温度，则主控单元控制滑动变阻器的阻值变大，从而减小电磁驱动器的电流；如果电磁驱动器的温度小于最大阈值温度，则主控单元不改变滑动变阻器的阻值，滑动变阻器的阻值使得电磁驱动器的电流大于最小阈值电流。

3.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述闭锁机构的一侧固定在边框悬臂梁的侧边缘，另一侧刚好接触离心隔爆滑块的侧边缘；所述闭锁机构为沿离心力方向具有倾斜角的多个尖刺状结构，当离心隔爆滑块沿着离心力方向运动至传爆孔与微型火工系统对正时，尖刺状的闭锁机构限制离心隔爆滑块的运动。

4.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述后坐过载阈值判定机构采用狗骨梁结构，为两端宽中间窄的形状。

5.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述MEMS安全机构采用半导体材料，厚度为300～500μm。

6.如权利要求1所述的MEMS安全系统，其特征在于，所述后坐隔爆滑块和离心隔爆滑块的上下表面均低于边框的上下表面的高度为10～30μm。

Images