中 北 大 学

1 MEMS安全系统的结构形式
MEMS安全系统是平面结构，根据安装安全系统的基板与弹轴的相对位置，可将安全系统的结构形式分为平行基板式和垂直基板式两种结构形式对于平行基板式安全系统，由于基板的厚度小，因此无法采用传统的雷管装在滑块中的隔离机构，目前采用的是隔离爆轰通道式的隔离机构，即平时利用滑块将雷管与导爆药的爆轰通道阻断，解除隔离后，将通道打开。垂直基板式MEMS安全系统采用的是同样的隔离形式。只有在雷管的厚度小于滑块的厚度时，才能够采取将雷管装在滑块上的隔离模式[9]。
[15]李强.枪炮弹道学基础.中北大学出版社.2009
毕业设计开题报告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
1.本课题所研究的问题
MEMS技术具有在尺寸、质量、性能方面的优势，因此，MEMS在引信中的应用成为必然趋势。本毕业设计就是对引信微机电安全系统进行设计与分析。首先研究MEMS引信安全保险装置的结构及组成，并对MEMS安全保险装置中关键部件进行研究设计。
中北大学
毕业设计开题报告
学生姓名：
学号：
学院、系：
机电工程学院、机电控制工程系
专业：
探测制导与控制技术
设计题目：
引信微机电安全系统设计与分析
指导教师:
2010年03月05日
毕业设计开题报告
1．结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：
文献综述
随着科学的进步，高新技术在引信上的不断应用，现代战争从某种意义上来说是科技水平的较量，是高科技的战争。战争作战环境日益复杂，对武器系统的性能提出了更高的要求，要求武器具有智能化、小型化的特点[1]。
[7]曹红松，张亚，高跃飞.兵器概论.北京：国防工业出版社，2008
[8]崔占忠，宋世和.近代引信原理.北京：北京理工大学出版社,1988年8月
[9]安晓红，张亚，顾强.引信设计与应用.北京：国防工业出版社,2006
[10]彭长清.时间引信.北京：国防工业出版社，1988
[11]钱元庆.引信系统概论.北京：国防工业出版社，1984
参考文献：
[1]陈荷娟,黄学功.越来越“聪明”的引信.现代军事，2005
[2]黄峥.重视顶层设计和基础研究,努力推进我国引信技术的发展.西安:《探测与制导学报》编辑部,2007
[3]孙磊，张河，周晓东.一种微机电（MEMS）引信安全系统.《探测与控制学报》第26卷第2期2O04年6月
[4]石庚辰，李华。引信MEMS机构特点研究.《探测与控制学报》2007.5
（3）双环境力保险机构设计
设计一个后坐力解除保险；另一个电延期解除保险。
毕业设计开题报告
指导教师意见：
指导教师：
年月日
所在系审查意见：
系主任：
年月日
[12]景华，牛兰杰，宋永强.小口径榴弹引信微机电安全系统设计与仿真方法.《弹箭与制导学报》第30卷第2期2010年4月
[13]隋丽，石庚辰，穆斌.引信MEMS机构微装配研究.《探测与控制学报》.第30卷第3期2008年6月
[14]周章添.一种高性能机电组合式触发引信.《制导与引信》第24卷第1期2003年3月
信息系统的微型化、多功能化和智能化是人类不断追求的目标，以集成电路为中心的微电子学的飞跃发展，以及新材料、微机械理论、微加工技术的进步，使得微电子和微机械巧妙结合的MEMS得以实现[3]。微型电子机械系统(MEMS)是一个迅速发展的多学科技术交叉的领域，利用半导体加工方法制作的微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件，常常同微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算、控制和执行等功能[4]。MEMS与微电子电路及宏观机械存在着本质区别，强调集成一体与整体的输出特性。传统的小口径武器中以机械为主的触发引信已不能满足未来战场的要求，为提高作战效能，要求设计有定时／定距起爆，以及自毁等多种功能的小口径武器引信。由于小口径武器引信可利用的体积空间非常有限，这就大大增加了设计工作的难度，本文参考国外MEMS技术在引信中的应用，设计出包括微主控制单元、微安全和解除保险机构、微检测机构以及微起爆机构的微型电子机械引信系统[5]。
2 MEMS安全系统的结构特点
引信MEMS安全系统的结构形式不同，其特点也不同，深入分析了解这两种结构的不同特点，可使我们在进行引信MEMS安全系统设计时，能够扬长避短，合理地确定其结构形式[10]。
2.1垂直基板式MEMS安全系统
基于MEMS加工技术的特点，基板和零件的厚度比较小(单层基板的厚度小于l mm)，而其平面尺寸可以相对较大，因此，对于这种结构形式的MEMS安全系统，其机构的运动位移在平行于弹轴方向的位移较大，而在垂直于弹轴方向的位移较小。利用结构特点，可以很方便地利用后坐力作为解除保险的一道环境力，设计后坐保险机构。对于旋转弹，还可以利用离心力作为解除另一道保险的环境力，同时，离心力还可以作为其他机构，如驱动钟表机构和离心滑块运动的原动力。在垂直基板式MEMS安全系统中，其传爆序列中的雷管、导爆管和传爆管的轴线都垂直于弹轴，这与传统的传爆序列的布局有所不同。这种布局对于需要双向起爆的弹药比较有利，如美国的理想单兵武器系统20mm高爆榴弹系统，安装于弹丸中部、两端装药的作用方式，能提高装药量，增加弹丸的杀伤威力。引信作用时，给微型火工品一个发火信号，微型火工品的爆轰波一部分引爆弹头战斗部装药，一部分引爆弹尾战斗部装药[11]。
3国内外MEMS引信状况
国外在微型电子机械系统技术领域起步较早，多项研究成果已成功地应用于产品。例如国外某型号MEMS引信系统主要由主控单元、子控制器、分布式安保装置和灵巧起爆装置构成，首先武器信息和解保环境信息通过MEMS传感器或电子逻辑结构等传递给主控单元，主控制单元将信息处理后通过光通路发送给子控制器，由子控制器和分布式安保装置共同作用灵巧起爆装置完成起爆任务。其中MEMS安保机构，通过放大分析，可以看到在解保序列中，共有三个密码锁：密码锁1为联轮系结构，密码锁2为棘爪和棘轮结构，密码锁3为迷宫和销钉结构，其构造与美国桑迪亚国家实验室设计的强链机械解码系统类似。分布式安保装置由主安保部分和从安保部分构成主安保部分中MEMS传感器和安保逻辑机构将外界解保信息交给编码发生器和产生低电压，在由光纤或电缆传递给安保部分中不同位置的灵巧微型雷管[14]。
（1）．要求设计引信微机电安全系统；
（2）．设计引信为全保险型引信；
（3）．具有双环境力保险机构。
2.本课题所拟采用的研究途径：
（1）研究MEMS引信的安全系统的结构与组成如下图：
安全系统构成
（2）全保险型引信设计
微型电雷管安装在隔爆机构上，平时安全状态下电雷管与爆炸序列间不在同一直线上，所以电雷管爆炸后不会引爆后面的爆炸序列爆炸。当解除保险后，隔爆板位置发生改变，使电雷管对准起爆通道。
借鉴国外成功应用MEMS技术的引信产品，利用应用技术成熟的微电子产品，结合当前国内的MEMS加工技术，提出下面用于小口径武器的MEMS引信系统。该MEMS引信是由微传感器、微主控制单元、微安全和解除保险机构、微检测机构以及微起爆机构等部分组成。其中微传感器按实际弹道环境及目标环境物理场的特性，根据不同的信息种类如加速度信息、力类信息、温度类信息、无线电信号类信息等，采用不同的微机电传感器检测。微主控制单元主要由模拟和数字电子电路组成，基本功能是将微传感器采集到的环境信息进行处理，根据要求进行点火控制。微安全和解除保险机构借鉴国外的产品设计和微机械加工LIGA技术来实现的。微检测机构是利用MEMS微光镜技术实现的。微起爆机构主要利用低能起爆的飞片微型雷管(EFI)或电桥微型雷管技术[15]。
引信相当于弹药的大脑和指挥机构，与人的大脑一样起着重要的作用，是弹药最重要的组成部分，其作用是控制弹药的最佳起爆位置或时机。引信技术是武器系统中对高新技术响应速度最快、最敏感的核心技术之一。随着现代武器装备对弹药的性能及毁伤效果要求的不断提高，引信在武器系统中的地位日趋重要。同时，引信技术又是一个集机械、电子、声、光、磁、化学、计算机及其复合技术为一体的多学科、高科技研究领域[2]。
[5]石庚辰，李华.引信MEMS安系统研究.《探测与控制学报》第29卷第6期2007年12月
[6] Tang William C. Military Applications of Microsystems.[J].American Institute of Physics.February,2001,(2):84-91
垂直基板式MEMS安全系统的传爆序列不在一条直线上，爆轰能量的传递需要改变方向，必然带来能量的损失，同时，对单向起爆的弹药引信的结构设计也会带来一些不便[12]。
2．2水平基板式MEMS安全系统
与垂直式MEMS安全系统相比较，水平基板式MEMS安全系统中的机构在垂直于弹轴方向的位移较大，而在平行于弹轴方向的位移较小。水平基板式MEMS安全系统中传爆序列的布局与传统引信相同，对于大多数单向起爆的弹药，导爆药能更好地引爆传爆药，引信的布局可以比较方便合理。在这种结构的安全系统中，可以充分利用离心力(对于旋转弹)作为各个机构运动的动力，如可利用离心力驱动簧片、悬臂梁之类的离心保险机构，也可以驱动钟表机构(远解机构)。对于这种结构形式的安全系统，其最不利的是机构在平行于弹轴方向的位移较小，这会给利用后坐力驱动的后坐保险机构的设计带来许多新问题[13]。
结合当今飞速发展的电子技术，以及MEMS领域的微加工技术，参考国外MEMS技术在引信中的应用设计出的用于小口径武器MEMS引信系统．其中包括微主控制单元、微安全和解除保险机构、微检测机构以及微起爆机构．形成完整的微型电子机械引信结构[6]。
引信MEMS安全系统与传统引信安全系统的功能、要求完全相同，但加工方法的不同，使引信MEMS安全系统与传统引信安全系统在结构形态上有很大的不同[7]。由MEMS加工工艺决定，相传统引信的安全系统，MEMS安全系统零部件的厚度很小，大部分零件位于同一个基片上，其运动基本上也在同一平面上，这和传统引信“积木式”的结构有很大不同。MEMS安全系统整体结构也为平面结构。各零部件在同一个平面上作用，虽然也可采用类似传统引信零部件上下装配以约束形成各种作用，但装配比较困难，有些则无法实现。如现役的子弹引信安全系统，采用串装方式，可利用上一发子弹的药形罩对下一发子弹引信形成一个空间限位闭锁保险，而在子弹引信MEMS安全系统中，由于结构尺寸较小，这种作用方式就很难实现。MEMS安全系统加工技术和加工零件结构形式的特点，引起安全系统的结构形式和设计思路发生了很大的变化，由此产生了许多新的技术问题需要解决[8]。