一种MEMS碰撞开关控制擦地炸发火方法及装置与流程
本发明提供一种破甲弹未中攻击目标落地后的擦地炸发火控制方法及装置，特别涉及利用发射环境力、引信作用信息控制的mems碰撞开关和发火控制电路，属于引信发火控制技术领域。
背景技术：
破甲弹攻击地面装甲目标，不可能百分之百地命中，多数情况下弹丸落于装甲目标附近地面，着落时往往还会出现擦地现象。为了保证破甲弹碰击装甲目标时能够可靠爆炸、落地杀伤随进人员，不仅要求引信具有极高的碰装甲目标触发灵敏度和作用可靠度，还需要有高的落地擦地灵敏度和作用可靠度。针对反装甲武器的破甲弹在落地后发火率低的问题。
早期破甲弹机械引信、压电引信无擦地炸功能，如美国的m509和m412压电引信、中国的电-1和电-2引信。随着装甲防护技术的进一步提高，复合装甲、第三代反坦克武器的相继出现，上世纪九十年代发展了一种利用机电技术的储电式机电引信，代替压电引信，增加了擦地炸功能，如美国m764机电引信、中国的drd系列机电引信。
擦地发火控制装置包括控制开关和发火控制电路。现有破甲弹引信采取两种作用原理的开关控制方法，一种是惯性力开关控制方法，通过置于头部机构内的惯性开关实现，如针刺火帽式、弹簧-质量块式惯性开关；另一种碰撞力开关控制方法，通过位于头部的刚性支撑碰撞开关实现，如带电源控制式、风帽-销状式等多种结构结构的碰合开关。发火控制电路为多个开关控制的模拟电路，包括储能电容器（电源）、短路开关控制电雷管、碰撞开关等元器件。例如，美国m764引信、drd系列储电式机电引信擦地炸装置的碰撞开关，都是“弹簧-质量块式”，落地后直接在地面介质反作用力下闭合，置于头部机构的引信轴（引信轴与弹轴重合）线上。由于只能在偏离引信轴的很小角度内擦地发火，这种擦地炸装置的各向灵敏度一致性、发火性能差，破甲弹引信的小落角擦地炸作用可靠性低。弹丸落地碰击的姿态随意性很大，以上国内外引信头部的刚性支撑碰撞开关存在难以敏感任意方向地面介质反作用力、头部开口使引信结构不密封的问题。
国内外目前关于mems开关的研究较多，利用mems工艺研制多种惯性开关。例如，中国发明专利“一种可识别载荷方位区间的mems万向惯性开关”（专利号：cn107359057a，南京理工大学席占稳等），提出一种质量块可动电极外侧设置多个径向柔性支撑、内侧多个固定电极的并联连接mems惯性开关，可以敏感径向、轴向的惯性力。美国发明专利us8237521b1提出一种质量块可动电极内侧设置一个柔性支撑的多方向敏感mems惯性开关，其外侧（外侧圆）与9个固定电极闭合，构成并联连接的惯性开关，实现径向和轴向多方向敏感加速度作用。这两个例子的mems惯性开关都是采用柔性支撑可动电极、刚性固定电极，专利cn107359057a是在圆环形质量快外侧径向线的延长线上设计了圆柱弹簧支撑，专利us8237521是在圆环形质量快内侧设计了一个阿基米德螺线型盘簧作支撑。如果采用这两种mems惯性开关，那么，弹丸飞行过程中的加速或减速都将使其提早作用，必须设计一个附加安全装置才能保证在落地后作用，这样会造成系统的复杂性、降低发火可靠性。
根据引信总体设计要求，引信擦地发火控制系统只能在弹丸落地后输出发火控制信号，关键是能够顺序控制弹丸只在落地后的碰撞力作用下发火，既保证了弹丸、引信系统飞行中的安全性，又提高了引信落地后的擦地炸发火作用可靠性。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述现有破甲弹引信的头部机构不密封、落地后擦地炸发火率低的不足之处，提供一种利用mems碰撞开关控制发火的方法及装置，可以应用于反坦克破甲弹引信的擦地炸发火控制系统。
本发明所述的一种mems碰撞开关控制擦地发火方法，利用弹丸落地时撞击地面的碰撞力使mems碰撞开关闭合，发火控制电路能够在弹丸未中目标落地后及时、正确地输出发火信号，起爆引信，有效地解决破甲弹引信擦地发火率低问题。采用mems制造工艺和集成电路一体化制造方法，可制成一种擦地炸发火控制系统的专用控制模块。
一种微机械碰撞开关控制装置，包括mems碰撞开关、发火控制电路构成的结构；mems碰撞开关是一个独立的结构，包含mems碰合开关s3和mems落地开关s4，位于头部机构中心的空腔内；发火控制电路和其他机构位于底部机构；弹丸主装药位于头部机构和底部机构中间；引信电源、爆炸序列位于底部机构，用导线将mems碰撞开关、爆炸序列串联于发火控制电路。
所述的mems碰撞开关控制的发火控制电路由引信电源、控制开关d1、充电开关d2、电子开关s1、短路开关s2、mems碰合开关s3、mems落地开关s4、电容器c、爆炸序列中的电雷管组成；其中，mems碰合开关s3、mems落地开关s4并联连接构成mems碰撞开关，位于头部机构中心的空腔内；发火控制电路的其他元器件位于底部机构内，电路中的电雷管是爆炸序列7的第一级火工品，当其上流过电流达到起爆阈值时会发生爆炸；弹丸主装药置于头部机构和底部机构中间，在壳体（也称引信本体）上留有导线的槽或孔（图1中未画出）；头部机构顶端密封。
所述的发火控制电路是一个串联了爆炸序列内电雷管的引信专用发火控制电路，其中，引信电源、电容器ｃ、控制开关d1、充电开关d2构成供电回路；控制开关d1的一端接引信电源正极，另一端接充电开关d2；电容器ｃ正极接充电开关d2，负极接“地”端（通常接引信壳体）；短路开关s2是爆炸序列的电雷管的安全开关，位于底部机构内，控制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号va（对应弹丸出炮口后安全距离位置）；电子开关s1是一个延时开关，其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号vb，vb是一个延时脉冲信号（比va晚出现，对于弹丸出炮口后大于安全距离位置）；s1一端接电容器ｃ负极，另一端接s2与电雷管的并联端。
所述的发火控制电路中的控制开关闭合顺序是：d1、d2、s2、s1、s3或s4。
所述的mems碰撞开关由mems碰合开关s3、mems落地开关s4并联连接构成，是基于mems工艺制造的常开型微机械开关模块；s3和s4结构相同，都是薄层结构，包含方形绝缘衬底、柔性斜支撑动电极、固定电极。柔性斜支撑动电极和固定电极位于方形绝缘衬底中央，其中，固定电极在柔性斜支撑动电极内中心位置。但是作用阈值不同，mems碰合开关s3的闭合阈值高于mems落地开关s4，前者依靠碰装甲时目标反作用力km闭合，而后者依靠落地时地面介质反作用力kl闭合。
所述的发火控制电路涉及的mems碰撞开关，其作用原理与mems惯性开关不同，是利用碰撞目标或落地过程中产生的碰撞力工作的一种开关。根据冲量定理，一个物体碰撞另一物体时受到另一个物体时所受的作用力是碰撞力，属于瞬时力，碰撞力值很大、作用时间极短。因此，本发明将mems碰撞开关设计在引信结构内部，尺寸很小，也有利于引信结构的密封。
所述的柔性斜支撑动电极，包含块形支撑座、柱形弹簧、限位销、质量块、长连接条，材料均为导电金属。其中，质量块是一个有多个平衡孔的圆盘，外圆间隔设计了6个半圆缺口和6个凸起及6个限位销，固定在方形绝缘衬底上，分别对准质量块外圆的半圆缺口，它们起限制质量块大位移运动的作用；共有6个柱形弹簧，其两端分别连接质量块上凸起、块形支撑座，使质量块悬空于方形绝缘衬底上方；块形支撑座固定于方形绝缘衬底上，将其中的一个块形支撑座接一个长连接条，长连接条与发火控制电路的mems碰合开关s3或mems落地开关s4的d端连接。
所述的固定电极包含支撑座、螺旋盘簧、齿形导电环及短连接条，材料均为导电金属。其中，支撑座固定在方形绝缘衬底上，位于质量块的中心，通过螺旋盘簧连接齿形导电环。短连接条与发火控制电路的mems碰合开关s3或mems落地开关s4的e端连接。
所述的mems碰撞开关中心轴与弹轴重合，柱形弹簧不在径向线的延长上，而是斜置于质量块外侧，柱形弹簧中心轴与径向线的夹角为锐角α。设计6个半圆缺口的弧半径85微米，限位销半径为60微米，限位间隙大于径向接触间隙，可以满足限制质量块受到过大冲击时产生过大位移和旋转。齿形导电环的外圆有16个齿，厚为15微米，内圆直径为380微米，与质量块环隙为80微米。螺旋盘簧线宽为10微米、厚为30微米。当mems碰合开关s3或mems落地开关s4的质量块受到碰装甲时目标反作用力km或落地时地面介质反作用力kl作用，则mems碰合开关s3或mems落地开关s4闭合。
特别地，本发明的mems碰撞开关具有明显的时序控制作用特征。利用弹丸飞行的内弹道惯性力、时序特征，提供了一种微机电时序逻辑发火控制装置，具有敏感惯性力、顺序串联控制接电、冗余保险、多信息时序逻辑等优点，解决了发火控制系统的电源、待发状态转换控制问题，实现了安全、待发状态转换的控制，满足破甲弹引信的战术技术指标要求，可以有效避免膛炸、弹道炸事故发生，有利于提高引信的作用可靠性，具有重要的理论价值和工程指导意义。
为此，本发明在继承现役引信主功能和结构要素基础上，提出了一种利用微机械碰撞开关控制的擦地炸发火改进方案，mems碰撞开关灵敏度高、密封在头部机构内，可以敏感多方向落地碰撞力，有利于提高落地擦地发火可靠性。
附图说明：
图1为本发明引信结构示意图；
图2为本发明mems碰撞开关模块控制的发火控制电路原理图；
图3为本发明mems碰撞开关的柔性斜支撑动电极结构示意图；
图4为本发明mems碰撞开关的固定电极结构示意图；
图5为本发明应用弹丸不同的落角前冲加速度曲线；
图6为本发明应用弹丸飞行过程；
图7为本发明mems碰撞开关响应时间-固有频率曲线；
图8为本发明mems落地碰撞开关的冲击加速度-接电时间曲线；
图9为本发明mems碰撞开关固定电极接触的间隙；
图10为本发明在径向xoy平面内电极闭合冲击加速度阈值分布；
图11为本发明柔性斜支撑动电极角度划分示意图；
图12为本发明柔性斜支撑动电极动作示意图。
图中：
1、mems碰撞开关；s3、mems碰合开关；s4、mems落地开关；
2、发火控制电路；21、引信电源；22、电雷管；d1、控制开关；d2、充电开关；c、电容器；s1、电子开关；s2、短路开关；
3、底部机构；
4、弹丸主装药；
5、爆炸序列；
6、头部机构；
7、方形绝缘衬底；
8、柔性斜支撑动电极；81、块形支撑座；82、柱形弹簧；83、限位销；84、质量块；841、半圆缺口；842、凸起；85、长连接条；
9、固定电极；91、支撑座；92、螺旋盘簧；93、齿形导电环；94、短连接条；
x、其他机构；
f1、电源发电后坐力；f2、最大后坐力；f3、炮口处后坐力；va、解除保险信号；vb、延时脉冲信号；km、碰装甲时目标反作用力；kl、落地时地面介质反作用力。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明所述的一种微机械碰撞开关控制擦地发火方法，利用弹丸落地时撞击地面的碰撞力使mems碰撞开关闭合，发火控制电路能够在弹丸未中目标落地后及时、正确地输出发火信号，起爆引信，有效地解决破甲弹引信擦地发火率低问题。采用mems制造工艺和集成电路一体化制造方法，可制成一种擦地炸发火控制系统的专用控制模块。
见图1～图4，一种微机械碰撞开关控制装置，包括mems碰撞开关1、发火控制电路2构成的结构；mems碰撞开关1是一个独立的结构，包含mems碰合开关s3和mems落地开关s4，位于头部机构6中心的空腔内；发火控制电路2和其他机构位于底部机构3；弹丸主装药4位于头部机构6和底部机构3中间；引信电源21、爆炸序列5位于底部机构3，用导线将mems碰撞开关1、爆炸序列5串联于发火控制电路2。
所述的mems碰撞开关1控制的发火控制电路2由引信电源21、控制开关d1、充电开关d2、电子开关s1、短路开关s2、mems碰合开关s3、mems落地开关s4、电容器c、爆炸序列7中的电雷管22组成；其中，mems碰合开关s3、mems落地开关s4并联连接构成mems碰撞开关1，位于头部机构6中心的空腔内；发火控制电路2的其他元器件位于底部机构3内，电路中的电雷管22是爆炸序列7的第一级火工品，当其上流过电流达到起爆阈值时会发生爆炸；弹丸主装药4置于头部机构6和底部机构3中间，在壳体（也称引信本体）上留有导线的槽或孔（图1中未画出）；头部机构6顶端密封。
所述的发火控制电路2是一个串联了爆炸序列5内电雷管22的引信专用发火控制电路，其中，引信电源21、电容器ｃ、控制开关d1、充电开关d2构成供电回路；控制开关d1的一端接引信电源1正极，另一端接充电开关d2；电容器ｃ正极接充电开关d2，负极接“地”端（通常接引信壳体）；短路开关s2是爆炸序列5的电雷管22的安全开关，位于底部机构3内，控制它闭合的信号来自引信系统内的解除保险信号va（对应弹丸出炮口后安全距离位置）；电子开关s1是一个延时开关，其闭合动作的控制信号来自引信系统内的远距离解除保险信号vb，vb是一个延时脉冲信号（比va晚出现，对于弹丸出炮口后大于安全距离位置）；s1一端接电容器ｃ负极，另一端接s2与电雷管（3）的并联端。
所述的发火控制电路中的控制开关闭合顺序是：d1、d2、s2、s1、s3或s4。
所述的mems碰撞开关1由mems碰合开关s3、mems落地开关s4并联连接构成，是基于mems工艺制造的常开型微机械开关模块；s3和s4结构相同，都是薄层结构，包含方形绝缘衬底7、柔性斜支撑动电极8、固定电极9。柔性斜支撑动电极8和固定电极9位于方形绝缘衬底8中央，其中，固定电极10在柔性斜支撑动电极9内中心位置。但是作用阈值不同，mems碰合开关s3的闭合阈值高于mems落地开关s4，前者依靠碰装甲时目标反作用力km闭合，而后者依靠落地时地面介质反作用力kl闭合。
本发明发火控制电路涉及的mems碰撞开关，其作用原理与mems惯性开关不同，是利用碰撞目标或落地过程中产生的碰撞力工作的一种开关。根据冲量定理，一个物体碰撞另一物体时受到另一个物体时所受的作用力是碰撞力，属于瞬时力，碰撞力值很大、作用时间极短。因此，本发明将mems碰撞开关设计在引信结构内部，尺寸很小，也有利于引信结构的密封。
所述的柔性斜支撑动电极8，包含块形支撑座81、柱形弹簧82、限位销83、质量块84、长连接条85，材料均为导电金属。其中，质量块84是一个有多个平衡孔的圆盘，外圆间隔设计了6个半圆缺口841和6个凸起842及6个限位销83，固定在方形绝缘衬底7上，分别对准质量块84外圆的半圆缺口841，它们起限制质量块84大位移运动的作用；共有6个柱形弹簧82，其两端分别连接质量块84上凸起842、块形支撑座81，使质量块84悬空于方形绝缘衬底7上方；块形支撑座81固定于方形绝缘衬底7上，将其中的一个块形支撑座81接一个长连接条85，长连接条85与发火控制电路2的mems碰合开关s3或mems落地开关s4的d端连接。
所述的固定电极9包含支撑座91、螺旋盘簧92、齿形导电环93及短连接条94，材料均为导电金属。其中，支撑座91固定在方形绝缘衬底7上，位于质量块84的中心，通过螺旋盘簧92连接齿形导电环93。短连接条94与发火控制电路2的mems碰合开关s3或mems落地开关s4的e端连接。
所述的mems碰撞开关1中心轴与弹轴重合，柱形弹簧82不在径向线的延长上，而是斜置于质量块84外侧，柱形弹簧82中心轴与径向线的夹角为锐角α。设计6个半圆缺口841的弧半径85微米，限位销93半径为60微米，限位间隙大于径向接触间隙，可以满足限制质量块84受到过大冲击时产生过大位移和旋转。齿形导电环93的外圆有16个齿，厚为15微米，内圆直径为380微米，与质量块84环隙为80微米。螺旋盘簧92线宽为10微米、厚为30微米。当mems碰合开关s3或mems落地开关s4的质量块84受到碰装甲时目标反作用力km或落地时地面介质反作用力kl作用，则mems碰合开关s3或mems落地开关s4闭合。
本发明涉及的kl设计阈值根据弹丸落地时的碰撞力确定，方法如下：
设碰撞力为fｚ，则kl=fｚ。根据庞赛来-萨布斯基经验公式计算fｚ：
见图5，以78式82mm无后坐力炮的破甲弹为例，分别以小落角10°、20°、30°擦地时，仿真得到弹丸落地前冲加速度曲线最大值分别为762.42g、1074.5g、1666.1g，然后将图5加速度曲线积分后就可以得到对应的vx值，通过fｚ计算公式得出碰撞力。引信在外弹道上飞行时引信内的前冲零件会受到一种叫爬行力的惯性力作用，为了确保飞行过程中引信的安全性，按照引信总体设计原则，mems碰合开关s3和mems落地开关s4在爬行力作用下不能闭合。一般地，爬行力只有几十个g，取落角10°的最大前冲加速度762.42g为最大极限值，则可以取加速度阈值为450g，然后根据具体弹丸结构参数，由fx公式求得落地碰撞力阈值，该值就等于kl设计阈值。因此，规定本发明的碰撞力阈值取值条件：爬行力≦碰撞力阈值≦前冲碰撞力。
见图6，弹丸飞行过程。弹丸从发射（0点）到碰击目标一共经历了内弹道、外弹道、碰目标三个阶段。内弹道初始阶段（小于0.5ms时），引信电源1受到弹丸加速运动产生的电源发电后坐力f1作用而开始发电；约在内弹道1～3ms时产生最大后坐力f2使控制开关d1闭合；炮口，后坐力f3使充电开关d2闭合；内弹道末段或外弹道上距离炮口一个安全距离（武器系统规定的安全距离一般大于几十米、小于几百米）以内，其它机构x输出解除保险信号va，使短路开关s2闭合；外弹道上安全距离以远，其它机构x输出延时脉冲信号vb，使得电子开关s1闭合；如果有碰到要攻击的目标，则mems碰合开关s3闭合，若未中攻击目标导致弹丸落地了，则mems落地开关s4闭合。然而，实际上当落角减小到一定程度时会出现跳弹情况，此时的碰撞力持续时间极其短，mems落地开关s4要非常灵敏才能对其作出响应。可见，所述的mems落地开关s4的响应时间是一个关键指标，它直接影响引信擦地炸发火瞬发度。s4的响应时间是指mems落地开关s4受到kl后电极动作到完全闭合的时间，kl的幅值和脉宽、模块固有频率、mems落地开关s4电极位移等参数影响响应时间，响应时间短则引信瞬发度就高。
见图7，mems落地开关s4响应时间与机构固有频率的关系。设kl的设计阈值脉宽0.6μs，系统固有频率1666.7hz时，计算得到电极位移30～60μm（间隔10μm）的响应时间分别为274～439μs。因此，取mems碰撞开关1的理论固有频率为1.5khz、电极位移55μm，对应的理论响应时间为400μs。
见图8，不同冲击加速度与mems落地开关s4的接电时间关系曲线。质量块84电极受到平面上的径向碰撞力时，满足冲量定理，设弹丸碰撞土地时的碰撞反力为
见图9、图10，分别是固定电极9接触间隙和径向xoy平面内电极闭合冲击加速度阈值分布。所述的mems碰撞开关1电极闭合力阈值取决于各方向的系统刚度。当
见图11、图12，分别是本发明所述柔性斜支撑动电极8角度划分和动作示意图。以开关俯视图为基准，右侧为x轴方向，上侧为y轴方向，将质量块84的径向运动平面划分为12个区域。弹丸落地时柔性斜支撑动电极8会受到径向碰撞力，当此碰撞力值大于kl设计阈值，则质量块84在柱形弹簧82的牵引下会在径向平面内发生移动，与固定电极9中的齿形导电环93接通而导电。
应用本发明时，弹丸在内弹道阶段，由位于底部机构3的其它机构x输出f1，激发引信电源1发电；在内弹道最大膛压时刻其它机构x输出f2（远远大于f1），使发火控制电路2的控制开关d1闭合；炮口，其它机构x输出f3（远远小于f2），使充电开关d2闭合，此时电路导通，则电容器c立即充电到要求的电压值（一般起爆电压为12～25v）。弹丸飞离炮口，到达一个安全距离（由战术技术指标规定的距离，一般为几十到几百米）时，其它机构x输出va，使短路开关s2断开，解除电雷管22的短路状态，但此时因电子开关s1未闭合，即使mems碰合开关s3和mems落地开关s4闭合，也不会使电路导通、电容器c放电，那么，电雷管22上不会由电流流过，电雷管22不会爆炸，故引信和弹丸是“安全”的。弹丸飞行到远距离解除保险距离时，引信其它机构x信号vb，电子开关s1闭合，一旦mems碰合开关s3和mems落地开关s4闭合，则电路导通、电容器c放电，电雷管22完成了“安全”到“待发”状态的转换。碰目标或落地阶段，弹丸碰到被攻击的装甲目标或落地时，碰装甲时目标反作用力km或落地时地面介质反作用力kl使mems碰合开关s3和mems落地开关s4闭合，电雷管（3）上就有电流流过并立即爆炸，完成引爆引信、弹丸。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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