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【JBO官网机械】MEMS技术在军用设备中的应用

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  • 添加日期:2021年04月30日
  • 军事领域是MEMS技术最早的应用领域之一,对推动MEMS技术的进步和发展起到了重大作用。当前,世界各国都非常重视MEMS技术在军用设备中应用的研究。美国国防部高级研究计划局(DARPA)把MEMS技术确认为美国急需发展的新兴技术,并资助了大量MEMS项目,大力发展小型惯性测量装置、微全分析系统、RF传感器、网络传感器、无人值守传感器等项目,应用于单兵携带、战场实时监测、毒气以及细菌检测、武器安全、保险和引信、弹道修正、子母弹开仓控制、超低功率无线通讯信号处理、高密度低功耗的数据存储器件、敌我识别系统等方面。MEMS在军用设备中的应用日渐广泛和深入。


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    1 MEMS技术对武器平台的优化
     
    在海上武器应用方面,MEMS引信/保险和引爆装置已成功地用于潜艇鱼雷对抗武器上。引信/保险和引爆装置的工作包括三个独立步骤:发射鱼雷后解除炸药保险、引爆(引信)和防止在不正确时间爆炸(保险)。使用镀有金属层的硅结合巧妙的封装技术,MEMS引爆装置要比传统装置小一个数量级,可安装在6.25英寸的鱼雷上,这是其他技术无法实现的。在陆地应用方面,包括灵活且坚固的爆破装置、发射装置和其他使用MEMS惯性制导系统的武器平台。MEMS加速度计能承受火炮发射时产生的近10.5 g的冲击力,可以为制导导弹提供一种经济的制导系统,同时使导弹的可靠性、性能及服务时间提高5倍一l0倍,哑弹的数量减少一个数量级。MEMS惯性传感器用于灵巧弹头和钻地弹头中,其抗震能力足以使其能够做到弹头钻入地下后,仍能对其进行制导、控制并引爆。MEMS轮胎压力传感器已经用在美国军队装甲运兵车的轮胎中。
     
    在空中应用方面,采用MEMS传感器和致动器可实现对流体的准确控制,例如对喷气引擎的紊流控制。长期以来,紊流对航空航天一直是个问题,发动机中的紊流降低了轴流速度,从而使推力减小,机翼上的紊流造成飞行拖滞。有了MEMS技术以后,使得在微观尺度上对流体进行控制成为可能。其原理就是在特征面上布置微传感器阵列,探测流体压力和温度的细小变化,然后通过控制器让微致动器阵列准确地对消这些细小变化。当然同样的方法也可以完全应用在飞机或导弹蒙皮上,形成“智能蒙皮”,从而提高飞行速度和稳定性。MEMS技术还使智能可重构外形的机翼和空间柔性结构成为可能。
     
    2 RF—MEMS技术的军事应用
     
    射频微电子机械系统(RF.MEMS)是指利用MEMS技术制作各种用于电子通讯的射频器件或系统,其研究目的是把半导体有源器件、微JBO官网元件和MEMS器件集成到一块芯片上或微系统上,从而实现单芯片上的射频系统,使产品集成化、微型化、智能化,成倍提高器件和系统的功能密度、信息密度跟互连密度,大幅度地节能降耗。
     
    现代军事电子信息系统,正朝着综合化、大容量、多功能、超宽带的趋向发展。同一作战平台上往往需要搭载多个子系统,如通信系统、侦察系统、定位系统、干扰系统,这使得担负信息出入口功能的天线数量也大大增加,从而导致平台装载面减少、重量增加以及电磁兼容性等问题。电控可重构天线能够在不改变天线机械结构的情况下,通过电控手段改变其关键参数,如工作频率、方向图、极化方式等,使一副天线实现多副天线的功能 j。美国军方开展的可变波束天线研究,仅用1 Xn的单元实现n X n的相控阵天线。随着RF.MEMS开关技术的成熟,国内外研制的可重构天线也开始更多地采用RF-MEMS开关。相比其它开关,RF.MEMS开关具有低插人损耗、高隔离、线性、宽带(0.1 GHz~120 GHz)、低功耗等特性 J,并且还能与单片微波集成电路(MMIC)集成。
     
     3 RF—MEMS移相器
     
    自1998年N.S.Barker研制了第一个RF—MEMS移相器以来,目前已有多种RF—MEMS移相器的报道。RF.MEMS移相器具有较低的插人损耗、宽带宽、小体积的特点。用RF—MEMS移相器替代传统的微波移相器,提高了相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备中的抗干扰能力和灵敏度,降低了这些设备的重量、体积和成本。因此,研究RF—MEMS移相器在军事上具有重要的意义。
     
    基于MEMS技术的军用微型机器人
     
    美国贝尔实验室,早在2O世纪90年代,就开发出一种直径为400m的齿轮。其后,诸多大学和研究机构利用MEMS技术制造出了各类微型马达和微型齿轮,这些器件是微型机器人的基本单元,催生了微型机器人的诞生。微型机器人是基于MEMS技术,有拟人功能,代替人完成任务的光机电一体化系统,尺寸一般很小,可自主、半自主或人工遥控工作。根据体积可分为厘米、毫米和微米尺寸机器人,有一定智能,可在微空问进行可控操作或采集信息,其最突出的优点是能执行常人无法完成的任务,而且可批量、廉价制造。美国研制的一种可探测核生化战剂的微型机器人,只有几毫米大小。还有一种构想中的“黄蜂”微型机器人,只有几十毫克重,可携带某种极小弹头,能喷射出腐蚀液或导电液,攻击敌方装备的关键电子部件。美国五角大楼认为军用微型机器人的发展将有可能改变下一世纪的战场。
     
    “智能尘埃”是微型机器人的一种,它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将这类微尘散放在一定范围内,它们就能够相互定位,收集数据并向基站传递信息。近几年,由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进,集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小,但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能尘埃甚至可以悬浮在空中几个小时,向相关作战人员提供实时或近实时的战场信息,包括通过有人和无人驾驶的地面车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等信息。系统软件将采用预先制定的标准来解读传感器的内容,将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息,以及由其他传感器输入的信息相互关联,从而为交战网络提供诸如开火、甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息。

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    4 基于MEMS技术的军用微型飞行器
     
    微型飞行器(Micro Aerial Vehicle,MAV)的概念是由美国于20世纪90年代最先提出的,由于其具有特殊的用途而倍受关注。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计,导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等,飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等,在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等,都需要MEMS技术的支持,以减少体积和重量,改善飞行器的性能。微型飞行器具有导航及通信能力,可用手掷、炮射或飞机部署,具有侦察成像、电磁干扰等作战效能,被认为是未来战场上的重要侦察和攻击武器,具有价格低廉、便于携带、操作简单、安全性好等优点。
     
    目前,微型飞行器的研究主要集中在美、日、德等发达国家,正在研究的MAV主要有三种,一种是像飞机一样的固定翼式,第二种是跟昆虫和鸟类一样的扑翼式,第三种是跟直升机一样的旋翼式。美国MLB公司研制出翼展为45 cm的微型飞行器Bat,该机飞行时问20 min,飞行速度大约为64 km/h,飞行高度457 m;德国的IMM公司已经研制出了一种直径1.9ms、长度5.5 ms、重量91 mg、最大转速达l0万转/分钟的微型电机,同时利用这种微型电机制成了一架串列式双旋翼的微型试验直升机;日本东京大学的毫米级微型飞行机器人能在交变磁场中扇动翅膀;印度、澳大利亚等国家也都在研制不同用途的微型飞行器。现代战场上,已经能见到微型飞行器的身影。在阿富汗战场上,美军已开始使用一种名为“微星”的微型飞行器进行情报收集,海军陆战队士兵可以通过便携式电脑操纵“微星”,可侦察前方5 km的情况。
     
    5 基于MEMS技术的军用微纳卫星
     
    微纳卫星通常指质量小于100 kg,具有实际使用功能的卫星。它是基于微电子技术、MEMS技术、微光电技术等技术发展起来的,体现了航天器微小化的发展趋势。根据卫星质量,10 kg~100 kg的卫星称为微型卫星(microsat),1 kg一10kg的卫星称为纳米卫星(nanosat),0.1 kg~1 kg的称为皮卫星(picosat),0.1 kg以下的称为飞卫星(femtosat)。微纳型卫星具有功能密度与技术性能高、投资与运营成本低、灵活性强、系统建设周期短、风险小等优点,受到了航天、军事、工业以及研究机构的广泛关注,成为各国军方都非常重视的航天技术发展方向之一。2002年2月7 H,由DARPA出资,Aerospace公司生产的两颗绳系皮卫星从近地球轨道上的“母”卫星O.PAL(Orbiting Automated Picosat Launcher)上送入太空。此次试验,验证了MEMS技术在太空中的稳定性及可靠性,对促进MEMS技术在微纳型卫星上的应用及发展起到重要作用。由于微纳型卫星具有低轨道、信号损耗小、机动灵活、抗毁性能强等优点,很适合于战场环境的监视、侦察、目标定位、通信中继等。
     
    作为未来高技术战争的“杀手锏”,在建立以卫星为核心的C I(指挥、控制、通信、计算机和情报)一体化系统、提高战术武器的隐蔽性、突防能力等方面,微小卫星有极大的需求背景。而由微小卫星构成“卫星攻防系统”更是能有效的防止敌国反卫星武器攻击。皮卫星可以与主卫星组成网络,相互协同运行,当敌方反卫星武器进行攻击时,皮卫星可以为主卫星发送信息,使主卫星及时采取措施,免遭攻击;皮卫星还可以诱惑、吸引敌方反卫星武器,保护主星;皮卫星也可用做反反卫星武器,对敌方反卫星武器进行拦截。
     
    目前,全世界范围内众多研究机构在进行新一代微纳卫星的研制,比如Dartmouth学院的Thayer工程系的学生研制的DARTSat,加州工学院研制的PloySat,台湾NSPO(National Space Program Office)研制的YamSat,都相当具有代表性。
     
    信息、信息处理和通信网络是每一次军事活动的核心。纵观历史,军队统帅都将“信息优先权”视为胜利的关键。基于MEMS技术制造的各类微型传感器、微型飞行器、微型机器人和微纳卫星可以快速、准确并且广泛地收集冲突区域信息,能给军队统帅提供准确、全面的战场情报。同时,MEMS技术也能使武器平台更灵敏、更准确并且更具杀伤力。所以,MEMS技术是未来军用武器装备中的支撑技术和关键技术。在军事领域中迅速应用MEMS技术将是保持军队技术优势、维护国家安全的重要战略。