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【兆恒機(jī)械】MEMS技術(shù)在軍用設(shè)備中的應(yīng)用

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  • 添加日期:2021年04月30日
軍事領(lǐng)域是MEMS技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一,對(duì)推動(dòng)MEMS技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展起到了重大作用。當(dāng)前,世界各國(guó)都非常重視MEMS技術(shù)在軍用設(shè)備中應(yīng)用的研究。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)把MEMS技術(shù)確認(rèn)為美國(guó)急需發(fā)展的新興技術(shù),并資助了大量MEMS項(xiàng)目,大力發(fā)展小型慣性測(cè)量裝置、微全分析系統(tǒng)、RF傳感器、網(wǎng)絡(luò)傳感器、無(wú)人值守傳感器等項(xiàng)目,應(yīng)用于單兵攜帶、戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、毒氣以及細(xì)菌檢測(cè)、武器安全、保險(xiǎn)和引信、彈道修正、子母彈開(kāi)倉(cāng)控制、超低功率無(wú)線(xiàn)通訊信號(hào)處理、高密度低功耗的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件、敵我識(shí)別系統(tǒng)等方面。MEMS在軍用設(shè)備中的應(yīng)用日漸廣泛和深入。


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1 MEMS技術(shù)對(duì)武器平臺(tái)的優(yōu)化
 
在海上武器應(yīng)用方面,MEMS引信/保險(xiǎn)和引爆裝置已成功地用于潛艇魚(yú)雷對(duì)抗武器上。引信/保險(xiǎn)和引爆裝置的工作包括三個(gè)獨(dú)立步驟:發(fā)射魚(yú)雷后解除炸藥保險(xiǎn)、引爆(引信)和防止在不正確時(shí)間爆炸(保險(xiǎn))。使用鍍有金屬層的硅結(jié)合巧妙的封裝技術(shù),MEMS引爆裝置要比傳統(tǒng)裝置小一個(gè)數(shù)量級(jí),可安裝在6.25英寸的魚(yú)雷上,這是其他技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。在陸地應(yīng)用方面,包括靈活且堅(jiān)固的爆破裝置、發(fā)射裝置和其他使用MEMS慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的武器平臺(tái)。MEMS加速度計(jì)能承受火炮發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的近10.5 g的沖擊力,可以為制導(dǎo)導(dǎo)彈提供一種經(jīng)濟(jì)的制導(dǎo)系統(tǒng),同時(shí)使導(dǎo)彈的可靠性、性能及服務(wù)時(shí)間提高5倍一l0倍,啞彈的數(shù)量減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。MEMS慣性傳感器用于靈巧彈頭和鉆地彈頭中,其抗震能力足以使其能夠做到彈頭鉆入地下后,仍能對(duì)其進(jìn)行制導(dǎo)、控制并引爆。MEMS輪胎壓力傳感器已經(jīng)用在美國(guó)軍隊(duì)裝甲運(yùn)兵車(chē)的輪胎中。
 
在空中應(yīng)用方面,采用MEMS傳感器和致動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的準(zhǔn)確控制,例如對(duì)噴氣引擎的紊流控制。長(zhǎng)期以來(lái),紊流對(duì)航空航天一直是個(gè)問(wèn)題,發(fā)動(dòng)機(jī)中的紊流降低了軸流速度,從而使推力減小,機(jī)翼上的紊流造成飛行拖滯。有了MEMS技術(shù)以后,使得在微觀尺度上對(duì)流體進(jìn)行控制成為可能。其原理就是在特征面上布置微傳感器陣列,探測(cè)流體壓力和溫度的細(xì)小變化,然后通過(guò)控制器讓微致動(dòng)器陣列準(zhǔn)確地對(duì)消這些細(xì)小變化。當(dāng)然同樣的方法也可以完全應(yīng)用在飛機(jī)或?qū)椕善ど希纬伞爸悄苊善ぁ保瑥亩岣唢w行速度和穩(wěn)定性。MEMS技術(shù)還使智能可重構(gòu)外形的機(jī)翼和空間柔性結(jié)構(gòu)成為可能。
 
2 RF—MEMS技術(shù)的軍事應(yīng)用
 
射頻微電子機(jī)械系統(tǒng)(RF.MEMS)是指利用MEMS技術(shù)制作各種用于電子通訊的射頻器件或系統(tǒng),其研究目的是把半導(dǎo)體有源器件、微加工元件和MEMS器件集成到一塊芯片上或微系統(tǒng)上,從而實(shí)現(xiàn)單芯片上的射頻系統(tǒng),使產(chǎn)品集成化、微型化、智能化,成倍提高器件和系統(tǒng)的功能密度、信息密度跟互連密度,大幅度地節(jié)能降耗。
 
現(xiàn)代軍事電子信息系統(tǒng),正朝著綜合化、大容量、多功能、超寬帶的趨向發(fā)展。同一作戰(zhàn)平臺(tái)上往往需要搭載多個(gè)子系統(tǒng),如通信系統(tǒng)、偵察系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、干擾系統(tǒng),這使得擔(dān)負(fù)信息出入口功能的天線(xiàn)數(shù)量也大大增加,從而導(dǎo)致平臺(tái)裝載面減少、重量增加以及電磁兼容性等問(wèn)題。電控可重構(gòu)天線(xiàn)能夠在不改變天線(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的情況下,通過(guò)電控手段改變其關(guān)鍵參數(shù),如工作頻率、方向圖、極化方式等,使一副天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多副天線(xiàn)的功能 j。美國(guó)軍方開(kāi)展的可變波束天線(xiàn)研究,僅用1 Xn的單元實(shí)現(xiàn)n X n的相控陣天線(xiàn)。隨著RF.MEMS開(kāi)關(guān)技術(shù)的成熟,國(guó)內(nèi)外研制的可重構(gòu)天線(xiàn)也開(kāi)始更多地采用RF-MEMS開(kāi)關(guān)。相比其它開(kāi)關(guān),RF.MEMS開(kāi)關(guān)具有低插人損耗、高隔離、線(xiàn)性、寬帶(0.1 GHz~120 GHz)、低功耗等特性 J,并且還能與單片微波集成電路(MMIC)集成。
 
 3 RF—MEMS移相器
 
自1998年N.S.Barker研制了第一個(gè)RF—MEMS移相器以來(lái),目前已有多種RF—MEMS移相器的報(bào)道。RF.MEMS移相器具有較低的插人損耗、寬帶寬、小體積的特點(diǎn)。用RF—MEMS移相器替代傳統(tǒng)的微波移相器,提高了相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信設(shè)備中的抗干擾能力和靈敏度,降低了這些設(shè)備的重量、體積和成本。因此,研究RF—MEMS移相器在軍事上具有重要的意義。
 
基于MEMS技術(shù)的軍用微型機(jī)器人
 
美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室,早在2O世紀(jì)90年代,就開(kāi)發(fā)出一種直徑為400m的齒輪。其后,諸多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)利用MEMS技術(shù)制造出了各類(lèi)微型馬達(dá)和微型齒輪,這些器件是微型機(jī)器人的基本單元,催生了微型機(jī)器人的誕生。微型機(jī)器人是基于MEMS技術(shù),有擬人功能,代替人完成任務(wù)的光機(jī)電一體化系統(tǒng),尺寸一般很小,可自主、半自主或人工遙控工作。根據(jù)體積可分為厘米、毫米和微米尺寸機(jī)器人,有一定智能,可在微空問(wèn)進(jìn)行可控操作或采集信息,其最突出的優(yōu)點(diǎn)是能執(zhí)行常人無(wú)法完成的任務(wù),而且可批量、廉價(jià)制造。美國(guó)研制的一種可探測(cè)核生化戰(zhàn)劑的微型機(jī)器人,只有幾毫米大小。還有一種構(gòu)想中的“黃蜂”微型機(jī)器人,只有幾十毫克重,可攜帶某種極小彈頭,能?chē)娚涑龈g液或?qū)щ娨海魯撤窖b備的關(guān)鍵電子部件。美國(guó)五角大樓認(rèn)為軍用微型機(jī)器人的發(fā)展將有可能改變下一世紀(jì)的戰(zhàn)場(chǎng)。
 
“智能塵埃”是微型機(jī)器人的一種,它由微處理器、無(wú)線(xiàn)電收發(fā)裝置和使它們能夠組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的軟件共同組成。將這類(lèi)微塵散放在一定范圍內(nèi),它們就能夠相互定位,收集數(shù)據(jù)并向基站傳遞信息。近幾年,由于硅片技術(shù)和生產(chǎn)工藝的突飛猛進(jìn),集成有傳感器、計(jì)算電路、雙向無(wú)線(xiàn)通信模塊和供電模塊的微塵器件的體積已經(jīng)縮小到了沙粒般大小,但它卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。未來(lái)的智能塵埃甚至可以懸浮在空中幾個(gè)小時(shí),向相關(guān)作戰(zhàn)人員提供實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)信息,包括通過(guò)有人和無(wú)人駕駛的地面車(chē)輛、無(wú)人駕駛飛機(jī)、空中、海上及衛(wèi)星中得到的高分辨率數(shù)字地圖、三維地形特征、多重頻譜圖形等信息。系統(tǒng)軟件將采用預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)解讀傳感器的內(nèi)容,將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等前后相關(guān)信息,以及由其他傳感器輸入的信息相互關(guān)聯(lián),從而為交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)提供諸如開(kāi)火、甲車(chē)的行動(dòng)以及爆炸等觸發(fā)傳感器的真實(shí)事件的實(shí)時(shí)信息。

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4 基于MEMS技術(shù)的軍用微型飛行器
 
微型飛行器(Micro Aerial Vehicle,MAV)的概念是由美國(guó)于20世紀(jì)90年代最先提出的,由于其具有特殊的用途而倍受關(guān)注。微型飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)中的微型地平儀、微型高度計(jì),導(dǎo)航系統(tǒng)中的微型磁場(chǎng)傳感器和微型加速度計(jì)、微陀螺儀等,飛行控制系統(tǒng)中的微型空速計(jì)、微型舵機(jī)等,在微型飛行器上應(yīng)用的微型攝像機(jī)、微型通訊系統(tǒng)等,都需要MEMS技術(shù)的支持,以減少體積和重量,改善飛行器的性能。微型飛行器具有導(dǎo)航及通信能力,可用手?jǐn)S、炮射或飛機(jī)部署,具有偵察成像、電磁干擾等作戰(zhàn)效能,被認(rèn)為是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的重要偵察和攻擊武器,具有價(jià)格低廉、便于攜帶、操作簡(jiǎn)單、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。
 
目前,微型飛行器的研究主要集中在美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家,正在研究的MAV主要有三種,一種是像飛機(jī)一樣的固定翼式,第二種是跟昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)一樣的撲翼式,第三種是跟直升機(jī)一樣的旋翼式。美國(guó)MLB公司研制出翼展為45 cm的微型飛行器Bat,該機(jī)飛行時(shí)問(wèn)20 min,飛行速度大約為64 km/h,飛行高度457 m;德國(guó)的IMM公司已經(jīng)研制出了一種直徑1.9ms、長(zhǎng)度5.5 ms、重量91 mg、最大轉(zhuǎn)速達(dá)l0萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘的微型電機(jī),同時(shí)利用這種微型電機(jī)制成了一架串列式雙旋翼的微型試驗(yàn)直升機(jī);日本東京大學(xué)的毫米級(jí)微型飛行機(jī)器人能在交變磁場(chǎng)中扇動(dòng)翅膀;印度、澳大利亞等國(guó)家也都在研制不同用途的微型飛行器。現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上,已經(jīng)能見(jiàn)到微型飛行器的身影。在阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上,美軍已開(kāi)始使用一種名為“微星”的微型飛行器進(jìn)行情報(bào)收集,海軍陸戰(zhàn)隊(duì)士兵可以通過(guò)便攜式電腦操縱“微星”,可偵察前方5 km的情況。
 
5 基于MEMS技術(shù)的軍用微納衛(wèi)星
 
微納衛(wèi)星通常指質(zhì)量小于100 kg,具有實(shí)際使用功能的衛(wèi)星。它是基于微電子技術(shù)、MEMS技術(shù)、微光電技術(shù)等技術(shù)發(fā)展起來(lái)的,體現(xiàn)了航天器微小化的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)衛(wèi)星質(zhì)量,10 kg~100 kg的衛(wèi)星稱(chēng)為微型衛(wèi)星(microsat),1 kg一10kg的衛(wèi)星稱(chēng)為納米衛(wèi)星(nanosat),0.1 kg~1 kg的稱(chēng)為皮衛(wèi)星(picosat),0.1 kg以下的稱(chēng)為飛衛(wèi)星(femtosat)。微納型衛(wèi)星具有功能密度與技術(shù)性能高、投資與運(yùn)營(yíng)成本低、靈活性強(qiáng)、系統(tǒng)建設(shè)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn),受到了航天、軍事、工業(yè)以及研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注,成為各國(guó)軍方都非常重視的航天技術(shù)發(fā)展方向之一。2002年2月7 H,由DARPA出資,Aerospace公司生產(chǎn)的兩顆繩系皮衛(wèi)星從近地球軌道上的“母”衛(wèi)星O.PAL(Orbiting Automated Picosat Launcher)上送入太空。此次試驗(yàn),驗(yàn)證了MEMS技術(shù)在太空中的穩(wěn)定性及可靠性,對(duì)促進(jìn)MEMS技術(shù)在微納型衛(wèi)星上的應(yīng)用及發(fā)展起到重要作用。由于微納型衛(wèi)星具有低軌道、信號(hào)損耗小、機(jī)動(dòng)靈活、抗毀性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),很適合于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)視、偵察、目標(biāo)定位、通信中繼等。
 
作為未來(lái)高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的“殺手锏”,在建立以衛(wèi)星為核心的C I(指揮、控制、通信、計(jì)算機(jī)和情報(bào))一體化系統(tǒng)、提高戰(zhàn)術(shù)武器的隱蔽性、突防能力等方面,微小衛(wèi)星有極大的需求背景。而由微小衛(wèi)星構(gòu)成“衛(wèi)星攻防系統(tǒng)”更是能有效的防止敵國(guó)反衛(wèi)星武器攻擊。皮衛(wèi)星可以與主衛(wèi)星組成網(wǎng)絡(luò),相互協(xié)同運(yùn)行,當(dāng)敵方反衛(wèi)星武器進(jìn)行攻擊時(shí),皮衛(wèi)星可以為主衛(wèi)星發(fā)送信息,使主衛(wèi)星及時(shí)采取措施,免遭攻擊;皮衛(wèi)星還可以誘惑、吸引敵方反衛(wèi)星武器,保護(hù)主星;皮衛(wèi)星也可用做反反衛(wèi)星武器,對(duì)敵方反衛(wèi)星武器進(jìn)行攔截。
 
目前,全世界范圍內(nèi)眾多研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行新一代微納衛(wèi)星的研制,比如Dartmouth學(xué)院的Thayer工程系的學(xué)生研制的DARTSat,加州工學(xué)院研制的PloySat,臺(tái)灣NSPO(National Space Program Office)研制的YamSat,都相當(dāng)具有代表性。
 
信息、信息處理和通信網(wǎng)絡(luò)是每一次軍事活動(dòng)的核心。縱觀歷史,軍隊(duì)統(tǒng)帥都將“信息優(yōu)先權(quán)”視為勝利的關(guān)鍵。基于MEMS技術(shù)制造的各類(lèi)微型傳感器、微型飛行器、微型機(jī)器人和微納衛(wèi)星可以快速、準(zhǔn)確并且廣泛地收集沖突區(qū)域信息,能給軍隊(duì)統(tǒng)帥提供準(zhǔn)確、全面的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)。同時(shí),MEMS技術(shù)也能使武器平臺(tái)更靈敏、更準(zhǔn)確并且更具殺傷力。所以,MEMS技術(shù)是未來(lái)軍用武器裝備中的支撐技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。在軍事領(lǐng)域中迅速應(yīng)用MEMS技術(shù)將是保持軍隊(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)、維護(hù)國(guó)家安全的重要戰(zhàn)略。