MEMS技术在灵巧武器系统中的应用

《无人武器与灵巧武器导论结课论文》——MEMS技术在灵巧武器系统中的应用《MEMS技术在灵巧武器系统中的应用》摘要本文对灵巧武器系统的发展现状进行了简介。通过对其低成本、小型化、高可靠性的发展趋势的分析，简要介绍了MEMS技术在其未来产品中的应用前景。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，并在航空、航天、军事等人们所接触到的几乎所有领域中都有着十分广阔的应用前景。它是未来军用武器装备中的支撑技术和关键技术。通过描述MEMS系统的特点，介绍了基于MEMS技术的一系列广泛应用于灵巧武器系统的传感器。并展示了MEMS技术在当今先进灵巧武器系统中的应用以及灵巧武器系统基于MEMS技术的未来发展趋势。关键词：灵巧武器MEMS技术MEMS传感器引信1．引言“灵巧武器”这一名词首先用于70年代初期美国空军的激光和电视制导炸弹，以区别于一般“笨拙的”炸弹。从那时起，这个名词便广泛应用。灵巧武器指能以最少的外部支援捕获和攻击目标的武器，凡具有某种程度自主制导能力的“智能”武器几乎均可以称为灵巧武器。近十年来，这类武器的重要性与日俱增，各国已投入相当大份额的防务预算来进行研制。微小型化始终是当代科学技术发展的重要方向，MEMS技术的出现及迅速发展不仅使计算机与信息技术等领域面貌一新，而且在军事领域特别是灵巧武器系统领域启发了一场微小型化的革命。MEMS技术指微系统或微电子机械系统，是20世纪80年代末在成熟的微电子设计和加工技术的基础上发展起来的一种新兴技术。它结合了机械可动和大规模、低成本微电子加工的优点，在微小尺度上实现了与外界电、热、光、声、磁、流信号的相互作用。MEMS的出现一方面是随着现代科学技术的发展,包括机械、电子、军事、医学、航天航空等领域的日益增长,对其各自产品及系统的要求越来越高,其中主要包括对其产品的小型化、智能化、集成化等要求；另一方面,自20世纪60年代以来,微电子技术渗透到机械工程各个领域,机电一体化为机械装置在系统结构和性能方面都带来了革命性变化,也大大地促进了机械装置微型化以及MEMS技术的发展。自20世纪80年代后期以来,MEMS发展成为了一种面向21世纪的重要军民两用技术,被认为是继微电子之后的又一个对国民经济和军事有重大影响的技术领域,并正在成为新世纪国民经济的新增长点和提高军事能力的重要技术途径,因而具有重大的经济与军事意义及广泛的应用前景。MEMS的优点决定了其在灵巧武器系统领域的地位，使灵巧武器的研发越来越依赖于MEMS技术。2．MEMS技术在灵巧武器中的应用灵巧武器从背景中区分目标，并将武器导向目标，精确制导使武器散步小、精度高。美国军事系统设计正在使越来越多的导弹与弹药“灵巧化”，以减少弹药的尺寸和成本，提高远程攻击精度和杀伤力，增强系统稳定性与安全性为主的灵巧武器越来越依赖于MEMS技术。MEMS最初研究主要是以军事应用为目的。因而，军事领域是MEMS技术最早的应用领域。大量采用微米、纳米和为系统器件来改进武器性能已成为发展新型高科技武器装备的研究方向。MEMS技术在灵巧武器方面的应用范围随着其技术的发展而日益扩大，如惯性测量、弹药分布式感测及控制与信息技术等领域。下面将对MEMS在灵巧武器领域中的应用进行讨论。2.1MEMS惯性传感器简介完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度的提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。飞航导弹的控制系统一般采用自动驾驶仪或惯性导航系统两种形式，而这两种系统均大量采用惯性传感器，其中自动驾驶仪的惯性传感器为陀螺仪，惯性导航系统的惯性传感器为加速度计和陀螺仪。采用MEMS惯性传感器或惯性测量系统可以在一定程度上减低成本、减小体积、提高性能并降低功耗。2.1.1微型加速度计加速度计阵解算法是通过适当安排加速度计在弹丸内部的测量位置和方向，得到弹丸运动过程中的位置和姿态。随着MEMS技术的成熟发展，已经能够实现高动态范围MEMS设备的研制。以MEMS技术大量制作的加速度计成本较低，适合于大量装备。其精度已能满足战略导弹的应用要求。MEMS石英振飞航导弹梁式加速度计已经应用于战术武器的中段制导。Sunder-Strand公司研制的振梁式加速度计，已发展成各种专门用途的设计型号，其战术级是第一个标准生产线产品，其RBA-500主要应用于战术导弹和智能炸弹的制导系统。法国国家航空航天研究院在法国武器装备部的资助下，也开发了一种成为振动惯性加速度计的微机械石英振梁式加速度及VIA。该加速度计采用整体式传感器结构，结合石英优异的机械特性，可获得非常好的标度因数稳定性，优化设计的传感器结构使传感器安装面与振动部件有效隔离，非常有利于偏置的稳定性。2.1.2微型陀螺仪陀螺仪是惯性器件之一，由于陀螺在任何环境下都具有自主导航能力的特性，被广泛应用于航海、航空、航天、军事等领域。陀螺仪采用固封技术来抵抗发射过载，热电池为陀螺仪提供能量，使其在整个弹道飞行中保持工作状态。目前，国外研制了一些用于军事的微机械陀螺。主要包括：BEI公司生产出的QRS11微型陀螺仪是一种高性能的单轴、固态石英音叉微机械振动陀螺仪；波音公司的空间系统分部和喷气推进实验室研制出的两种微机械陀螺；英国BASE公司研制的一种电磁驱动振动环式微机械脱落，该产品的偏置性较高，并已经应用于英军的垂直发射海狼导弹，中程反坦克导弹及美军的超远程制导炮弹。2.1.3MEMSINS和MEMSIMU惯性导航技术是一种不依赖于外部信息，又不向外部发送信息的自主式导航装置，具有很好的隐蔽性和自主性。在弹道修正导弹的应用上，主要依靠MEMS技术来实现。其小尺寸、多样化的特点有利的模糊了复杂机械系统和集成电子器件之间的差异，不仅具有信息转换功能，而且具有自检、自校、量程转换、远程在线设定和无线通讯等职能化功能，更能适应多种弹道测量和控制的需要。国外一些主要研究惯性器件的研究中心在MEMSIMU和MEMSINS方面开展了大量研究，并取得了一定的研究成果。瑞典研究所研制的第二代MEMSINS的体积为49,其IMU的陀螺和加速度计的灵偏置稳定性为⁄和300ug。Draper实验室和雷锡恩公司在该领域也取得了较高的成就。2.2MEMS惯性传感器的应用2.2.1惯性测量应用基于MEMS的惯性测量单元可大幅降低导弹等弹药成本,并能满足可靠性要求。惯性制导系统用来提供导弹飞行过程中的位置、速度，以及高度等,因而要求IMU能测试其旋转速率与加速度。基于MEMS的惯性传感器已被证实能在各种恶劣环境中稳定工作,特别适用微小型导弹、飞机等制导系统，并且还可以对一些高速导弹在GPS信号失落的情况下进行信号补偿，并且与万向支架系统结合应用在导弹寻的器上可有效保障导弹系统上跟踪点的稳定。美国“网火”精确攻击导弹(PAM)首次基于MEMS惯性传感器测试单元成功地通过测试，并开拓了生产微型、低成本、高精度战术级MEMS惯性测试单元的重要里程碑。在75s的飞行过程中,“网火”精确攻击导弹飞入约6.1km的高空并利用HG1900(MEMS惯性测试器件)与GPS接收器成功地进行了系列机动测试。2.2.2引信系统应用引信系统正在向灵巧化、智能化、小型化方向发展，微机电技术作为引信向数字化、信息化发展的推动技术之一，已经成为21世纪提高引信性能的重要技术途径。国内外近年来研究的高新技术引信大量采用了MEMS技术，极大的拓展了引信的功能，提高了引信的性能。为了实现武器系统低成本远程打击、精确命中的能力，国外正在发展弹道修正引信为代表的灵巧弹药引信，力求大幅度减小无控弹药的命中误差，典型代表为美国陆军和海军联合研制的低成本强力弹药LCCM弹道修正引信。在弹道修正引信中，主要应用的MEMS部件是惯性测量单元、GPS接收机和MEMS执行器件。美国RockwellCollins公司最新研制开发的MEMS惯性测量单元(IMU)和射频MEMSGPS接收机能承受超过16000g的高过载冲击，已经在用于增程弹药降低风险研究、美国陆军和海军联合研制的低成本强力弹药LCCM弹道修正引信和有能力弹药先进技术延时验证CMATD等项目中进行了验证。MEMS在弹药引信安全领域的另一个重要应用是保证弹药引信保险安全。导弹机械保险安全装置通过加速产生力来进行操作来,而在许多情况下其机械力非常小，因而导致许多弹药不能如期引爆，从而造成弹药效能降低而引人关注,MEMS加速计通过褶皱设计可以克服此类问题,并可在单个引信装置中提供多种功能模态来提高其操作、安全与可靠性,且因为其低价格和抗高过载等优点而成为引信的理想保险安全装置。2.2.3燃料流动控制目前战术导弹的推进系统一般为固体火箭发动机,而对于高性能推进系统,使用精确的燃料控制方式可有效提高其燃烧效率。燃料喷射器用来控制燃料向燃烧室的流动,而常规喷射器的重复性与精度都不理想,需在实际应用中重新校准,因而导致其设计与研究者们建议将多个喷射器捆绑使用来提高其喷射稳定性与质量。另外,通过其他设计方法来控制其喷射质量的方法在低压环境中不能适用,而基于MEMS的激励器则可以镶嵌在燃料供给通道并对其进行监测,并可根据其外部条件的变化来精确调节其燃料供给,从而可大幅提高系统的可靠性与性能,同时还可有效提高其寿命。2.2.4弹药保养应用各种智能弹箭系统都有保养监控,嵌入诊断与预测等需求。常规武器系统的保养方法是基于预防或时间方面来考虑的,并且需作系统性检测,或是因弹药失效而进行的紧急保养。而如果在智能弹药的关键部位布置MEMS传感器的话,则可连续监测弹药关键部位的状况,并且只有在需要时才进行保养,这样可节省大量经费,并能提高其可靠性。美国AMCOM(armyaviationandmissilecommand)提出的远端测试评估诊断系统(RRAPDS)通过嵌入在导弹各部位的MEMS传感器可对其各部位工作性能进行监测。2.2.5弹药表面流体自适应控制对于任何在黏性介质中运动的飞行器,其表面会产生边界层,而边界层会使物体减速,如果出现流体分离还会导致其阻力急剧上升,有时还产生噪音、振动和失稳,甚至造成飞行器的损坏。因而飞行弹药表面的流体分离控制可提高其升力,降低其阻力,并可提高其机动性。尽管有许多方法可用来进行流体控制,然而只有当控制过程所消耗的能量与其控制所得效益接近时,才有可能被应用到实际中,因此,目前成功的控制方法并不多。而MEMS进行流体控制相对其他方法来讲,其所耗费用、质量与体积都较常规控制方法节省,且很容易阵列化,因而，它对飞行弹药表面的流体控制提供了多种切实可行的方法。如利用MEMS技术所生产的微喷嘴、柔性膜以及微激励器等都可应用在飞行器表面不同位置上。美国空军已应用此类装置来控制导弹外表面及三角翼的非对称旋涡脱落。而基于飞行条件的监控与用于航空飞行控制的MEMS阵列传感器则可降低飞行弹药的阻力,提高其机动性。2.3灵巧武器系统的发展趋势在MEMS技术的迅猛发展下，灵巧弹药的未来也将随之发生巨大的变革，其设计及功能将更加依赖于MEMS技术。MEMS技术的发展正在使弹药的多军种市场想规模经济的趋势发展。魔剑、ERGM、海军用于新一代15.2cm火炮的远程对陆攻击弹药LRLAP和LCCM最终可能每年需要80000套或更多的制导装置。各种努力都表明要在所有军种和弹药计划中推广MEMS技术。另一方面，当前灵巧弹药中虽均应用了MEMS和纳米技术，但目前仍未达到抗震电子工业可接受的水平，需要更坚固。目前能满足较低水平的要求，但尚未达到目标。对未来的开发有两件事实重要的：一是研制可满足射程和抗火炮发射压力的炮弹；二是研制可提高系统精度的电子制导组件。最后，随着灵巧武器的增多，各种类型的传感器，特别是多传感器的应用将推动运算技术的需要。未来引信将向综合化的方向发展，而其综合性能的提高和功能的增强将离不开MEMS技术的支持。然而，需要处理光电、红外、毫米波、激光雷达或这些传感器组合的运算功率必须足够高，这