軍用領域

微機電系統(MEMS)在國民經濟、科研和國防上應用甚廣,文中較詳細地說明MEMS在軍事領域中的慣性測量器件、測控技術和信息管理上的多種應用。表明MEMS在加速國防現代化有著重要的應用前景及其極端重要作用。

微機電系統(MEMS)是一門新興學科, 在國民經濟和科學研究的眾多領域應用甚廣, 在國防科技中也有著廣闊的應用前景。

信息技術在未來戰爭中有著重要的地位:未來戰爭中指揮中心、武器系統、甚至士兵本人將使用不同層次的(軍事)信息系統, 使部隊作戰時情況明, 戰斗力強, 并能迅速的控制戰場; 這是推動MEMS技術在軍事領域中應用的動力。歐、美和日本均把MEMS作為高科技放在優先發展的地位, 并得到國防部門的大力支持。

MEMS產品在信息采集, 軍事設施監控, 改進武器系統、指揮系統和后勤保障體系, 尤其在國防科技研究領域大有用武之地。本文介紹MEMS產品在軍事領域應用的若干實例, 以展示其應用前景??梢韵嘈?/span>, 隨著MEMS研究的深入開展, 其產品對于國防技術的現代化有著十分重要的作用。

1 慣性測量器件的應用

采用微機械加工技術已研制成加速度傳感器和陀螺儀等慣性測量器件, 前者發展比較成熟, 作為民品已大量生產, 主要用在汽車上, 預計到2000, 年銷售額可達25億美元。陀螺儀的制造比加速度傳感器復雜, 其性能正在不斷提高。軍事上對慣性測量元件要求很苛刻, 從而促進了MEMS陀螺儀的加速發展。

1. 1 彈的安全保險與引爆裝置

彈藥在貯運過程中要求安全保險, 在戰斗中又能可靠引爆, 不能出現啞彈。啞彈戰時會延誤戰機, 而戰后啞彈的排除既費時, 費錢, 又十分危險。在大規模戰爭中, 投彈量可達天文數字, 如果啞彈僅占12%, 其數量也是相當可觀的, 因此, 確保各類彈可靠引爆是國防科技中一個非常重要的課題。

MEMS加速度傳感器可用于彈的引爆, 可大幅度提高引爆的可靠性及貯存的安全性。據稱, 其引爆可靠性比傳統方法可提高510, 使戰場上啞彈數量降低一個數量級。由于MEMS加速度傳感器重量輕, 體積小、可靠性高, 因而, 即使在小型炸彈或炮彈上也可使用, 使武器系統更加安全可靠。

美國利用MEMS加速度傳感器代替彈的安全保險/引爆裝置的研究計劃已經啟動。AD公司生產的MEMS加速度傳感器由于具有自檢和自校功能且可靠性好, 而首先被用于帶推力裝置的飛彈上, 此項試驗工作已于1996年開始。這類MEMS安全保險, 引爆裝置在裝備部隊之前需作大量試驗, 可能要發射數千發彈, 以考察其安全性和可靠性。MEMS引爆裝置還將在多用途彈上試驗。該安全保險/ 引爆裝置如果裝備部隊, 其需求量將相當可觀。

1. 2 慣性制導彈

當前武庫中, 絕大多數炮彈或炸彈尚未采用制導, 故命中率較低, MEMS慣性測量器件用于常規彈上進行慣性制導與控制, 可大大提高命中率。若MEMS慣性制導器件與全球定位系統( GPS) 結合使用, 便可精確定位, 以代替十分昂貴的自動尋的系統或目標指示器, 從而可比較準確地擊中目標。研究表明, 30km外攻擊20×30m2目標時, 對于非制導炮彈, 彈著點散布直徑為250m; 若要求擊中概率達90%, 則需用364發炮彈。若改用慣性制導, 則彈著點散布直徑為64m, 如擊中概率維持不變, 則只需發射30發炮彈, 彈藥消耗降低了10倍。提高命中率在戰斗中具有重要意義, 還可大大減輕后勤負擔和軍火的消耗, 提高部隊作戰的機動性和戰斗力, 減少自身的傷亡。對于先遣部隊, 只需少量彈藥便可迅速摧毀敵方目標, 提高殺傷力, 還能在后勤供應受阻情況下提高部隊的支撐能力。

MEMS慣性制導器件具有體積小、重量輕、結構強度高等特點。據報道, MEMS慣性制導彈可以經受住火炮發射時30000g 的加速度, 也能經受住反坦克彈發射時100000g的加速度, 因而可以用在榴彈炮、迫擊炮、或火箭上。從技術上看, MEMS慣性制導方案是完全可行的。因此, 制導用的MEMS慣性測量器件需求量非常之大。例如, 美國國防部有關部門推算, 在和平時期, 每年大約使用2550萬只MEMS慣性測量器件來逐步改造現有的非制導彈。

1. 3 穩定平臺

飛機、導彈、坦克、艦船等軍事設備上, 平臺用得很多, 典型的穩定平臺系統需用加速度傳感器和陀螺儀各3只。MEMS加速度傳感器和陀螺儀由于其許多優點可望在平臺系統使用。據Gabriel等人所作比較, 常規的慣性測量元件重量為1587g、尺寸為15cm×8cm×5cm, 功耗35W, 價格達3萬美元。MEMS測量單元集成了加速度計和陀螺, 其重量降低了150, 體積縮小了300, 成本降低了60, 且抗過載能力提高了約3個數量級。不難看出, MEMS慣性測量單元在平臺上具有相當大的競爭力。

MEMS陀螺儀還可用于航空航天電子設備、自動駕駛儀、炮座、坦克轉塔、跟蹤天線和彈射座椅上。

目前, MEMS陀螺儀雖然在可靠性和技術成熟程度上比不上MEMS加速度傳感器, 但是在實驗室已能提供性能相當好的樣品, 因而在近期內應用MEMS慣性測量元件的平臺無疑將被提到日程上來。

1. 4 人員與車輛的導航

集成單片式MEMS慣性測量元件可用于地面導航。目前雖然GPS可以精確定位, 但需要有4顆或4顆以上衛星才能準確定位。在叢林、山谷或城市中, 這些條件有時得不到滿足, 因此GPS定位尚有一定局限性。

MEMS陀螺儀由于其漂移率較大尚不能單獨地、長期地進行精確導航。為克服上述困難, 可將GPSMEMS陀螺結合使用。用GPSMEMS陀螺校準, GPS無法定位的地區, 采用MEMS陀螺作輔助導航。作為近期目標, 要求MEMS陀螺在GPS校準之后, 24小時內仍可用它進行準確的導航。不難看出, 降低MEMS陀螺的漂移率已是當務之急。據國外報道, 目前, MEMS陀螺的時漂為200°/ h, 預計到2000年將降到10°/ h。因而在地面微型導航裝置中將占有一席之地, 且有較大的需求量。

2 在測控技術中的應用

MEMS傳感器在航空航天研究領域中應用相當廣泛。從風洞實驗到發動機測試, 從關鍵部件的實驗研究到試車臺測試, 已有大量MEMS器件在工作。例如, 美國航天飛機渦輪泵, 僅其主軸承研究一項就采用了146只傳感器, 其中有相當數量的MEMS傳感器。結合航空航天技術的特殊需要, 出現了一系列不同規格和不同類型的傳感器。如小直徑壓力傳感器、薄片型壓力傳感器、工作溫度達到400的藍寶石高溫壓力傳感器、SOI 高溫壓力傳感器、高精度諧振式壓力傳感器、可在液氫液氧溫度下工作的濃硼擴散型超低溫壓力傳感器、各種類型的振動傳感器和加速度傳感器等等??傊?/span>, 微機械加工與MEMS技術的研究首先得到了航空航天部門的支持, 同時又直接地為航空航天事業發展作出了貢獻。

下面再從其他角度來介紹MEMS技術在測控技術中的應用。

2. 1 按運行狀況進行設備維護(CBM

飛機、坦克、車輛等軍用設備, 通常采用定期維修的方法, 這是一筆巨額開支; 據稱美國國防部每年至少要花200億美元( 尚不包括維修人員的工資) 用于設備維護。采用CBM法維護設備可以節省大筆維修經費。由于MEMS傳感器很小, 可將其裝在軍事設備的關鍵部位, 對零部件和材料的運行狀況進行實時監測, 監測參數包括溫度、壓力、流量、振動、加速度等等, 然后根據監測數據確定維修方案, 即按運行狀況進行維修。

美國在H-46海軍直升機上對CBM維護法進行了研究。研究對象共328, 每一小時的維護費為2800美元, 每年維護費為2. 78億美元。采用按運行狀況進行維護后, 每年可以節省1/4的維護費, 并減少事故30%, 縮短維護時間50%, 從而大大提高了該直升機隊的作戰能力。

根據CBM維護法要求, 飛機、車輛、機械設備的許多部件, 如發動機、傳動系統、冷卻系統、軸承、主軸、接頭、構件、輪胎……等均需監測; 因而MEMS器件的需求量很大, 但設備監控用的MEMS器件, 必須工作穩定, 可靠性高, 漂移小, 封裝結構合理。

2. 2 敵情偵察和監視

敵軍人員與車輛的調動、后方供應線的活動、敵占區的氣候、環境、潮汐、溫度、土壤以及布防情況需要了若指掌, 這對正確制定作戰方案, 選擇最佳進攻時間和部隊的裝備具有重要的作用。采用MEMS技術制作的偵察、監聽、監測設備具有體積小, 功耗低, 隱蔽性好, 便于布防等特點而受到重視。偵察到的情況可通過無線電以及通訊衛星傳遞到指揮部。這類MEMS偵察器材屬一次性使用器材, 可以用空投或地面炮投方式投放。目前, 微型偵察系統的技術難點已經基本突破??梢灶A計, 當其裝備部隊之后, 其用量將是相當大的。

2. 3 微型分析儀

當前化學、生物以及核武器的威脅依然存在。東京地鐵毒氣施放事件就是一個信號。據稱在海灣戰爭中, 美軍曾受到有害生物物質侵襲, 事后才得以查明??傊?/span>, 戰爭中對于化學-生物-核有害物質的及時監測并及時加以防范對于保存自己, 減少傷亡具有重要作用。

由于MEMS技術的發展, 人們已研制出掌式微型氣相和液相色譜儀, 正在加緊研制微型質譜儀和其他類型的微型分析儀。這些儀器的最大特點是可以隨身攜帶, 可在戰場上進行實時檢測, 而不必將樣品送回實驗室分析。目前微型氣相色譜儀已具備實驗室用色譜儀所具備的多種功能。

MEMS微型分析儀是MEMS高技術產品的代表作; 它把實驗室中的大型精密的分析儀縮小到硅片上, MEMS技術制作樣品出入口、微通道、過濾器、微閥門、微泵、電離室或色譜儀, 還有檢測元件、信號處理電路、輸出驅動電路等等。目前氣相色譜儀已有商品出售, 其他的設備還在研究中。美國國防系統和大公司均在積極支持這些軍民兩用的微型分析儀的研究。預計今后數年內將有更多的微型理化分析儀問世, 其中有些在國防科技中將得到應用。

2. 4 便攜式人體體況監測儀

傷員受傷后第一個小時內的死亡率最高, 人們將這段時間稱為黃金小時”, 如能在黃金小時里對傷員及時地、合理地進行救護, 就可大大減少死亡率。為此需要及時對傷員的心律、血壓、血氧、體溫以及呼吸速率加以測定。目前, 美國國防部正加大力度開展小型化體況監測儀的研究。MEMS技術在這類監測儀中大有用武之地。微型血壓計、心律計早已問世, 并已大量生產, 不難設想, 當這類監測儀部署到戰士身上時, 其需求量將是很大的。

2. 5 地面目標的敵我識別

飛機上已經采用了相當先進的敵我識別系統。然而在地面, 由于戰場的特殊條件, 敵我目標的識別變得十分困難。戰場上有煙霧、塵土, 若戰爭在夜間或雨天進行, 當通訊聯絡遇到故障時, 敵我識別變得更困難。有時我方或友方也使用從敵人手里繳獲的車輛和坦克, 這就使問題變得更為復雜。戰爭中由于敵我目標不能準確區分而造成六親不認、自相殘殺的情況時有發生。為此, 正確識別地面的敵我目標是國防科技研究中的一項重要內容。

鑒于采用MEMS技術可在硅片上制作可動的微鏡或微梁, 可用靜電方法控制其位置, 故可對其進行編碼并通過光學系統來傳遞信息, 供敵我識別用, 還可采用紅外技術供夜間使用。由于MEMS器件很小, 功耗又低, 可以很靈活地將其貼在車輛或武器表面, 并可貼在不同部位, 便于從不同方位進行檢測。微動件可象口令那樣按需要進行編碼, 故這類器件的保密性好, 即使戰斗中落入敵人手里, 也可通過改變編碼以保證敵我識別的安全性。敵我識別芯片上還可裝上自毀裝置, 以防落入敵人手中。

MEMS敵我識別系統的建議已引起了美國軍事部門的重視, 但到目前為止, 尚未見到有關的研究成果的報道。

2. 6 機翼氣動力控制

采用MEMS技術可以在硅片表面制造可動的薄片陣列, 可按需要靈活地調節薄片的位置。如將其裝在機翼表面, 適當調節可動薄片的形狀便可以改變翼面的氣動力特性, 還可減少或消除翼面渦流, 使飛行速度更快、航程更遠, 或有效載荷更大。改變MEMS變形表面的形狀, 還可改善飛機的機動性能或操縱性能。如可動表面裝在直升機螺旋槳上, 適當調節其位置, 還可提高螺旋槳的升力。同理, 如果將其用于潛艇螺旋槳上, 可以減小螺旋槳發出的噪音, 提高潛艇的隱蔽性。需要指出的是, MEMS可動表面調節機翼氣動特性的預研工作已在進行, 但尚未見到有關研究的進一步報道。

3 在信息領域中的應用

MEMS技術在掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡領域已取得了驚人的進步, 分辨率可達2nm。其重要技術突破有二, 一是微探針, 二是相應的微動力結構。將這些技術用在存貯器中便可以制成高分辨率的磁驅和光驅, 可將現有存貯器的存貯密度至少提高2個多數量級。采用隧道效應的存貯系統, 其存貯密度可比目前的CD-ROM提高105, 這是存貯技術的一場革命。這種新型存貯系統重量輕、體積小、速度快、功耗低、存貯量大, 在軍事領域是十分需要的。指揮中心、信息中心與控制中心均需大容量存貯器。在未來戰爭中, 即使遠離部隊的偵察兵, 也可使用微型計算機及大容量存貯器來查看地圖、地形地貌、照片、作戰指南、數據庫等等。這種微型存貯器至少需要10GB以上的存貯量, 而且功耗很低, 由電池驅動, 這是現有存貯系統所望塵莫及的。高速大容量存貯系統屬軍民兩用技術, 是當前國際上的研究熱點, 一場具有深遠意義的存貯技術革命即將來臨。

采用MEMS技術還可以制作高分辨率顯示器。TI 公司已生產出由400萬個微鏡陣列組成的顯示器, 用于投射式大屏幕顯示, 圖象十分清晰。這類顯示器可用于指揮部、信息中心、控制中心或導彈發射基地。除此之外, 戰士在戰斗中常常需要隨身攜帶一個低功耗、平板型、小型顯示器, 例如0.55英寸顯示器, 可顯示地圖、照片、指令以及數據庫內容, 因而要求分辨率較高。用MEMS技術制作的微梁陣列可以滿足這一要求。用靜電方法可控制微梁位置, 從而控制光線的折射和反射。每一微梁即為一象素, 其分辨率取決于微梁的密度。這種顯示器的清晰度可以達到很高的程度, 目前已有樣品問世, 在軍事上其需求量很大。據美國國防部有關報告推測, 2000, 他們對微型軍用平板顯示器的需求約為3萬件/, 2010, 將增長到90萬件/年。

MEMS顯示器屬超大規模微機械的集成, 工藝技術要求十分嚴格。在美國, 這種顯示器已開始走出實驗室, 即將轉入小批量生產?,F在的問題是如何提高成品率、提高性能/ 價格比, 以便有更多的用戶選用。

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