MEMS在国防科工领域的应用

MEMS在国防科工领域的应用 20世纪90年代以来，美军主导的海湾战争，科索沃战争和阿富汗战争，可以说是一部现代战争教科书，充分展示了高技术条件下现代战争的基本特点和发展趋势。人们看到的是高新技术武器装备大量运用，空天战场正在逐渐确立主导地位，利用巡航导弹等精确制导武器进行防区外远程精确打击成为重要的作战方式，先进的信息系统与作战系统极大提高了指挥效率。在海湾战争中，美军空中装备或通过空中发挥作用的武器多达44种，约占其高科技武器种类的78%。在阿战中，美军共投掷了精确制导弹药约1.3万多枚，占总投掷弹药量60%。由于信息系统与作战系统的高度一体化，在阿富汗的美军从发现一个机动目标到发动袭击仅需要10分钟时间。这一切令人惊讶的数据都建立在高科技信息技术的基础上，现代战争围绕信息的搜集，处理，分发，防护展开，信息化战争成为高技术战争的基本形态，夺取和保持信息权成为作战的中心。信息技术在未来战争中有着重要的地位：未来战争中指挥中心、武器系统、甚至士兵本人将使用不同层次的（军事）信息系统, 使部队作战时情况明, 战斗力强, 并能迅速的控制战场; 这是推动MEMS技术在军事领域中应用的动力。欧、美和日本均把MEMS作为高科技放在优先发展的地位, 并得到国防部门的大力支持。 MEMS产品在信息采集, 军事设施监控, 改进武器系统、指挥系统和后勤保障体系, 尤其在国防科技研究领域大有用武之地。本文介绍MEMS产品在军事领域应用的若干实例, 以展示其应用前景。可以相信, 随着MEMS研究的深入开展, 其产品对于国防技术的现代化有着十分重要的作用。 1 惯性测量器件的应用 采用微机械加工技术已研制成加速度传感器和陀螺仪等惯性测量器件, 前者发展比较成熟, 陀螺仪的制造比加速度传感器复杂, 其性能正在不断提高。军事上对惯性测量元件要求很苛刻, 从而促进了MEMS陀螺仪的加速发展。 1. 1 弹的安全保险与引爆装置 弹药在贮运过程中要求安全保险, 在战斗中又能可靠引爆, 不能出现“哑弹”。哑弹战时会延误战机, 而战后哑弹的排除既费时, 费钱, 又十分危险。在大规模战争中, 投弹量可达天文数字, 如果哑弹仅占1～2%, 其数量也是相当可观的, 因此, 确保各类弹可靠引爆是国防科技中一个非常重要的课题。 MEMS加速度传感器可用于弹的引爆, 可大幅度提高引爆的可靠性及贮存的安全性。据称, 其引爆可靠性比传统方法可提高5～10倍, 使战场上哑弹数量降低一个数量级。由于MEMS加速度传感器重量轻, 体积小、可靠性高, 因而, 即使在小型炸弹或炮弹上也可使用, 使武器系统更加安全可靠。 美国利用MEMS加速度传感器代替弹的安全保险/引爆装置的研究计划已经启动。AD公司生产的MEMS加速度传感器由于具有自检和自校功能且可靠性好, 而首先被用于带推力装置的飞弹上, 此项试验工作已于1996年开始。这类MEMS安全保险, 引爆装置在装备部队之前需作大量试验, 可能要发射数千发弹, 以考察其安全性和可靠性。MEMS引爆装置还将在多用途弹上试验。该安全保险/ 引爆装置如果装备部队, 其需求量将相当可观。 1. 2 惯性制导弹 当前武库中, 绝大多数炮弹或炸弹尚未采用制导, 故命中率较低, 将MEMS惯性测量器件用于常规弹上进行惯性制导与控制, 可大大提高命中率。若MEMS惯性制导器件与全球定位系统( GPS) 结合使用, 便可精确定位, 以代替十分昂贵的自动寻的系统或目标指示器, 从而可比较准确地击中目标。研究表明, 从30km外攻击20×30m2目标时, 对于非制导炮弹, 弹着点散布直径为250m; 若要求击中概率达90%, 则需用364发炮弹。若改用惯性制导, 则弹着点散布直径为64m, 如击中概率维持不变, 则只需发射30发炮弹, 弹药消耗降低了10倍。提高命中率在战斗中具有重要意义, 还可大大减轻后勤负担和军火的消耗, 提高部队作战的机动性和战斗力, 减少自身的伤亡。对于先遣部队, 只需少量弹药便可迅速摧毁敌方目标, 提高杀伤力, 还能在后勤供应受阻情况下提高部队的支撑能力。 MEMS惯性制导器件具有体积小、重量轻、结构强度高等特点。据报道, MEMS惯性制导弹可以经受住火炮发射时30000g 的加速度, 也能经受住反坦克弹发射时100000g的加速度, 因而可以用在榴弹炮、迫击炮、或火箭上。从技术上看, MEMS惯性制导方案是完全可行的。因此, 制导用的MEMS惯性测量器件需求量非常之大。例如, 美国国防部有关部门推算, 在和平时期, 每年大约使用25～50万只MEMS惯性测量器件来逐步改造现有的非制导弹。 1. 3 稳定平台 飞机、导弹、坦克、舰船等军事设备上, 平台用得很多, 典型的稳定平台系统需用加速度传感器和陀螺仪各3只。MEMS加速度传感器和陀螺仪由于其许多优点可望在平台系统使用。据Gabriel等人所作比较, 常规的惯性测量元件重量为1587g、尺寸为15cm×8cm×5cm, 功耗35W, 价格达3万美元。MEMS测量单元集成了加速度计和陀螺, 其重量降低了150倍, 体积缩小了300倍, 成本降低了60倍, 且抗过载能力提高了约3个数量级。不难看出, MEMS惯性测量单元在平台上具有相当大的竞争力。 MEMS陀螺仪还可用于航空航天电子设备、自动驾驶仪、炮座、坦克转塔、跟踪天线和弹射座椅上。 目前, MEMS陀螺仪虽然在可靠性和技术成熟程度上比不上MEMS加速度传感器, 但是在实验室已能提供性能相当好的样品, 因而在近期内应用MEMS惯性测量元件的平台无疑将被提到日程上来。 1. 4 人员与车辆的导航 集成单片式MEMS惯性测量元件可用于地面导航。目前虽然GPS可以精确定位, 但需要有4颗或4颗以上卫星才能准确定位。在丛林、山谷或城市中, 这些条件有时得不到满足, 因此GPS定位尚有一定局限性。 MEMS陀螺仪由于其漂移率较大尚不能单独地、长期地进行精确导航。为克服上述困难, 可将GPS与MEMS陀螺结合使用。用GPS对MEMS陀螺校准, 在GPS无法定位的地区, 采用MEMS陀螺作辅助导航。作为近期目标, 要求MEMS陀螺在GPS校准之后, 在2～4小时内仍可用它进行准确的导航。不难看出, 降低MEMS陀螺的漂移率已是当务之急。据国外报道, 目前, MEMS陀螺的时漂为200°/ h, 预计到2000年将降到10°/ h。因而在地面微型导航装置中将占有一席之地, 且有较大的需求量。 2 在测控技术中的应用 MEMS传感器在航空航天研究领域中应用相当广泛。从风洞实验到发动机测试, 从关键部件的实验研究到试车台测试, 已有大量MEMS器件在工作。例如, 美国航天飞机涡轮泵, 仅其主轴承研究一项就采用了146只传感器, 其中有相当数量的MEMS传感器。结合航空航天技术的特殊需要, 出现了一系列不同规格和不同类型的传感器。如小直径压力传感器、薄片型压力传感器、工作温度达到400℃的蓝宝石高温压力传感器、SOI 高温压力传感器、高精度谐振式压力传感器、可在液氢液氧温度下工作的浓硼扩散型超低温压力传感器、各种类型的振动传感器和加速度传感器等等。总之, 微机械加工与MEMS技术的研究首先得到了航空航天部门的支持, 同时又直接地为航空航天事业发展作出了贡献。 下面再从其他角度来介绍MEMS技术在测控技术中的应用。 2. 1 按运行状况进行设备维护（CBM） 飞机、坦克、车辆等军用设备, 通常采用定期维修的方法, 这是一笔巨额开支; 据称美国国防部每年至少要花200亿美元( 尚不包括维修人员的工资) 用于设备维护。采用CBM法维护设备可以节省大笔维修经费。由于MEMS传感器很小, 可将其装在军事设备的关键部位, 对零部件和材料的运行状况进行实时监测, 监测参数包括温度、压力、流量、振动、加速度等等, 然后根据监测数据确定维修方案, 即按运行状况进行维修。 美国在H-46海军直升机上对CBM维护法进行了研究。研究对象共328架, 每一小时的维护费为2800美元, 每年维护费为2. 78亿美元。采用按运行状况进行维护后, 每年可以节省1/4的维护费, 并减少事故30%, 缩短维护时间50%, 从而大大提高了该直升机队的作战能力。 根据CBM维护法要求, 飞机、车辆、机械设备的许多部件, 如发动机、传动系统、冷却系统、轴承、主轴、接头、构件、轮胎„„等均需监测; 因而MEMS器件的需求量很大, 但设备监控用的MEMS器件, 必须工作稳定, 可靠性高, 漂移小, 封装结构合理。 2. 2 敌情侦察和监视 敌军人员与车辆的调动、后方供应线的活动、敌占区的气候、环境、潮汐、温度、土壤以及布防情况需要了若指掌, 这对正确制定作战方案, 选择最佳进攻时间和部队的装备具有重要的作用。采用MEMS技术制作的侦察、监听、监测设备具有体积小, 功耗低, 隐蔽性好, 便于布防等特点而受到重视。侦察到的情况可通过无线电以及通讯卫星传递到指挥部。这类MEMS侦察器材属一次性使用器材, 可以用空投或地面炮投方式投放。目前, 微型侦察系统的技术难点已经基本突破。可以预计, 当其装备部队之后, 其用量将是相当大的。 2. 3 微型分析仪 当前化学、生物以及核武器的威胁依然存在。东京地铁毒气施放事件就是一个信号。据称在海湾战争中, 美军曾受到有害生物物质侵袭, 事后才得以查明。总之, 战争中对于化学-生物-核有害物质的及时监测并及时加以防范对于保存自己, 减少伤亡具有重要作用。 由于MEMS技术的发展, 人们已研制出掌式微型气相和液相色谱仪, 正在加紧研制微型质谱仪和其他类型的微型分析仪。这些仪器的最大特点是可以随身携带, 可在战场上进行实时检测, 而不必将样品送回实验室分析。目前微型气相色谱仪已具备实验室用色谱仪所具备的多种功能。 MEMS微型分析仪是MEMS高技术产品的代表作; 它把实验室中的大型精密的分析仪缩小到硅片上, 用MEMS技术制作样品出入口、微通道、过滤器、微阀门、微泵、电离室或色谱仪, 还有检测元件、信号处理电路、输出驱动电路等等。目前气相色谱仪已有商品出售, 其他的设备还在研究中。美国国防系统和大公司均在积极支持这些军民两用的微型分析仪的研究。预计今后数年内将有更多的微型理化分析仪问世, 其中有些在国防科技中将得到应用。 2. 4 便携式人体体况监测仪 伤员受伤后第一个小时内的死亡率最高, 人们将这段时间称为“黄金小时”, 如能在“黄金小时”里对伤员及时地、合理地进行救护, 就可大大减少死亡率。为此需要及时对伤员的心律、血压、血氧、