【正文】 （ 5）彈丸飛行穩(wěn)定性分析。 （ 3）制動(dòng)彈繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析。 論文主要研究?jī)?nèi)容包括： （ 1）彈體前緣微氣泡制動(dòng)器陣列排布設(shè)計(jì)。當(dāng)微氣泡制動(dòng)作用于三角翼前緣或彈體頭錐時(shí)，通過(guò)控制微氣泡制動(dòng)器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)，來(lái)調(diào)整微氣泡制動(dòng)器的收縮與膨脹，利用微氣泡的膨脹對(duì)氣流進(jìn)行擾動(dòng)產(chǎn)生力及力矩分量，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的副翼和尾翼等剛性控制表面，使飛行器具有更靈活的操控性能。 在湍流邊界層中微氣泡驅(qū)動(dòng)器通過(guò)控制主動(dòng)氣流來(lái)控制飛行器，過(guò)去的研究已經(jīng)證明了一些方法的可行性， 1997 年前后，一些研究人員已經(jīng)研究了微致動(dòng)器的使用，這些微致動(dòng)器可以安裝在可展開(kāi)機(jī)翼上或者火炮彈體的軀體上，絕大多數(shù)的制動(dòng)器是為了干擾流體的流向，在一定程度上來(lái)引起沿該表面的局部靜態(tài)壓力的變化，這些制動(dòng)器包括磁性制動(dòng)器，微氣泡制動(dòng)器。 上面已經(jīng)介紹了電、磁、熱等各種微執(zhí)行方式，它們各具優(yōu)點(diǎn)，可用于各種不同的情況，衡量某種微執(zhí)行方式的優(yōu)劣主要應(yīng)該由實(shí)際使用效果來(lái)決定，但其中一個(gè)重 要的因素是要考慮這種執(zhí)行方式能產(chǎn)生的力或機(jī)械能的大小。 圖 靜電型可變形膜微執(zhí)行器的工作原理圖 與靜電執(zhí)行方式一樣，磁執(zhí)行也可用于可變形結(jié)構(gòu)型和機(jī)械結(jié)構(gòu)型兩種微執(zhí)行器中，大部分電磁型微馬達(dá)使用的是磁執(zhí)行方式。 表 微制動(dòng)器及其制動(dòng)方式 制動(dòng)方式 典型器件 壓電 微泵、微閥、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器伺服系統(tǒng) 靜電 微電機(jī)、微閘、微鏡、微掃描器、微繼電器 電磁 微繼電器、微泵、微閥 熱膨脹 微閥、微夾持器 熱氣動(dòng) 微泵、微閥、打印機(jī)噴頭 形狀記憶 微閥、光纖開(kāi)關(guān) 電磁微執(zhí)行方法是靜電、壓電和磁的執(zhí)行方法，自從集成電路工藝提供導(dǎo)電和絕緣材料的廣泛選擇范圍之后，靜電執(zhí)行的實(shí)現(xiàn)逐漸成為可能，靜電型可變形膜微執(zhí)行器，在上、下 兩片導(dǎo)電硅中，用絕緣材料形成空氣間隙，在下面的硅基體中形成一個(gè)很薄的彈性模 [8][9]。 微致動(dòng)器的動(dòng)作可以利用多種物理效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，常用的執(zhí)行方式有壓力效應(yīng)、電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和靜電效應(yīng)。 5）多學(xué)科交叉： MEMS 涉及機(jī)械、制造、電子、材料、信息與自動(dòng)控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集約了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。 硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類(lèi)似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。微機(jī)電系統(tǒng)是當(dāng)前交叉學(xué)科的重要研究領(lǐng)域，涉及電子工程、材料工程、機(jī)械工程、信息工程等多項(xiàng)科學(xué)技術(shù)工程 ，將是未來(lái)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事科研領(lǐng)域的新增長(zhǎng)點(diǎn)。 微機(jī)電系統(tǒng) 是微電路和微機(jī)械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米級(jí)，自八十年代中后期崛起以來(lái)發(fā)展極其迅速，被認(rèn)為是繼微電子之后又一個(gè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事具有重大影響的技術(shù)領(lǐng)域，將成為 21世紀(jì)新的國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)和提高軍事能力的重要技術(shù)途徑 [2]。它是以 半導(dǎo)體制造技術(shù) 為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。 MEMS 技術(shù)采用了半導(dǎo)體技術(shù)中的光刻、腐蝕、薄膜等一系列的現(xiàn)有技術(shù)和材料，因此從制造技術(shù)本身來(lái)講， MEMS 中基本的制造技術(shù)是成熟的。 微機(jī)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是 [3]：體積小、重量輕、功耗低、耐用性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。 MEMS(微機(jī)電系統(tǒng) )最初大量用于汽車(chē)安全氣囊，而后以 MEMS 傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車(chē)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著 MEMS 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及應(yīng)用終端 “ 輕、薄、短、小 ” 的特點(diǎn)，對(duì)小體積高性能的 MEMS 產(chǎn)品需求增勢(shì)迅猛，消費(fèi)電子、醫(yī)療等領(lǐng)域也大量出現(xiàn)了 MEMS 產(chǎn)品的身影 [4][5]。 3）批量生產(chǎn)： 在一片硅片上可以利用硅微加工工藝制作成上百個(gè)或上千個(gè)完整的 MEMS 裝置 ,大大降低了 MEMS 的制造成本。 MEMS 的 發(fā)展 會(huì)開(kāi)辟許多新技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，由于其 微型化、集成化 會(huì)帶來(lái)許多 新原理、新功能元件和系統(tǒng) 的探索 ， 目前，形成使用的產(chǎn)品是一些微傳感器、微執(zhí)行器等微結(jié)構(gòu)裝置，這些產(chǎn)品能夠到達(dá)人類(lèi)以前無(wú)法進(jìn)入的許多領(lǐng)域，對(duì)生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人、汽車(chē)、航天、航空、軍事等領(lǐng)域產(chǎn)生重大的影響， 21 世紀(jì) MEMS 將走向?qū)嵱没虼宋磥?lái)發(fā)展的市場(chǎng)前景是十分寬廣的。例如，壓電式馬達(dá)或超聲馬達(dá)可以通過(guò)兩馬達(dá)材料之間產(chǎn)生的逆壓電效應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，微氣泡制動(dòng)器的凸起可以通過(guò)壓力效應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，磁性驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)電磁效應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)上、下導(dǎo)電硅之間加上電壓后，由于靜電引力，使彈性模向上變形，從而產(chǎn)生垂直于基板平面方向的驅(qū)動(dòng)力。與電、磁兩種微執(zhí)行方式不同，熱執(zhí)行方式原則上只適用于制備可變形結(jié)構(gòu)型微執(zhí)行器，在熱執(zhí)行方式中，比較 引人注目的是雙金屬、形狀記憶合金和熱氣動(dòng)。然而，現(xiàn)在大部分微制動(dòng)器還處于研究階段，因此，提高微致動(dòng)器器件的性能是市場(chǎng)化的主要趨勢(shì)。磁性制動(dòng)器如圖 所示，磁性制動(dòng)器主要利用磁力來(lái)驅(qū)動(dòng)透磁合金的擺動(dòng)，這種毫米級(jí)大小的微致動(dòng)器可以產(chǎn)生較大的力和非平面擺動(dòng)位 移 (12mm)，磁性制動(dòng)器已經(jīng)被安裝在飛機(jī)的三角翼前緣進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)透磁合金的擺動(dòng)的可調(diào)整機(jī)翼表面的氣流 [12]，進(jìn)而調(diào)整飛機(jī)的飛行姿態(tài)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，這種磁性制動(dòng)器的致命弱點(diǎn)是承載能力差，當(dāng)風(fēng)速超過(guò) 50 米 /秒時(shí)，磁致開(kāi)關(guān)的懸臂梁會(huì)發(fā)生折斷，因此如果這種磁性制動(dòng)應(yīng)用于航空領(lǐng)域還需進(jìn)一步的改進(jìn)。微氣泡致動(dòng)器已在 F15 機(jī)翼上進(jìn)行初步試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在微氣泡制動(dòng)器的作 用下， 飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)俯仰、偏航等動(dòng)作，在最大速度 ，溫度變化 41℃ ~78℃的條件下，初步驗(yàn)證了 MEMS 裝置能在較惡劣環(huán)境下正常工作。包括微氣泡制動(dòng)器薄膜材料的選擇，結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)，微氣泡制動(dòng)器在彈體前緣的配置結(jié)構(gòu)。以某炮彈為背景， 根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，應(yīng)用計(jì) 算流體軟件 Fluent 模擬了不同氣泡結(jié)構(gòu)在彈丸不同安裝位置時(shí)的擾流流場(chǎng)，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。以某彈丸為背景，根據(jù)陀螺穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、追隨穩(wěn)定性的判定條件，來(lái)驗(yàn)證微氣泡彈丸氣動(dòng)外形是否合理。重要的是這種材料能在較小力的作用下產(chǎn)生毫米級(jí)的形變，目前的技術(shù)能將硅酮橡膠與硅很好的結(jié)合起來(lái)，美國(guó)的加州大學(xué)洛杉磯分校已經(jīng)對(duì)此進(jìn)行了研究，硅酮橡膠材料的具體參數(shù)如下表。為了減少微氣泡驅(qū)動(dòng)器上層的硅片晶體在加工過(guò)程中的破裂以及使得最終的微氣泡驅(qū)動(dòng)器更加堅(jiān)固，我們將壓縮空氣的槽開(kāi)在微氣泡驅(qū)動(dòng)器下層的基板上。為使可有效致動(dòng)薄膜部分的邊緣處有足夠?qū)挼母街鴰?，設(shè)定氣泡之間的間隔距離為 。 主要有體微加工工藝、表面微加工工藝、深度反應(yīng)離子刻蝕（ DRIE）技術(shù)、 LIGA 技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)等 [15][16]。C 左右的惰性溶劑中進(jìn)行吸收、蒸發(fā)溶劑濃縮降溫、結(jié)晶、過(guò)濾得對(duì)二甲苯二聚體（ []對(duì)環(huán)芳），精制后，將該二聚體進(jìn)行高溫裂解產(chǎn)生雙自由基，再導(dǎo)入成膜室在成膜物體表面冷凝并迅速聚合，得到均勻致密的聚對(duì)二甲苯薄膜。 圖 微氣泡制動(dòng)器的工藝流程 首先在一個(gè) 100硅片兩側(cè)，利用 LPCVD 沉積一層 的氮化硅，背面用活性離子腐蝕的方式進(jìn)行掩模，并且型腔使用 KOH 各向異性地刻蝕 成 300um 300um 正方形獨(dú)立的硅酮橡膠薄膜，在前側(cè)沉積 的一層 C 型聚對(duì)二甲苯，并且利用等離子氧來(lái)進(jìn)行圖案，如果不去除聚對(duì)二甲苯上的光阻劑，前側(cè)由于等離子體 SF6/02 粗糙，剝掉光致抗蝕劑， 100 到 150 微米厚的硅酮橡膠旋轉(zhuǎn)涂敷到正面，加工處理這些晶片，并且利用 SF6/02 把 C 型聚對(duì)二甲苯去除，隨后使用等離子氧。 微型氣泡驅(qū)動(dòng)器在頭錐上的集成 在此配置中， 32 個(gè)微氣泡驅(qū)動(dòng)器被集成在頭錐的后座，并且每次控制 16 個(gè)驅(qū)動(dòng)器。在實(shí)際情況中，這將是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在整合頭錐前，利用航空航天用的室溫硫化硅橡膠膠合劑將微氣泡驅(qū)動(dòng)器粘到包裝上。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖 所示 [18]。彈性模量 E=，殘余應(yīng)力σ=[20],泊松比 v 取 。 硅酮橡膠是一種非線(xiàn)性不可壓縮的超彈性材料，具有很強(qiáng) 的變性能力，其材料特性與幾何特性都是成非線(xiàn)性變化的，圖 是微氣泡薄膜的分析模型，模型尺寸為 ，厚為 。 仿真結(jié)果如圖 所示 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6x 1 04250300350400450500550600壓力 P變形位移h5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500620630640650660670680690長(zhǎng)度 b變形位移h （ a） 壓力 （ b） 長(zhǎng)度 1900 20xx 2100 2200 2300 2400 2500550600650700750寬度 a變形位移h140 160 180 200 220 240 260500550600650700750800厚度 t變形位移h （ c） 寬度 （ d） 厚度 圖 單向影響位移變形分析 雙向影響位移變形分析 為了分析輸入壓力和薄膜幾何形狀共同對(duì)薄膜變形位移的影響，分別按以下幾組情況進(jìn)行了仿真： （ a）輸入壓力 5000pa 、 10000pa 、 15000pa ， 薄膜厚度 150 m? 、 200 m? 、 250 m? ； （ b）輸入壓力 5000pa 、 10000pa 、 15000pa ， 薄膜長(zhǎng)度 6000 m? 、 7000 m? 、 8000 m? 。比如增加寬度，變形位移將成線(xiàn)性增加。 。 。對(duì)微氣泡制動(dòng)器陣列在彈體頭錐上集成進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其可行性進(jìn)行了分析。射擊試驗(yàn)法 雖然包含了實(shí)際情況，所測(cè)得的氣動(dòng)力與彈箭實(shí)際飛行符合得很好，但射擊試驗(yàn)必須在專(zhuān)門(mén)的靶場(chǎng)或靶道里進(jìn)行。對(duì)于二維彈道修正彈這樣外形復(fù)雜，擾流不明確的情況難以得到理論的解析 解。 Fluent 軟件采用 C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)，從而提高了對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的利用率。只要?jiǎng)澐钟?jì)算域的初始網(wǎng)格、設(shè)定運(yùn)動(dòng)邊界條件，在隨后的計(jì)算過(guò)程中網(wǎng)格變化完全由解算器自 動(dòng)生成。值得強(qiáng)調(diào)的是， Fluent 軟件還擁有網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，可在軟件中自動(dòng)加密計(jì)算表面的網(wǎng)格。其中Gambit 擁有完整的建模手段，可以生成復(fù)雜的幾何模型。對(duì)于非定常計(jì)算， Fluent提供非常強(qiáng)大的動(dòng)畫(huà)制作功能，在迭代過(guò)程中將所模擬非定?，F(xiàn)象的整個(gè)過(guò)程記錄成動(dòng)畫(huà)文件，供后續(xù)的分析演示。 GA MB I T 設(shè)置幾何形狀生成2 D 或 3 D 網(wǎng)格FL UE NT 網(wǎng)格輸入及調(diào)整物理模型邊界條件流體物性確定計(jì)算結(jié)果后處理其他軟件包如CAD 、 CAET Gr id2 D 三角網(wǎng)格3 D 四面體網(wǎng)格2 D 和 3 D 混合網(wǎng)格幾何形狀或網(wǎng)格邊界網(wǎng)格邊界和網(wǎng)格網(wǎng)格2 D 或 3 D 網(wǎng)格 圖 Fluent 軟件包各模塊之間的相互關(guān)系 流體力學(xué)基本方程 修正彈在外彈道飛行過(guò)程中藥遵守物理守恒定律，這些定律主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。 （ NS 方程） 動(dòng)量守恒方程是任何流動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題都必須遵循的基本定律。 上式在直角坐標(biāo)系中的微分形式如下： 0)()()( ???????????? zwy vxut ???? () 其適用范圍沒(méi)有固定的限制，無(wú)論是黏性或無(wú)黏性流體，可壓縮或不可壓縮流體，定?；蚍嵌ǔＡ鲃?dòng)都可以適用。其中，標(biāo)準(zhǔn) kε 模型因其在保證一 定準(zhǔn)確度的情況下計(jì)算量較小而應(yīng)用非常普遍，但是由于簡(jiǎn)化也使其應(yīng)用收到一定限制，特別是對(duì)于較復(fù)雜的流動(dòng)，很多情況下都必須對(duì)其 進(jìn)行修正才能應(yīng)用。另外， RNG 模型采用嚴(yán)格推導(dǎo)的微分公式求解有效粘性，與高雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn) ??k 模型相比，這種方法對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)中的湍流效應(yīng)也能較好地模擬。 模型中的常數(shù)分別取： ?1C =； ?2C =。制動(dòng)彈丸的頭部 用混合網(wǎng)格劃分，并且要在此特殊部位加密網(wǎng)格，而外流場(chǎng)采用圓柱體區(qū)域，圓柱體的半徑為 10 倍彈徑，前端距離炮彈頂部為 5 倍的彈長(zhǎng)，后端距離炮彈底部的距離為 3 倍的彈長(zhǎng)。 (2) 制動(dòng)彈要求彈體頭錐部微氣泡制動(dòng)器部分，在修正控制時(shí)相對(duì)地面靜止，而彈體后部要求旋轉(zhuǎn)保持彈丸穩(wěn)定， 壁面選擇條件：彈丸頭錐部單獨(dú)定義為靜止物體 Stationary Wall、表面無(wú)滑移 壁面粗糙度選擇 ，彈體后部相對(duì)彈軸 絕對(duì)旋轉(zhuǎn) Moving Wall、選取絕對(duì)坐標(biāo)系： Absolute、表面無(wú)滑移 壁面粗糙度選擇 。 仿真分析條件 主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析： （ 1）來(lái)流馬赫數(shù)為 : 、 、 、 ； （ 2）彈丸攻角為： 0176。、 10176。 超音速模擬對(duì)比 如果彈丸在超音速飛行時(shí)，除尾部有大量旋渦外，在彈頭部與彈尾部附近有近似為錐形的、強(qiáng)烈的壓縮空氣層存在，這就是空氣動(dòng)力學(xué)所說(shuō)的激波（在彈道 學(xué)中把彈頭附近的激波叫彈頭波，彈尾附近的激波叫彈尾波 ） [38]，此時(shí)空氣阻力突然增大。當(dāng)超音速外流到達(dá)彈體底部時(shí)， 氣流隨著壓力和流動(dòng)方向的調(diào)整在彈底處產(chǎn)生尾激波。 圖 和圖 分別為原彈型和制動(dòng)彈在 Ma= 攻角為 0176。原彈型和制動(dòng)彈的壓力云圖， 如圖可見(jiàn)與超音速時(shí)曲線(xiàn)類(lèi)似 ，彈頭都產(chǎn)生高壓區(qū)， 微氣泡 周?chē)袎毫?，彈尾部形成漩渦有渦流區(qū)，有