【正文】 該模型 ? 方程中存在的附加項(xiàng)增強(qiáng)了對(duì)迅速變形的流動(dòng)預(yù)示的準(zhǔn)確性；其次， RNG 模型 中還包含了漩渦對(duì)湍流流動(dòng)的影響，使得該模型對(duì)漩渦流動(dòng)預(yù)示的準(zhǔn)確性也得到了提高。 圖 制動(dòng)彈 外形圖 物理模型網(wǎng)格的劃分 網(wǎng)格劃分選擇專用的 CFD 前置處理器 Gambit，其劃分網(wǎng)格后的模型如圖 所示。 (4) 求解時(shí)設(shè)置壓力項(xiàng)的松弛因子為 、湍動(dòng)能與湍流耗散率項(xiàng)的松弛因子為、密度與質(zhì)量力項(xiàng)為 1。； （ 3） 氣泡長(zhǎng)度為 ： 20mm、 30mm、 40mm； （ 4） 氣泡寬度為 ： 、 2mm、 ； （ 5） 氣泡高度 為： 、 1mm、 ； （ 6） 氣泡個(gè)數(shù) 為： 8； 制動(dòng)彈繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬 空氣的流動(dòng)狀態(tài)一般難以直接觀察，采用 Fluent 軟件仿真是將空氣的流動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲線的形式繞流流場(chǎng)來(lái)顯示。 當(dāng)微氣泡制動(dòng)器在彈體頭部作用時(shí)，制動(dòng)彈丸壓力云圖如圖 所示，與圖 的對(duì)比可以看出，彈體頭部產(chǎn)生 的附體激波增強(qiáng)，微氣泡迎風(fēng)面有壓力集中。 圖 原彈型跨音速壓力云圖 圖 制動(dòng)彈跨音速壓力云圖 圖 原彈型跨音速速度云圖 圖 制動(dòng)彈跨音速速度云圖 如圖 和 分別是 Ma= 攻角為 0176。 第 4 章 制動(dòng)彈丸的氣動(dòng)布局分析 通過(guò)前面的微氣泡陣列在彈體頭錐內(nèi)集成的設(shè)計(jì)，及微氣泡薄膜變形位移仿真，利用流體力學(xué)軟件對(duì)微氣泡作用下的彈丸氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析，包括阻力、升力等。之所以隨 氣泡長(zhǎng)度 的增大，阻力系數(shù)越大，是因?yàn)?氣泡長(zhǎng)度 越大，其迎風(fēng)的投影面積就越大，即所受空氣阻力就越大。 不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 圖 攻角為 12176。由以下曲線對(duì)比看出馬赫數(shù)一定得情況下，不同 氣泡寬度 的阻力系數(shù)隨攻角的變化趨勢(shì)相似。首先由亞音速到跨音速，隨著馬赫數(shù)增加阻力系數(shù)增大， 在 Ma= 時(shí) 阻力系數(shù) 達(dá)到最大值 。 阻力系數(shù)隨攻角的變化 圖 到圖 分別為 氣泡長(zhǎng)度為 30mm， 寬度 2mm， Ma=、 、 3，不同 高度 時(shí)，阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線。 由以下曲線對(duì)比看出攻角一定得情況下，不同 氣泡高度 的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)相似。下面主要依據(jù) Fluent 算得的數(shù)據(jù)來(lái)得出不同 氣泡數(shù)量 對(duì)氣動(dòng)特性的影響，從而觀察阻力系數(shù)與不同 氣泡數(shù)量 之間的關(guān)系。 不同 數(shù)量 時(shí)，阻力系數(shù)隨 馬赫數(shù) 的變化曲線。不同 氣泡數(shù)量 ， 圖 攻角為 12176。由以下曲線 可以看出對(duì)于同一個(gè)模型 ，不同攻角的阻力系數(shù)隨隨馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)相似。 升力系數(shù)隨攻角的變化 圖 到圖 分別為馬赫數(shù)為 、 、 3，氣泡寬度、高度、數(shù)量一定，不同氣泡長(zhǎng)度時(shí)，升力系數(shù)隨著攻角的變化曲線。不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 圖 攻角為 5176。下面主要根據(jù)不同氣泡寬度，根據(jù) Fluent 算得的升力系數(shù)數(shù)值。綜上所述，攻角時(shí)升力系數(shù)的主要影響因素。 升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化 圖 到圖 分別為攻角為 0 度、 5 度、 8 度、 12 度，氣泡寬度、高度、數(shù)量一定，不同氣泡長(zhǎng)度時(shí)，升力系數(shù)隨著馬赫數(shù)的變化曲線。下面主要根據(jù)不同氣泡長(zhǎng)度，根據(jù) Fluent 算得的升力系數(shù)數(shù)值。從圖中又可以看出：當(dāng)來(lái)流馬赫數(shù)為 時(shí)所受到的阻力最大。不同 氣泡數(shù)量 ， 圖 攻角為 5176。、 8176。不同 氣泡高度 ， 圖 攻角為 12176。、12176。不同氣泡寬度 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 不同氣泡高度時(shí)，阻力系數(shù)變化 通過(guò)改變 氣泡高度 觀察 彈丸 的氣動(dòng)特性， 控制氣泡凸起不同高度， 即 、1mm、 。 不同 寬度 時(shí)，阻力系數(shù)隨 馬赫數(shù) 的變化曲線。下面主要依據(jù) Fluent 算得的數(shù)據(jù)來(lái)得出不同 氣泡寬度 對(duì)氣動(dòng)特性的影響，從而觀察阻力系數(shù)與不同 氣泡寬度 之間的關(guān)系。不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 圖 攻角為 5176。 馬赫數(shù)為0 . 8 ，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨攻角的變化0 5 10 15203040馬赫數(shù)為1 . 0 3 ，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨攻角的變化0 5 10 15203040 圖 Ma=， 不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 圖 Ma=， 不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 阻力系數(shù)隨攻角變化 圖 阻力系數(shù)隨攻角變化圖 馬赫數(shù)為2 ，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨攻角的變化00 5 10 15203040馬赫數(shù)為3 ，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨攻角的變化00 5 10 15203040 圖 Ma=2， 不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 圖 Ma=3， 不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 阻力系數(shù)隨攻角變化 圖 阻力系數(shù)隨攻角變化圖 由以上曲線對(duì)比看出馬赫數(shù)一定 的 情況下，不同 氣泡長(zhǎng)度 的阻力系數(shù)隨攻角的變化趨勢(shì)相似。原彈型和制動(dòng)彈丸的繞流流場(chǎng)速度云圖，與超音速和跨音速速度云圖比較可以看出，氣體流速的變化。原彈型和制動(dòng)彈的壓力云圖， 如圖可見(jiàn)與超音速時(shí)曲線類似 ，彈頭都產(chǎn)生高壓區(qū)， 微氣泡 周圍有壓力集中，彈尾部形成漩渦有渦流區(qū)，有激波形成。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。、 10176。 (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 。 模型中的常數(shù)分別取： ?1C =； ?2C =。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。 （ 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。對(duì)于非定常計(jì)算， Fluent提供非常強(qiáng)大的動(dòng)畫制作功能，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)畫文件，供后續(xù)的分析演示。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。 Fluent 軟件采用 C/C++語(yǔ)言編寫，從而提高了對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的利用率。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)必須在專門的靶場(chǎng)或靶道里進(jìn)行。 。比如增加寬度，變形位移將成線性增加。 硅酮橡膠是一種非線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性變化的，圖 是微氣泡薄膜的分析模型，模型尺寸為 ，厚為 。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖 所示 [18]。在實(shí)際情況中，這將是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 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。 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]。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。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。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)。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)。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)。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)。 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。 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)。它是以 半導(dǎo)體制造技術(shù) 為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。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)。 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。 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]。 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。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。 （ 3）制動(dòng)彈繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析。 圖 在壓力氣體作用下微氣泡產(chǎn)生致動(dòng) 微氣泡制動(dòng)器陣列設(shè)計(jì) 微氣泡薄膜材料 微氣泡制動(dòng)器結(jié)構(gòu)中微氣泡薄膜是關(guān)鍵的部分，根據(jù)微氣泡工作原理，要 求微氣泡在充入氣體的情況下能迅速產(chǎn)生變形，并且要承載一定的載荷，研究表明[14]，硅酮橡膠材料具有良好的機(jī)械性能能夠滿足這種需求，這種材料延展率高、模量低而且具有良好的密封性。 微氣泡薄膜的厚度為 100~150um，單個(gè)微氣泡尺寸為 ，如圖2 所示。 聚對(duì)二甲苯是一種保護(hù)性高分子材料， 氣相沉積法 制作生成， 摩爾比的對(duì)二甲苯與水蒸氣在高溫下作用產(chǎn)生對(duì)二甲苯雙自由基，然后導(dǎo)入 90 176。最后要將上下兩層結(jié)構(gòu)組合到一起，形成封閉的內(nèi)部氣流通道，為了避免了高溫對(duì)硅酮橡膠產(chǎn)生的影響，采用低溫鍵合技術(shù)。在這種情況下，設(shè)計(jì)的包裝便于在頭錐內(nèi)安裝 32 個(gè)微氣泡驅(qū)動(dòng)器，從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，這樣微氣泡驅(qū)動(dòng)器的頂面正好填滿那種允許范圍內(nèi)的無(wú)匹配值（不大于 5μm）得頭錐（在癟的情況下）。因此 a=， b=， t=， n=。 圖 載荷 2psi 時(shí)微氣泡變形圖 圖 載荷 7psi 時(shí) 微氣泡變形圖 單向影響位移變形分析 為了分析輸入壓力以及薄膜幾何形狀對(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 ； （ b） 薄膜長(zhǎng)度 6000 m? 、 7000 m? 、 8000 m? ； （ c） 薄膜寬度 20xx m? 、 2200 m? 、 2400 m? ； （ d） 薄膜厚度 150 m? 、 200 m? 、 250 m? 。較小的寬度將是變形位移的限制因素。 本章小結(jié) 本章闡述了微氣泡制動(dòng)器的工作原理，確定了微氣泡制動(dòng)器的幾何參數(shù)，選用了符合需求的硅酮橡膠作為微氣泡致動(dòng)器氣泡外殼材料，采 用以表面加工為主的加工方法對(duì)微氣泡致動(dòng)器的工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。其應(yīng)用空氣流動(dòng)所滿足的 stoksNaver? 方程、來(lái)流性質(zhì)及彈箭外形的邊界條件，采用有限差分或有限體積法，將流