【正文】 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。 硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢。 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。 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)。 cm) 1015 溫度范圍 (℃ ) 55200 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸 微氣泡致動(dòng)器由上下兩層構(gòu)成。 微氣泡致動(dòng)器的上層結(jié)構(gòu)的主要工藝步驟如下圖 所示。 微氣泡制動(dòng)器機(jī)械測(cè)試 完整的微氣泡制動(dòng)器在加工之后，必須利用實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)試其輸入壓力與微氣泡薄膜位移變形之間的關(guān)系，以檢測(cè)硅酮橡膠是否能產(chǎn)生應(yīng)有的位移變形以及其承載能力。 。其中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法需要彈箭的縮比模型，吹風(fēng)風(fēng)洞，且根據(jù)風(fēng)洞吹風(fēng)的能力，只能獲取有限個(gè)離散點(diǎn)的近似數(shù)據(jù)。 3. 多網(wǎng)格支持功能 Fluent 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，不僅支持混合網(wǎng)格、動(dòng) /變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格還支持支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格。 計(jì)算流體力學(xué)的基本方程是這些守恒定律的描述，下面詳細(xì)介紹這些基本守恒定律對(duì)應(yīng)的控制方程 [2630]。 kMbkje f fkjii SYGGxkxkuxkt ????????????? ??? ??????? ?????? )()( （ ） ??????? ?????????? SRkCGCGkCxxuxt bje f fjii ????????????? ??? ??????? 2231 )()()( () 式中： kG — 由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； bG — 由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； MY — 在可壓縮湍流中過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)； ?1C 、 ?2C 、 ?3C — 常數(shù)； k? 、 ?? — k方程和 ε 方程中的湍流普朗特?cái)?shù)； kS 、 ?S — 用戶定義的源項(xiàng)。、 8176。 跨音速模擬對(duì)比 如圖 和 分別是 Ma= 攻角為 0176。 xc 為阻力系數(shù)，則其表達(dá)式為： SvRc xx 22?? (42) 不同氣泡長(zhǎng)度時(shí)，阻力系數(shù)變化 通過(guò)改變 氣泡長(zhǎng)度 來(lái)觀察 彈丸 的氣動(dòng)特性， 將 30mm 長(zhǎng)度的氣泡作為標(biāo)準(zhǔn)，在此長(zhǎng)度基礎(chǔ)上分 別加減 10mm，得到三種不同長(zhǎng)度的模型， 下面主要依據(jù) Fluent算得的數(shù)據(jù)來(lái)得出不同 氣泡長(zhǎng)度 對(duì) 彈丸 氣動(dòng)特性的影響，從而觀察阻力系數(shù)與不同 氣泡長(zhǎng)度 之間的關(guān)系 阻力系數(shù)隨攻角的變化 圖 到圖 為氣泡寬度 2mm、高度 1mm、數(shù)量 3 個(gè)， Ma=、 、 3，不同 氣泡長(zhǎng)度 時(shí)，阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線。 不同氣泡寬度時(shí)，阻力系數(shù)變化 通過(guò)改變 氣泡寬度 觀察 彈丸 的氣動(dòng)特性， 將氣泡寬度分別設(shè)置為三種不同值， 即 、 2mm、 。不同 氣泡寬度 ， 圖 攻角為 12176。不同氣泡高度 ， 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 攻角為8 度，不同氣泡高度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 41攻角為1 2 度，不同氣泡高度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 41 圖 攻角為 8176。 攻角為0 度，不同氣泡數(shù)量，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4358攻角為5 度，不同氣泡數(shù)量，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4358 圖 攻角為 0176。 通過(guò)改變氣泡長(zhǎng)度觀察彈丸的升力特性，設(shè)定微氣泡長(zhǎng)度分別為 20mm、30mm、 40mm。根據(jù) 0 度攻角時(shí)，三條曲線的對(duì)比可以看出，氣泡長(zhǎng)度越長(zhǎng)升力系數(shù)越大，但是影響不大。不同氣泡長(zhǎng)度 ， 升力 系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 升力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 攻角為8 度，不同氣泡長(zhǎng)度，升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4長(zhǎng)2 0長(zhǎng)3 0長(zhǎng)4 0攻角為1 2 度，不同氣泡長(zhǎng)度，升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化010 1 2 3 4長(zhǎng)2 0長(zhǎng)3 0長(zhǎng)4 0 圖 攻角為 8176。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，到 Ma= 時(shí)達(dá)到最大值 。 由以下曲線對(duì)比看出攻角一定得情況下，不同 氣泡數(shù)量 的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)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 。從跨音速到超音速時(shí)，隨著馬赫數(shù)的增加阻力系數(shù)變小，到 Ma=3 時(shí)，達(dá)到最小值。不同氣泡長(zhǎng)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 如圖 至 所示 ，所有阻力系數(shù)曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，且隨馬赫數(shù)的變化都遵循很理想的規(guī)律 :從亞音速到跨音速時(shí)阻力系數(shù)增大，在 Ma= 時(shí)，阻力系數(shù)達(dá)到最大。由于微氣泡陣列中每個(gè)微氣泡是單獨(dú)控制，因此微氣泡陣列有多種排列形式，下面主要針對(duì)微氣泡的尺寸和數(shù)量?jī)蓚€(gè)方面來(lái)研究彈丸的氣動(dòng)力。由于微氣泡作用后，氣流流經(jīng)彈體頭部時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)干擾影響。 (5) 收斂準(zhǔn)則以差分方程表示的連續(xù)方程兩邊的計(jì)算差小于 為基準(zhǔn)。 RNG 模型還采用了解析表達(dá)式計(jì)算湍流普朗特?cái)?shù)，比標(biāo)準(zhǔn) ??k 模型中采用用戶定義常量要準(zhǔn)確。首先利用 Pro/e 進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的建立 ； 然后利用 GAMBIT 進(jìn)行網(wǎng)格的生成以及邊界類型的設(shè)定，輸出后導(dǎo)入 FLUENT； 最后利用 FLUENT 求解器對(duì)流 動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。 2. 先進(jìn)的動(dòng) /變形網(wǎng)格技術(shù) Fluent 在解決邊界移動(dòng)的問(wèn)題時(shí)采用動(dòng)網(wǎng)和滑移網(wǎng)格技術(shù)。 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)。 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? 。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）。 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。 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。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。 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)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)。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)。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)。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。 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]。在實(shí)際情況中，這將是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 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 。 。 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。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)程中將所模擬非定常現(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。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。 (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 。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。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。不同 氣泡長(zhǎng)度 ， 圖 攻角為 5176。 不同 寬度 時(shí)，阻力系數(shù)隨 馬赫數(shù) 的變化曲線。、12176。、 8176。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。 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)不同氣泡寬度，根據(jù) Fluent 算得的升力系數(shù)數(shù)值。 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 氣泡數(shù)量 ， 圖 攻角為 12176。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。 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。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。 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。； （ 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