【正文】 l)550體積電阻率(。 在壓力氣體作用下微氣泡產(chǎn)生致動(dòng)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。第2章 微制動(dòng)器陣列設(shè)計(jì)及仿真微氣泡致動(dòng)器組成陣列安置在彈體的頭錐前緣，通過(guò)控制微氣泡的收縮與膨脹可以控制氣流在彈體表面的流動(dòng)狀態(tài)。（5）彈丸飛行穩(wěn)定性分析。（4）彈道方程的建立與修正能力分析。（3）制動(dòng)彈繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析。（2）微氣泡制動(dòng)器數(shù)值模擬與分析。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)。 微氣泡制動(dòng)器本論文擬將微致動(dòng)器組成陣列安裝于彈體前緣，利用其微小形變來(lái)擾動(dòng)邊界層分離，從而實(shí)現(xiàn)彈丸兩側(cè)壓力的不對(duì)稱，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，偏航和俯仰等空中機(jī)動(dòng)動(dòng)作。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。 磁性制動(dòng)器制動(dòng)原理示意圖相對(duì)而言，近年來(lái)研究的一種健全的、大偏轉(zhuǎn)、抗沖擊的微氣泡驅(qū)動(dòng)器，微氣泡制動(dòng)器彌補(bǔ)了磁性驅(qū)動(dòng)器的弱點(diǎn)，提高承載能力，因此微氣泡制動(dòng)去有望實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮、微型飛行器、飛機(jī)等空氣動(dòng)力控制。 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。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)的研究人員已經(jīng)提出了這樣的設(shè)想，將MEMS微致動(dòng)器陣列應(yīng)用于流動(dòng)控制中，這種設(shè)想得到了美國(guó)軍方的支持，繼而一些研究人員開始了微氣泡微致動(dòng)器在流動(dòng)控制中的研究[11]。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。雙金屬微執(zhí)行方式利用夾心層材料元件的熱膨脹系數(shù)之間的失配而產(chǎn)生力或位移，形狀記憶合金是一種具有形狀恢復(fù)特性的金屬，這種金屬當(dāng)在某一溫度下塑性形變，當(dāng)他們升到較高溫度時(shí)，將完全恢復(fù)原先的形狀，在恢復(fù)形狀時(shí)，這種金屬所產(chǎn)生的位移或力或兩者的結(jié)合將是溫度的函數(shù)。 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。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。 微型機(jī)械不同制動(dòng)方式特點(diǎn)制動(dòng)類型壓力行程（位移）相應(yīng)時(shí)間可靠性耐久性壓電大小快好靜電小很小很快很好電磁小大快好熱氣動(dòng)大一般一般好雙金屬大一般一般足夠壓力：很大（），大（），一般（），小（）行程：大（），一般（），?。ǎ苄。ǎ╉憫?yīng)時(shí)間：很快（），快（），一般（），慢（）[7]。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)。微致動(dòng)器是MEMS的重要組成部分，在微機(jī)械研究領(lǐng)域起到了不可替代的作用，微致動(dòng)器的動(dòng)作可以利用能量轉(zhuǎn)換，將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使其達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。 MEMS的發(fā)展會(huì)開辟許多新技術(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、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?，因此未?lái)發(fā)展的市場(chǎng)前景是十分寬廣的。微電子器件、微執(zhí)行器和微傳感器的集成可制造出穩(wěn)定性、可靠性很高的MEMS。 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。 　　2）以硅為主要材料，硅的熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢，密度類似鋁，強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，具有良好的機(jī)械電器性能。 　　MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))最初大量用于汽車安全氣囊，而后以MEMS傳感器的形式被大量應(yīng)用在汽車的各個(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]。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué)創(chuàng)新思維的結(jié)果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進(jìn)與革命。 　　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)。它的學(xué)科面也擴(kuò)大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學(xué)的各分支 [1]。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。第1章 緒論微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, MicroElectroMechanic System）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。它是以半導(dǎo)體制造技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。但MEMS更側(cè)重于超精密機(jī)械加工，并要涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域?！　∥C(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]。、性能穩(wěn)定等。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)。 　　MEMS的特點(diǎn)是： 　　1）微型化：MEMS器件重量輕、體積小、慣性小、耗能低、響應(yīng)時(shí)間短、諧振頻率高。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?！　?）集成化：可以把致動(dòng)方向、不同功能或不同敏感方向的多個(gè)執(zhí)行器或傳感器集成于一體，或形成微執(zhí)行器陣列、微傳感器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。 　　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。微致動(dòng)器(Microactuator)又稱微執(zhí)行器或微驅(qū)動(dòng)器，是能夠產(chǎn)生和執(zhí)行動(dòng)作的一類微機(jī)械部件或器件的總稱。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)。除此之外，光制動(dòng)、超導(dǎo)制動(dòng)、凝膠等高分子制動(dòng)、超聲波制動(dòng)、行波制動(dòng)、電液制動(dòng)等技術(shù)也在微致動(dòng)器領(lǐng)域得到應(yīng)用，[6]。 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]。靜電執(zhí)行方式還可產(chǎn)生基板平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。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)。熱氣動(dòng)微執(zhí)行方式是利用流體加熱時(shí)發(fā)生體積膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行動(dòng)作[10]。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)。隨后，一些西方國(guó)家也開始了微致動(dòng)器陣列和微傳感器陣列結(jié)合用于流體動(dòng)力學(xué)控制的研究，最后形成了MEMS技術(shù)的最新研究領(lǐng)域，基于MEMS技術(shù)的流動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)，這方面的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域。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)。在這一方面，尤其以美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的進(jìn)展最為顯著[13]，這種微氣泡制動(dòng)采用硅酮橡膠材料，利用其較好的機(jī)械性能如低模量，高延展率以及良好的密封性，因此能夠滿足微致動(dòng)器工作的需求。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，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。傳統(tǒng)的飛行器一般使用副翼、升降舵、垂直尾翼等控制方式，本文采用的微氣泡制動(dòng)器控制，屬于MEMS范疇，采用微氣泡制動(dòng)器控制彈體表面氣流的流動(dòng)狀態(tài)，從而控制彈丸的飛行軌跡，這種控制實(shí)現(xiàn)了飛行器控制技術(shù)的新變革，加速了微致動(dòng)器在流動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，可以顯著提高飛行器的機(jī)動(dòng)和操控性能，并將加速我國(guó)微型飛行器集成化、微小化的進(jìn)程。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)。采用有限元分析方法對(duì)氣泡靜力變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了輸入壓力和氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)氣泡靜力變形的影響。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。根據(jù)外彈道理論，對(duì)制動(dòng)彈在飛行過(guò)程中的受力進(jìn)行了分析，建立了制動(dòng)彈的剛體彈道模型，結(jié)合四階龍格庫(kù)塔方法，對(duì)制動(dòng)彈外彈道仿真，得出不同狀態(tài)下的修正能力，并進(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。當(dāng)微致動(dòng)器處于非工作狀態(tài)時(shí)（未充氣體時(shí)）具有與彈體表面平整的外形；當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，在壓力氣體作用下，由硅酮橡膠構(gòu)成的微氣泡外殼發(fā)生膨脹，向外凸出一定位移（1~2mm），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流的擾動(dòng)，圖1是其工作示意圖。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在微氣泡驅(qū)動(dòng)器下層的基板上。在一定范圍內(nèi)，微致動(dòng)器的寬度越大，相同氣壓下氣泡的變形位移相對(duì)越大；或者說(shuō),產(chǎn)生相同變形位移時(shí)，薄膜越寬其塑性變形越小。為使可有效致動(dòng)薄膜部分的邊緣處有足夠?qū)挼母街鴰А?微氣泡致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸 微氣泡制動(dòng)器的制作采用微機(jī)械加工技術(shù)，微機(jī)械加工技術(shù)主要應(yīng)用于制作微型機(jī)電系統(tǒng)、微致動(dòng)器、為傳感器等。微氣泡制動(dòng)器制作過(guò)程中最關(guān)鍵的問(wèn)題是，在不損壞材料本身的前提下去除大面積的規(guī)模，最典型的犧牲層材料（氧化物、硅、光致抗蝕劑、金屬）是互不相容的，如揮發(fā)性腐蝕劑在長(zhǎng)期的曝光條件下對(duì)硅酮橡膠極為不利。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。商品名帕里綸（Parylene），是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備的具有聚二甲撐苯撐結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜的統(tǒng)稱，它有極其優(yōu)良的電性能、耐熱性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性，主要有 Parylene N（聚對(duì)二甲苯）、Parylene C（聚一氯對(duì)二甲苯）和 Parylene D（聚二氯對(duì)二甲苯）三種。高壓氣體通入是硅酮橡膠脫離聚對(duì)二甲苯層，形成一層硅膠薄膜，在涂敷硅酮橡膠時(shí)采用硅樹脂溶液稀釋，因?yàn)楣柰鹉z的粘度很高，這樣可以得到較好的涂敷效果。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)。在頭錐內(nèi)集成臨界狀態(tài)是微氣泡驅(qū)動(dòng)器與頭錐的輪廓匹配。驅(qū)動(dòng)器的集成與互相連接和設(shè)計(jì)傳感器，一是整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)能夠安裝在頭錐內(nèi)。 汽缸及控制閥結(jié)構(gòu)此配置結(jié)構(gòu)中，沿包裝的微氣泡驅(qū)動(dòng)器安裝在頭錐內(nèi)，在包裝上用膠水粘合。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。組合安裝的特性和微氣泡驅(qū)動(dòng)器的包裝簡(jiǎn)化了集成過(guò)程。[18]。 微氣泡制動(dòng)器靜力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖查得文獻(xiàn)[19]，矩形薄膜的載荷變形關(guān)系的理論公式： （21） （22） （23）式中： 施加壓力 薄膜材料的彈性模量 薄膜材料的殘余應(yīng)力 薄膜材料的泊松比 薄膜的厚度 薄膜的變形位移 薄膜的寬度的一半 薄膜的長(zhǎng)度的一半 。彈性模量E=，殘余應(yīng)力σ=[20],。然后帶入公式（）計(jì)算不同壓力條件下的微氣泡薄膜變形位移。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。微氣泡薄膜的位移變形結(jié)果如下所示，仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符。（a）壓力 （b）長(zhǎng)度（c）寬度