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1、MEMS在航天航空领域中的应用与发展趋势 1 MEMS在航天航空领域中的应用与发展趋势 电科二班陈天乐 航空航天MEMS传感器的工作环境航空航天MEMS传感器种类技术在航天领域中的应用优势和空间应用在太空 高空领域使用的MEMS技术的进展在微纳卫星领域的应用MEMS技术在航空领域的应用 航空航天MEMS传感器的工作环境 主要是指飞机 卫星 飞船各类飞行器以及火箭在外层空间飞行时所处的环境条件 它可分为自然环境和诱导环境 自然环境包括失重和各种空间环境 诱导环境是指航天器某些系统工作时或在空间环境作用下产生的环境 例如 轨道控制推力器点火和太阳电池翼伸展引起的振动 冲击环境 航天器上的磁性材料和
2、电流回路在空间磁场中运动产生的感应磁场 航天器上有机材料逸出物沉积在其他部位造成的分子污染等 空间环境是空间飞行的基本环境条件 对航天器的运动和各系统的工作有显著影响 空间环境包括 真空 电磁辐射 高能粒子辐射 等离子体 微流星体 行星大气 磁场和引力场等 根据空间存在的物质 辐射和力场的时空分布特性 太阳系内的空间环境大致可分为行星际空间环境 地球空间环境和其他行星空间环境 航空航天MEMS传感器种类 简单地说 航空航天传感器主要有状态传感器 环境传感器之分 前者包括各种活动机件的即时位置传感器 如副翼位置 喷口大小 油门位置 减速板位置 起落架收放位置等 飞机状态传感器 如迎角 侧滑角传感
3、器 飞机姿态传感器等 各种参数如液压 油压 发动机振动量 滑油金属屑 各种消耗品如油料剩余量 消耗速度等 还有结冰传感器 火警传感器 极限传感器 过载传感器 生命传感器以及各种多余度系统的自动转换传感器 环境传感器主要有温度传感器 湿度传感器 氧气传感器 压力传感器 流量传感器等 优势和空间应用 MEMS技术首先应用在航天技术领域 是由于航天技术对器件功能密度比的要求非常高 也可以说 MEMS技术的主要需求牵引来自于航天领域 MEMS技术在航天领域应用优势 极小的质量和体积 低发射质量 低功耗 大部分器件处于电静态 小的热常数 可用较低功率来维持温度 抗震动 抗冲击和抗辐射 机械装置 如开关
4、可以抗辐射加固 低惯性质量使MEMS可抗震动 冲击 高集成度 在一个芯片上集成了多种功能 大大简化了系统的结构 批量制造 低成本 大批量生产 因此 对航天工业的技术进步有着重大的推动作用 在太空 高空领域使用的MEMS技术的进展 传统卫星的元器件 用MEMS技术批量化生产 在民用产品上已经广泛应用的一些惯性器件 用于大型卫星发射及在轨期间过程控制的监测 为卫星上部组件调控及地面遥控和卫星上部件故障的判断提供技术依据 也为提高后续卫星的设计水平及持续改进质量提供宝贵的资料 卫星的新型或改进仪器 MEMS是典型的新技术 如用于JWST的镜面阵列 尺寸缩小使得MEMS仪器可应用于纳米卫星以及新功能
5、大规模生产的仪器 MEMS元器件体积小 重量轻 功耗低 可大规模生产 与微型推进器相兼容 在微纳卫星领域的应用 随着微电子技术的发展 特别是近年来以微型机电系统MEMS和微型光机电系统MOEMS为代表的微米 纳米技术的发展 使微型卫星 纳卫星和皮卫星等微小卫星的实现成为可能 由于MEMS加工技术本身的特点 MEMS器件很容易将传感器 执行器及控制电路集成在硅基底上 极大地减少了系统的组件个数 使卫星的体积和重量大大减小 纳型 皮型卫星是以MEMS技术和由数个MEMS组成的专用集成微型仪器ASIM为基础的一种全新概念的卫星 是MEMS应用于航天领域的重要成果 纳型 皮型卫星及其星座和编队飞行的发
6、展同时给星上推进 姿控 电源等系统提出了包括体积 质量 功耗 成本和可靠性等在内的更高的要求 按照传统加工方法已无法使推进系统和星务管理 电源等系统在保证功能的同时达到纳 皮型卫星或者将来更小型卫星的质量 体积和功耗要求 只有通过采用MEMS技术 使卫星分系统和部件微型化 再使这些分系统和部件高度集成 研制出有较强功能的微型卫星 然后再发展分布式空间系统结构 以最终实现超小型的纳米卫星 基于MEMS技术的微型元器件以及微型姿控 推进分系统就是以此为契机迅速发展起来 a 微推进系统 为满足微 纳卫星的发展 必然要求有与其相适应的微推进技术 除对小冲量和小推力的要求更为苛刻外 包括对重量 体积和功
7、率等的苛刻要求 利用MEMS加工技术 能将推进系统的贮箱 喷嘴 阀门 推进剂进给系统甚至控制电路都集成在一个或几个硅片上 再通过装配技术将这些MEMS器件组装在一起 形成功能完善 稳定性高的集成微推进系统 现在比较适用于微小卫星的推进技术是数字阵列微推力器和微压力传感器 b 微惯性测量组合 通过集成三轴MEMS陀螺和加速度计 构成一个结构灵巧 价格便宜的惯性测量器件 可取代传统的惯性装置 用于姿态调节 我国清华大学研制的NS 1试验了新型MIMU装置 微型惯性测量组合 它拥有3个陀螺 可以精确测量卫星的运动轨迹 短期精度比较高 主要用于三轴稳定姿态控制 MIMU对卫星的机动能力有重大意义 结合
8、液氨微推进技术 使小卫星具有很强的精确变轨能力 c 海量数据存储 在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的数据存储系统 将显著降低存储系统的尺寸 重量 存取等待时间 失效率和成本 且存储数据量大 存储密度达到1Gb cm2 100Gb cm2 远远高于目前的磁存储和光存储 d 微型高能能源 目前开发的微型能源有太阳能电池 燃料电池和新型电池 微型能源可以突破成本和重量的限制 提供高能动力保障 其能量密度要比现有的最好电池高出几十倍 微蓄电池的开发也在微能源的研究中占有重要地位 目前实际使用中以锂电池居多 锂电池有较高的比能量100 200Ah kg和优良的循环使用性能 微型锂蓄电池 可以利用各种沉
9、积技术 制成各种二维形状的电池 能够方便地与微机电器件集成在一起 或者利用集成电路的制造工艺 大批量单独制造或是与集成电路同时制造微型锂蓄电池 e 热控 在空间运行的卫星约有一半时间受到太阳光直射 而剩余时间处在地球的阴影中 卫星周期性地受到照射 高温 和进入阴影 低温 若不采取适当的措施 会影响到卫星的正常工作和寿命 得克萨斯仪器公司开发的微镜的薄窗板覆盖卫星表面 对卫星实行热量或温度控制 窗板由硅衬底上的制动柱和铰链支撑 其铝金属的盖反射热和光 硅衬底表面涂有高辐射率的材料 当需将热量从卫星散走时 电动铰链打开面对太阳的窗板 露出高辐射率的涂层 因为硅对红外线透明 在涂层下的热源会向外辐射
10、红外线 使仪器温度下降 也可在硅衬底表面腐蚀出小沟道 然后用薄膜封住形成小管道 将甲醇泵进这些小管道 将热量从卫星的一处带到另一处 MEMS技术在航空领域的应用 MEME技术在航空领域也有广泛的应用 譬如为各种飞机 战斗机服务的航空状态监测传感器 这种传感器是指专门用于获取表征航空装备状况的各种连续或离散的可测量参数的传感器 主要用于实现飞行器工况的实时监测 同时这些状态信息可用于飞行器整机或部件的故障预测与健康管理 我国航空状态监测传感器的技术水平经多年来的发展有了长足进步 但与国外先进水平相比还有较大差距 特别是在材料与工艺等基础技术方面与发达国家差距较大且创新性不足 美国空军早在上个世纪
11、末就开展了MEMS传感器在飞机上应用的可行性研究 进行了大量的地面和空中试验 2004年 北大西洋公约组织 NATO 就针对MEMS技术在航空航天中的应用开展了一系列的研究 随着现代微机电系统 MEMS 的飞速发展 近年来硅微陀螺 俗称芯片陀螺 研制工作进展很快 现在美国已开始小批量生产由硅微陀螺和硅加速度计构成的微型惯性测量装置 其低成本 低功耗及体积小 重量轻的特点很适于战术应用 在航空方面最先的应用场合将是战术导弹和无人机 早在JSF研制的初期 洛克希德 马丁公司就着手研究MEMS技术在军用飞机上应用的可行性 同时或考虑在现役的F16战斗机中采用MEMS技术 据报道 JSF战斗机的智能轮
12、胎内嵌入了MEMS轮胎压力传感器 可以对轮胎的膨胀压力和温度进行感应和传输 并跟踪轮胎序列号 帮助监控轮胎寿命 美海军的H 46型直升机适用MEMS传感器嵌入轮胎内部 使维修停飞期缩短了50 减少故障30 每年节约维修费用约6000万美元 采用MEMS技术可以将机电系统的状态检测设计成分布式结构 大大降低了系统的复杂性 并增加了系统的灵活性和可靠性 波音公司研制了基于MEMS技术的压力带用于飞行载荷测试 压力带采用模块化 多芯片模块 MCM 的设计思路 将整个压力带分成若干个段 可以有127个段 每段有一个包含6个压力传感器的智能模块 智能模块包含有敏感部分 对应的信号调节和处理电路 校准机构
13、和通信接口 压力带首先用在Boeing757 300飞机上 对飞机的起落架性能进行测试 之后又用于测量飞机机翼表面的空气动力分布 利用MEMS技术研制的压力带 可提高安装效率5倍 提高精度10倍 压力带样机在Boeing757 300 737 BBJ 767 400和F 18E飞机上进行了充分的飞行试验 并在737 900飞机上进行了产品的飞行验证 MEMS传感器的主要应用MEMS技术在航空航天领域中的各种应用 其实大部分都是以传感器的形位为其服务 在这里 我们从传感器的角度来分析MEMS技术的应用 MEMS传感器主要有五种用途 提供有关航天器的工作信息 起故障诊断的作用 判断各分系统间工作的
14、协调性 验证设计方案 提供全系统自检所需信息 给指挥员决策提供依据 提供各分系统 整机内部检测参数 验证设计的正确性 监测飞行器内外部的环境 为飞行员航天员提供所需的生存条件 保障正常飞行参数 MEMS传感器构成的电子设备MEMS传感器在飞行器中的电子设备 飞行器设计及微小卫星等技术方面都有重要的应用 机载分布式大气数据计算机 由全压一静压一攻角为一体的多功能微型大气数据探头 或称组合式空速管 微型压力传感器 静压 差压及动压 以及信号处理单元直接组成 并封装在壳体内 形成一个微机电系统 MEMS惯性导航系统微型惯性导航系统集微陀螺 微加速度计及其信号处理单元为一体 该系统以硅材料为主 用ME
15、MS加工工艺制造而成 其体积和质量比常规惯性导航系统至少下降2一3个数量级 采用MEMS技术制造的微型惯性测量单元 MIMU 没有转动的部件 在寿命 可靠性 成本 体积和质量等方面都要大大优于常规的惯性仪表 所生产出来的标准化的 高性能航天器姿态测量仪器性能更好 价格更便宜 而且在航空航天平台均能使用 采用MIMU器件可使装置的重量大大减轻 MEMS加速度传感器加速度传感器在航空航天应用在姿态航向基准系统 捷联惯性测量单元 飞机导航系统 飞行控制系统 包括颤振测试在内的飞行期间结构测试 健康系统测试 稳定性测试 地面振动测试 风洞试验 模态测试 发动机控制系统 制导系统等 MEMS化学传感器这
16、种类似于电子鼻的高温传感器阵列是用于检测和控制航空和汽车发动机的排放物质 通过分析电子鼻产生的信号确定排放系统废气的成分 MEMS压力传感器航空航天传感器在飞行中 飞行试验 发动机测试验 结构强度试验 风洞试验 以及在设备的制造生产过程中应用十分普遍 压力测量的特点是 被测压力种类多 涉及范围广 测压点多 要求测量精度高 5未来发展趋势航天航空集当代先进制造技术 信息技术和材料技术于一身 对传感器的要求越来越高 MEMS传感器发展方向是多功能化 小型化 智能化 集成化 随着产品可靠性进一步提高和价格降低 制作技术发展的不断成熟和完善 MEMS传感器在航空航天领域的应用将会在更广泛范围取代传统传感器 MEMS技术是21世纪的高新科学技术 我国的MEMS技术起步较晚 但经过20年的发展已取得了可喜的成绩 虽然我国的MEMS技术与发达国家相比还存在一定的差距 但我们确信 只要我国科技工作者共同努力 一定可以占领这项世界科学尖端技术的制高点
