第7章飛行器有關(guān)技術(shù)概述7.1CAD/CAM技術(shù)7.2主動控制與綜合控制技術(shù)7.3隱身技術(shù)7.4系統(tǒng)工程7.5微機電系統(tǒng)思考題與習(xí)題

7.1CAD/CAM技術(shù)

7.1.1CAD/CAM基礎(chǔ)知識計算機輔助設(shè)計及制造(CAD/CAM)技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代后期發(fā)達(dá)國家的航空和軍事工業(yè)中，隨著計算機軟硬件技術(shù)和計算機圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。1989年，美國國家工程科學(xué)院將CAD/CAM技術(shù)評為當(dāng)代(1964—1989)十項最杰出的工程技術(shù)成就之一。

目前，CAD/CAM已經(jīng)取得了令人矚目的成就，應(yīng)用范圍也迅速擴張。工程設(shè)計借助計算機已經(jīng)可以直接從三維造型開始，實現(xiàn)計算機無紙化設(shè)計乃至虛擬產(chǎn)品開發(fā)(VPD)。而在制造技術(shù)方面，已經(jīng)完全可以在計算機上實現(xiàn)零件建模、工藝設(shè)計、自動生成數(shù)控代碼，以及與數(shù)控機床的數(shù)據(jù)通信，甚至已經(jīng)可以實現(xiàn)計算機上的虛擬制造與裝配。

1．CAD的定義

從最廣泛的意義上來說，CAD是指利用計算機解決設(shè)計問題的任何應(yīng)用。但一般定義是指用計算機圖形顯示技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)、分析、修改和優(yōu)化的應(yīng)用。CAD系統(tǒng)由能夠完成特定用戶功能的軟件和硬件組成：硬件包括計算機主機、圖形終端、輸入輸出設(shè)備和相關(guān)的外圍設(shè)備等；軟件由計算機圖形系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成。CAD系統(tǒng)主要有幾何造型、工程分析、設(shè)計評估、自動繪圖、零件分類與編碼五個任務(wù)，并為產(chǎn)品制造提供數(shù)據(jù)庫，而且這個數(shù)據(jù)庫包括設(shè)計階段產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，使產(chǎn)品的設(shè)計和制造之間建立了直接聯(lián)系。

2．CAM的定義

CAM通過各種接口，用計算機去規(guī)劃、管理和控制制造工廠的操作。通常的CAM可以分為兩大類：一類是計算機監(jiān)控，即計算機直接連接到制造過程，以監(jiān)督或控制產(chǎn)品生產(chǎn)，稱為直接應(yīng)用；另一類是制造支持應(yīng)用，這時計算機和制造過程中沒有直接接口，稱為間接應(yīng)用，如數(shù)控編程、計算機輔助工藝過程設(shè)計、生產(chǎn)調(diào)度及材料需求計劃等。

從CAD/CAM集成系統(tǒng)的角度來看，與CAD相關(guān)聯(lián)的CAM應(yīng)用，主要包括：從生產(chǎn)計劃到原材料的合理使用，人員的適當(dāng)安排，機械設(shè)備的有效利用等生產(chǎn)管理；如何選擇加工條件，以及數(shù)控編程；具體生產(chǎn)時的生產(chǎn)技術(shù)。如果從最狹義的角度理解CAM，一般是指數(shù)控編程。但從根本上說，數(shù)控編程在CAM處理的整個對象中只占據(jù)很小的一部分。

3．CAD/CAM的定義

在飛行器設(shè)計階段，設(shè)計者根據(jù)少量的總體參數(shù)或三面圖的外形數(shù)據(jù)，建立全機外形數(shù)學(xué)模型，用各種適當(dāng)?shù)那娣匠虂肀硎撅w機各部分的機體表面。此后的設(shè)計工作，如氣動性能核算、結(jié)構(gòu)強度校驗、系統(tǒng)設(shè)計的空間協(xié)調(diào)等，需要用到的一切外形數(shù)據(jù)都統(tǒng)一由計算機從數(shù)學(xué)模型上提取。凡是與飛機外形有關(guān)的吹風(fēng)模型加工、模線繪制、工藝裝備元件(如鈑金模具、標(biāo)準(zhǔn)樣件的型面部分和定位基準(zhǔn)等)和零件加工等都從數(shù)學(xué)模型上提取有關(guān)的外形數(shù)據(jù)。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAM的研究內(nèi)容也在逐步擴展。按現(xiàn)在慣常的理解，計算機輔助飛機設(shè)計、制造、管理的研究內(nèi)容及相互關(guān)系如圖7-1所示。從圖中可以看出，CAGD是CAE和CAM的連接環(huán)節(jié)。按國外的習(xí)慣，CAGD往往也稱為CAD，主要完成對設(shè)計對象的幾何形狀的設(shè)計工作。

圖7-1

CAD/CAM的關(guān)系示意

4．CAD的幾何模型系統(tǒng)

CAD/CAM技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域隨著全球工業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展，CAD/CAM所基于的幾何模型也不斷推陳出新，從最早的線框幾何模型，發(fā)展到曲面幾何模型和實體幾何模型；從參數(shù)化技術(shù)到變量化技術(shù)和特征造型技術(shù)，每一種新技術(shù)的出現(xiàn)都會大大促進(jìn)CAD技術(shù)的發(fā)展。

1)線框幾何模型(WireframeMode)

線框結(jié)構(gòu)的幾何模型是在CAD剛剛起步時使用的幾何模型。早期對線框結(jié)構(gòu)的幾何模型研究得比較多，所以它也是一種被廣泛采用的模型，現(xiàn)在的很多二維軟件都基于這種幾何模型。它的描述手段是以線段、圓、弧和一些簡單的曲線為描述對象，因而也把線段、圓、弧和一些簡單的曲線稱為圖形元素。但這種初期的線框造型系統(tǒng)只能表達(dá)基本的幾何信息，不能有效表達(dá)幾何數(shù)據(jù)間的拓?fù)潢P(guān)系，在三維方面的進(jìn)一步處理上有很多麻煩和困難，如消隱、著色、特征處理等，而且由于缺乏形體的表面信息，CAM和CAE均無法實現(xiàn)，因而在現(xiàn)代的CAD系統(tǒng)中較少使用。

2)曲面幾何模型結(jié)構(gòu)(SurfaceMode)

20世紀(jì)70年代，正值飛機和汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展。這個期間，飛機和汽車制造中遇到了大量的自由曲面問題，當(dāng)時只能采用多截面視圖和特征緯線的方式來近似表達(dá)所設(shè)計的自由曲面。由于三視圖方法表達(dá)具有不完整性，因而經(jīng)常發(fā)生設(shè)計完成后，制作出來的樣品與設(shè)計者所想象的有很大差異，甚至完全不同。這樣，對更先進(jìn)設(shè)計手段的需求越來越迫切，同時，相關(guān)的數(shù)學(xué)理論和方法研究也取得了相當(dāng)?shù)某晒?，促使了曲線曲面幾何模型的產(chǎn)生。

對于曲面形狀的描述，一般是通過一組離散點的集合來給定的。這時就需要將一元樣條函數(shù)拓展成二元樣條函數(shù)，將一維樣條曲線拓展為二維樣條曲面?，F(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的曲線造型方法是非均勻有理B樣條(Non-UniformRationalB-Spline)方法，簡稱為NURBS。在NURBS曲線的基礎(chǔ)上可以建立NURBS曲面，現(xiàn)在很多曲面幾何模型的基石都是NURBS曲面，如SurfCAM、AliasStudio等。

曲面幾何模型主要應(yīng)用在航空、船舶和汽車制造領(lǐng)域，以及對模型的外形要求比較高的軟件中。但曲面幾何模型也有一些缺點，例如，曲面模型技術(shù)只能表達(dá)形體的表面信息，難以準(zhǔn)確表達(dá)零件的其他特性，如質(zhì)量、重心、慣性矩等，對CAE十分不利。最大的問題在于分析的前處理特別困難，在有限元分析、物性計算等方面很難應(yīng)用。

3)實體幾何模型結(jié)構(gòu)(SolidMode)

實體幾何模型理論的發(fā)展可以追溯到1970年。當(dāng)時利用構(gòu)造幾何體(ConstructiveSolidGeometry，CSG)方法，將所建立的實體首先大致描繪出來，然后再將這個實體轉(zhuǎn)換，用邊界表示法(BoundaryRepresentation，BR)表示出來。其中，CSG方法是首先定義一些基本體素，即標(biāo)準(zhǔn)形狀的基本實體(如立方體、圓柱體、圓錐體、球體等)和它們的幾何尺寸(半徑、長度等)，然后對這些基本體素進(jìn)行布爾運算(并、交、差)，從而形成復(fù)雜的零件形狀；BR方法則是用顯式或隱式方程描述實體的邊界曲線、曲面方程，并記錄其拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

4)參數(shù)化(Parametric)設(shè)計、變量化(Variational)設(shè)計和特征(Feature)設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計一般是指設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型，可以用一組參數(shù)來約定尺寸關(guān)系，參數(shù)的求解較簡單，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯式對應(yīng)關(guān)系，設(shè)計結(jié)果的修改受尺寸驅(qū)動。例如，生產(chǎn)中最常用的系列化標(biāo)準(zhǔn)件就屬于這一類型。

變量化設(shè)計是指設(shè)計對象的修改需要更大的自由度，需通過求解一組約束方程來確定產(chǎn)品的尺寸和形狀。約束方程可以是幾何關(guān)系，也可以是工程計算條件，設(shè)計結(jié)果的修改受到約束方程驅(qū)動。變量化設(shè)計允許尺寸欠約束的情況存在，設(shè)計者可以采用先形狀后尺寸的設(shè)計方式，將滿足設(shè)計要求的幾何形狀放在第一位而暫時不用考慮尺寸細(xì)節(jié)，設(shè)計過程相對寬松。變量化設(shè)計可以用于公差分析、運動機構(gòu)協(xié)調(diào)、設(shè)計優(yōu)化、初步方案設(shè)計選型等，尤其在概念設(shè)計時更顯得得心應(yīng)手。

特征(Feature)在這里作為一個專業(yè)術(shù)語，兼有形狀和功能兩種屬性，包括產(chǎn)品的特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、繪圖表示方法、制造技術(shù)和公差要求。特征造型技術(shù)使產(chǎn)品的設(shè)計工作在更高的層次上進(jìn)行，設(shè)計人員的操作對象不再是原始的線條和體素，而是產(chǎn)品的功能要素。特征的引用直接體現(xiàn)了設(shè)計意圖，使建立的產(chǎn)品模型更容易為人理解和組織生產(chǎn)，為開發(fā)新一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

7.1.2常用的CAD/CAM軟件

1．AutoCAD及MDT

AutoCAD系統(tǒng)是美國Autodesk公司為微機開發(fā)的一個交互式繪圖軟件，基本上是一個二維工程繪圖軟件，具有較強的繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標(biāo)注以及方便用戶的二次開發(fā)功能，也具有部分的三維作圖造型功能。

MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在機械行業(yè)推出的基于參數(shù)化特征實體造型和曲面造型的微機CAD/CAM軟件，應(yīng)用也是比較廣泛的。

2．Pro/Engineer

Pro/Engineer系統(tǒng)是美國參數(shù)技術(shù)公司(ParametricTechnologyCorporation，PTC)的產(chǎn)品，1988年剛一面世，就以其先進(jìn)的參數(shù)化設(shè)計、基于特征設(shè)計的實體造型而深受用戶的歡迎。此外，Pro/Engineer系統(tǒng)一開始就建立在工作站上，使系統(tǒng)獨立于硬件，便于移植。這個系統(tǒng)用戶界面簡潔、概念清晰，符合工程人員的設(shè)計思想與習(xí)慣。

Pro/Engineer系統(tǒng)的曲面生成、編輯能力覆蓋了曲面造型中的主要問題，一般用于構(gòu)造表面模型、實體模型，并且可以在實體上生成任意凹下或凸起物等，尤其是可以將特殊的曲面造型實例作為一種特征加入特征庫中。Pro/Engineer系統(tǒng)自帶的特征庫就含有復(fù)雜拱形表面、三維掃描外形、復(fù)雜的非平行或旋轉(zhuǎn)混合、混合-掃描、管道等特征，它的曲面處理僅適于通用的機械設(shè)計中較為常見的曲面造型問題。Pro/Engineer整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而統(tǒng)一的模型，能夠?qū)⒄麄€設(shè)計至生產(chǎn)過程集成在一起，共有20多個模塊可以供用戶選擇。

3．I-DEASMasterSeries

I-DEASMasterSeries是美國SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司于1993年推出的新一代機械設(shè)計自動化軟件，也是SDRC公司在CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的旗艦產(chǎn)品，以其高度一體化、功能強大、易學(xué)易用等特點而著稱。這款軟件采用了超變量化(VGX)技術(shù)，用戶可以直觀、實時地進(jìn)行三維產(chǎn)品的設(shè)計和修改。

VGX的好處有：第一，不必要求模型“全約束”，在全約束及非全約束的情況下均可以順利地完成造型；第二，模型修改不必拘泥于造型歷史樹，可以基于造型歷史樹，也可以超越造型歷史樹；第三，可以直接編輯任意3D實體特征，沒有必要回到生成這種特征的2D線框初始狀態(tài)；第四，可以就地以拖動方式隨意修改3D實體模型，而沒有必要僅以“尺寸驅(qū)動”一種方式來修改；第五，模型修改許可形狀及拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生變化，而并非像參數(shù)技術(shù)那樣僅僅是尺寸的數(shù)據(jù)發(fā)生變化；第六，所有操作均采用“拖-放”方式，操作簡便。

I-DEAS提供了獨特的變量成型工具，它基于最小能量法，使用先進(jìn)的高層次操作，較完整地解決了主要的曲面造型問題。例如，對直觀的幾何形狀進(jìn)行推擠、彎扭、相斥、吸引等，使底層的曲面曲線成型；也可以對真實的幾何體直接進(jìn)行交互修改，從而得到光順的形狀，而不像傳統(tǒng)的那樣對控制點、權(quán)、節(jié)點進(jìn)行交互操作。

4．CATIA

CATIA系統(tǒng)是法國達(dá)索(Dassault)飛機公司DassaultSystems工程部開發(fā)的產(chǎn)品。這個系統(tǒng)是在CADAM系統(tǒng)(原由美國洛克希德公司開發(fā)，后并入美國IBM公司)的基礎(chǔ)上擴充開發(fā)的，在CAD方面購買了原CADAM系統(tǒng)的源程序，在加工方面則購買了有名的APT系統(tǒng)的源程序，經(jīng)過幾年的努力，形成了商品化的系統(tǒng)。CATIA系統(tǒng)如今已發(fā)展為集成化的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，具有統(tǒng)一的用戶界面、數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序接口，并擁有20多個獨立的模塊，美國波音飛機公司研制的波音777飛機便是其杰作之一。

5．EUCLID

EUCLID軟件是法國MATRA公司信息部的產(chǎn)品，是由法國國家科學(xué)研究中心為英國和法國聯(lián)合研制的“協(xié)和”號超聲速旅客機開發(fā)的軟件，目前在汽車工業(yè)上的應(yīng)用較多。這個軟件具有統(tǒng)一的面向?qū)ο蟮姆植际綌?shù)據(jù)庫，在三維實體、復(fù)雜曲面、二維圖形及有限元分析模型間不需要做任何數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作。由于數(shù)據(jù)是彼此引用，而不是簡單的復(fù)制，所以用戶在修改某部分設(shè)計時，其他相關(guān)數(shù)據(jù)會自行更新。

6．Unigraphics(UG)

Unigraphics(UG)是起源于美國麥道(MD)公司的產(chǎn)品。1991年11月，麥道公司并入美國通用汽車公司EDS分部，?UG由其獨立子公司UnigraphicsSolutions開發(fā)。是一個集CAD、CAE和CAM于一體的機械工程輔助系統(tǒng)，適用于航空航天器、汽車、通用機械以及模具等的設(shè)計、分析和制造工程。

UG以Parasolid幾何造型核心為基礎(chǔ)，采用基于約束的特征建模和傳統(tǒng)的幾何建模為一體的復(fù)合建模技術(shù)。它的曲面功能包含于FreeformModeling模塊之中，采用了NURBS、B樣條、Bezier數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，同時保留了解析幾何實體造型的方法，造型能力較強。UG的曲面建模完全集成在實體建模之中，并可以獨立生成自由形狀形體以備實體設(shè)計時使用。而許多曲面建模操作可以直接產(chǎn)生或修改實體模型，曲面殼體、實體與定義它們的幾何體完全相關(guān)。UG軟件實現(xiàn)了面與體的完美集成，可以將沒有厚度的曲面殼縫合到實體上?？傮w而言，UG的實體化曲面處理能力是其主要特征和優(yōu)勢。

UG具有尺寸驅(qū)動編輯功能和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了CAD、CAE、CAM之間無數(shù)據(jù)交換的自由切換。它具有很強的數(shù)控加工能力，可以進(jìn)行2軸、2.5軸、3軸、4軸、5軸聯(lián)動的復(fù)雜曲面的加工和鏜銑。UG還提供了二次開發(fā)工具GRIP、UFUNG、ITK等，允許用戶擴展UG的功能。

7．SolidWorks

SolidWorks是一套基于Windows的CAD/CAE/CAM/PDM桌面集成系統(tǒng)，是由美國的SolidWorks公司于1995年11月研制開發(fā)的。這個軟件采用自頂向下的設(shè)計方法，可以動態(tài)模擬裝配過程。它采用基于特征的實體建模，自稱100%的參數(shù)化設(shè)計和100%的可修改性，具有先進(jìn)的特征樹結(jié)構(gòu)，使操作更加簡便和直觀。由于SolidWorks是直接基于Windows平臺開發(fā)的，較好地利用了Windows的系統(tǒng)資源。

7.2主動控制與綜合控制技術(shù)

7.2.1主動控制技術(shù)主動控制技術(shù)(ActiveControlTechnology，ACT)是指在飛行器設(shè)計的初始階段就主動地考慮飛行控制系統(tǒng)的作用，利用控制系統(tǒng)來改變飛行器的靜態(tài)和動態(tài)性能，以達(dá)到總體設(shè)計的目標(biāo)，放寬氣動、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)等方面的要求，提高飛行器的整體性能水平。

主動控制技術(shù)是由美國率先提出的一種飛行器設(shè)計和控制技術(shù)。從飛行器設(shè)計的角度來說，主動控制技術(shù)是在飛行器設(shè)計的初始階段就考慮到飛行控制系統(tǒng)對總體設(shè)計的影響，充分發(fā)揮飛行控制系統(tǒng)潛力的一種飛行控制技術(shù)。

采用主動控制技術(shù)的飛行器設(shè)計方法不同于常規(guī)的設(shè)計方法。常規(guī)的飛行器設(shè)計方法的過程是這樣的：根據(jù)任務(wù)要求，考慮氣動力、結(jié)構(gòu)強度和發(fā)動機三大因素，并在它們之間進(jìn)行折中以滿足任務(wù)要求。

而采用主動控制技術(shù)的設(shè)計方法則打破了這一格局，把飛行控制系統(tǒng)提高到和氣動力、結(jié)構(gòu)強度、發(fā)動機三大因素同等重要的地位，使其成為選型必須考慮的四大因素之一，并起積極的作用。在飛行器的初步設(shè)計階段就考慮全時間、全權(quán)限的飛行控制系統(tǒng)的作用，綜合選型，選型后再對飛行控制系統(tǒng)以外的其他分系統(tǒng)提出設(shè)計要求，這樣，就可以放寬對氣動力、結(jié)構(gòu)強度和發(fā)動機方面的限制，依靠控制系統(tǒng)主動提供人工補償，于是飛行控制系統(tǒng)由原來的被動地位變?yōu)橹鲃拥匚唬浞职l(fā)揮了飛行控制的主動性和潛力，因而稱這種技術(shù)為主動控制技術(shù)。采用主動控制技術(shù)的飛行器設(shè)計方法如圖7-2所示。

圖7-2主動控制技術(shù)的飛行器設(shè)計方法示意

由于采用主動控制技術(shù)的設(shè)計方法時，在選型和布局的過程中都將控制系統(tǒng)作為一個主要因素來考慮，所以這種技術(shù)又被稱為隨控布局技術(shù)(ControlConfiguredVehicle)。目前，主動控制技術(shù)的功能包括放寬靜穩(wěn)定性(ReducedStaticStability，RSS)、邊界控制(BoundaryControl，BC)、直接力控制(DirectForceControl，DFC)、陣風(fēng)減緩(GustLoadAlleviation，GLA)、乘座品質(zhì)控制(RideQualityControl，RQC或RC)、機動載荷控制(ManeuveringLoadControl，MLC)和顫振模態(tài)控制(FlutterModeControl，F(xiàn)MC)等。

(1)放寬靜穩(wěn)定性。在飛機設(shè)計中，傳統(tǒng)的設(shè)計要求保證焦點(F)在質(zhì)心(cg)之后，如圖7-3所示。這樣，就可以保證飛機的縱向靜穩(wěn)定性，如圖7-4所示。放寬靜穩(wěn)定性飛機的好處，主要是可以減小配平阻力，并由此減少燃料消耗量，增加有效航程，從而增加飛機的加速性、爬升速度與升限；同時，可以減小平尾與垂尾的面積和質(zhì)量，增加有用升力，并由此增加法向加速度和飛機的機動能力。

圖7-3傳統(tǒng)飛機設(shè)計中飛機的焦點與質(zhì)心的關(guān)系圖7-4不放寬、放寬靜穩(wěn)定性時飛機縱向配平關(guān)系

(2)邊界控制。無邊界限制的飛機，飛行員在操縱時必須非常謹(jǐn)慎、小心，一般傾向于遠(yuǎn)離邊界，避免超出邊界而發(fā)生危險。這樣，一方面難以發(fā)揮飛機的機動能力，另一方面也增加了飛行員的工作負(fù)擔(dān)。采用邊界控制后，飛行員實現(xiàn)了“無憂操縱”，能夠充分發(fā)揮飛機的潛力。常見的邊界控制有迎角限制、側(cè)滑角限制、過載限制、馬赫數(shù)限制和空速限制。

(3)直接力控制。直接力控制是指直接改變升力、側(cè)力而不需要先改變姿態(tài)，或者改變力矩而不影響升力、側(cè)力(軌跡)?？v向和側(cè)向一般都包括直接力控制、指向控制和平移控制三種模態(tài)，如圖7-5所示。

圖7-5直接力控制的示意

直接力控制所帶來的好處體現(xiàn)在兩個方面。一是可以減少飛機著陸時的危險性，如圖7-6所示。普通側(cè)風(fēng)著陸時，飛機必須側(cè)航或者帶坡度側(cè)滑，在接近跑道時容易出現(xiàn)危險(見圖7-6(a))；使用直接側(cè)力可以保證機身水平、航向?qū)φ?，同時抵消側(cè)風(fēng)影響(見圖7-6(b))。二是可以在攻擊中使用機身指向控制，提高瞄準(zhǔn)速度，增加持續(xù)攻擊時間，如圖7-7所示。

圖7-6直接力控制減少飛機著陸危險的示意圖7-7直接力控制在攻擊中的示意

(4)機動載荷控制。機動載荷控制是指根據(jù)飛機的機動狀態(tài)，調(diào)節(jié)機翼的載荷分布來達(dá)到所要求的性能，如圖7-8所示。例如，大型飛機如果能使機翼不同部位的控制面偏轉(zhuǎn)，重新分布機翼載荷，使翼根附近載荷增加，而使翼根彎矩減小，就可以減輕機翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量(見圖7-8(a))；小型飛機可以通過控制機動時的升力分布來提高升阻比，進(jìn)而改善機動性能(見圖7-8(b))。

圖7-8ACT機動載荷控制的示意

(5)顫振模態(tài)控制。顫振模態(tài)控制是指利用控制系統(tǒng)，根據(jù)顫振模態(tài)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制力，主動地抑制顫振，如圖7-9所示。它的功能是感受顫振模態(tài)，產(chǎn)生校正反饋信號，從而產(chǎn)生控制力。

圖7-9主動顫振控制機構(gòu)原理

7.2.2綜合控制系統(tǒng)

綜合控制系統(tǒng)(IntegratedControlSystem，ICS)是指通過飛機各系統(tǒng)之間的交互協(xié)調(diào)、信息共享、自動協(xié)作等提高飛機的性能，擴展飛機的功能，增強飛機的任務(wù)能力。例如，將火力控制和飛行綜合(IntegratedFireandFlightControl，IFFC)控制耦合起來，可以自動根據(jù)火力控制系統(tǒng)解算出的信息，向飛行控制系統(tǒng)提供合適的控制信號，操縱攻擊機按要求的方向飛行，實現(xiàn)快速、精確而持續(xù)的瞄準(zhǔn)攻擊，還可以完成一些由人工無法完成的機動攻擊，如圖7-10所示。

圖7-10IFFC空地攻擊任務(wù)過程的示意

又如，將飛行和推進(jìn)綜合控制(IntegratedFlightandPropusionControl，IFPC)耦合起來，可以增強航跡和姿態(tài)控制能力，提高飛行性能。按不同的任務(wù)要求可以快速調(diào)節(jié)推力，也可以節(jié)省燃油，增大航程，延長發(fā)動機壽命。同時，還可以與任務(wù)、導(dǎo)航等系統(tǒng)綜合，實現(xiàn)自動、自主飛行。IFPC導(dǎo)致的飛行包線擴展如圖7-11所示。

圖7-11IFPC導(dǎo)致的飛行包線擴展的示意

再如，火飛推綜合控制(IntegratedFire-Flight-PropusionControl，IFFPC)可以實現(xiàn)多種自動、自主飛行及自動、自主攻擊，目前已在很多有人駕駛飛機和無人作戰(zhàn)飛機上得到應(yīng)用。通過飛行推進(jìn)綜合可以構(gòu)建完善的飛機運動控制系統(tǒng)，然后與綜合火控系統(tǒng)耦合，根據(jù)火控攻擊要求自動操縱飛機，實現(xiàn)自動機動攻擊，如圖7-12所示。

圖7-12典型任務(wù)飛行過程和在目標(biāo)區(qū)典型自動機動攻擊過程的示意

7.3隱身技術(shù)

7.3.1隱身技術(shù)的一般概念隱身技術(shù)的專業(yè)定義是：在飛機研制過程中設(shè)法降低它的可探測性，使之不容易被敵方發(fā)現(xiàn)、跟蹤和攻擊的專門技術(shù)。簡言之，隱身就是使敵方的各種探測系統(tǒng)(如雷達(dá)等)發(fā)現(xiàn)不了我方的飛機，從而無法實施攔截和攻擊。當(dāng)前，研究的重點是雷達(dá)隱身技術(shù)和紅外隱身技術(shù)。

7.3.2隱身技術(shù)原理

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，探測飛機最主要的手段就是雷達(dá)。雷達(dá)是利用無線電波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并測定其位置的設(shè)備。由于無線電波具有恒速、定向傳播的規(guī)律，所以當(dāng)雷達(dá)波碰到飛行目標(biāo)(飛機、導(dǎo)彈等)時，一部分雷達(dá)波便會反射回來，根據(jù)反射雷達(dá)波的時間和方位便可以計算出飛行目標(biāo)的位置。

由此可見，飛機要想不被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，除了超低空飛行避開雷達(dá)波的探測范圍外，就得想辦法降低對雷達(dá)波的反射，使反射雷達(dá)波弱到敵方無法辨別的程度。雷達(dá)散射截面積(RadarCross-Section，RCS)是一個衡量飛行器雷達(dá)回波強弱的物理量，是飛行器對雷達(dá)波的有效反射面積，雷達(dá)隱身的方法便是采用各種手段來減小飛行器的雷達(dá)散射截面積。例如，美國的B-52轟炸機的RCS大于100m2，很容易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)；而與其同類的采用了隱身技術(shù)的B-2轟炸機的RCS約為0.1m2，一般雷達(dá)很難探測到它。

關(guān)于RCS，需要明確兩點。一是所說的“反射”一詞，其實是一個簡化的概念。雷達(dá)發(fā)出的能量并不會像皮球撞上墻那樣反彈回來，而是從目標(biāo)中感應(yīng)出電磁流，通過這些電磁流的流動，又產(chǎn)生出電磁波，正是這個電磁波被雷達(dá)看作反射的回波。由此也可以看出，不導(dǎo)電的非金屬物體是不會反射雷達(dá)波的。二是對于一個目標(biāo)(如一架飛機)，它的雷達(dá)散射截面積并不是固定的，而是隨著觀測角度的變化，可能會有很大的變化，如圖7-13所示。

圖7-13RCS隨角度變化的示意角度RCS值

廣義上說，雷達(dá)隱身技術(shù)包括電子干擾技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)機動飛行(如超低空突防)和減小飛行器雷達(dá)回波強度的雷達(dá)散射截面積減縮技術(shù)。目前，降低雷達(dá)散射截面積的主要技術(shù)途徑有：第一，改變飛行器的外形和結(jié)構(gòu)，避免設(shè)計出在雷達(dá)方向上產(chǎn)生強反射的外形；第二，使用非金屬材料；第三，采用吸收雷達(dá)波的涂敷材料和結(jié)構(gòu)材料；第四，遮掩或消除剩余的反射。另外，采用阻抗加載技術(shù)也可以適當(dāng)減小雷達(dá)散射截面積。

一般來說，飛機上的強散射源主要有能產(chǎn)生鏡面反射的表面、產(chǎn)生角反射器效應(yīng)的部位、飛機各部件的邊緣和尖端、機體上的凸出物和外掛物、發(fā)動機的進(jìn)氣道和尾噴口。當(dāng)然，除此之外，像一般機載雷達(dá)的天線、飛機表面的縫隙和開口、金屬和非金屬表面的交接處等，也都會形成一定強度的散射。因此，減縮雷達(dá)散射截面積的措施有如下幾項：

(1)改善飛機的總體布局。圖7-14是相關(guān)飛機的外形尺寸與雷達(dá)散射截面積的示意圖。對于隱身飛機而言，顯然以飛翼的形式或近似于飛翼的形式最為有利，如B-2戰(zhàn)略轟炸機。這種飛機不僅沒有單獨的機身，甚至取消了尾翼。隨著機體部件的減少，整個飛機的強散射源必然大為減少。除此以外，還要注意在機體表面盡量避免凸起、凹陷、縫隙和臺階，使飛機表面盡量光滑和“干凈”，使飛機上的散射源減少到最低限度。

圖7-14飛機外形尺寸與雷達(dá)散射截面積的示意

(2)采用小的展弦比和適當(dāng)?shù)暮舐咏菣C翼。從測試和計算得知，三角形機翼比一般大展弦比的直機翼的雷達(dá)散射截面積要小得多。

(3)消除和避免產(chǎn)生角反射器效應(yīng)。例如，在機翼和機身的連接處會產(chǎn)生二面角反射的情況，應(yīng)該采用翼身融合體將其消除；垂直尾翼與水平尾翼(或機翼)也構(gòu)成了二面角，也需要采用雙垂尾使其向內(nèi)(或向外)傾斜。

(4)對強散射源進(jìn)行遮擋。飛機上有一些強散射源是無法避免的。例如，發(fā)動機進(jìn)氣道口和尾噴口、飛行員的座艙等都是強散射源，又都是飛機所必需的。因此，需要考慮利用飛機機體的其他部件對它們進(jìn)行遮擋，使雷達(dá)波在飛機的主要姿態(tài)角上不能直接照射到這些強散射源上。如F-117戰(zhàn)斗轟炸機的進(jìn)氣道安置在背部，并且進(jìn)氣道和尾噴口都采用了具有屏蔽作用的格柵式設(shè)計。座艙的散射波則是由于雷達(dá)波透過玻璃座艙蓋，照射在雜亂的座艙內(nèi)部而產(chǎn)生的。防止這種情況發(fā)生的辦法之一，就是在玻璃座艙蓋上鍍一層很薄的金屬膜，使座艙蓋和機體形成一個連續(xù)導(dǎo)體，遮擋住座艙內(nèi)部。

(5)控制回波的方向。一般來說，地面雷達(dá)和機載雷達(dá)的探測角大都處于飛機軸平面的正負(fù)30°范圍之內(nèi)，應(yīng)該避免在這個范圍內(nèi)出現(xiàn)強反射。例如，F(xiàn)-117A戰(zhàn)斗轟炸機大部分表面的傾角都設(shè)計成大于30°，可以將雷達(dá)波偏轉(zhuǎn)出去，而避開散射源。F-117A戰(zhàn)斗轟炸機的機身表面和轉(zhuǎn)折處的設(shè)計可以使反射波變?yōu)榧杏谒矫鎯?nèi)的幾個窄波束，而不是像常規(guī)飛機那樣全向散射。這樣，就能使兩波束之間的“微弱信號”與背景噪聲難以區(qū)別。

(6)取消外掛物。取消外掛物是指將武器等收藏到機身(或機翼)內(nèi)部，盡量保證飛機有“干凈”的外形。

除了雷達(dá)隱身之外，飛機躲避紅外線、光學(xué)、聲學(xué)探測的能力也很重要。實戰(zhàn)中，不是單獨用一種方法就能保證隱身飛機具有躲避探測的能力。需要適當(dāng)綜合應(yīng)用雷達(dá)、紅外線、可見光與聲學(xué)信號的減弱技術(shù)，借助主動和被動電子對抗，才能做到完善的隱身。

7.3.3反隱身技術(shù)

目前，隱身技術(shù)發(fā)展很快，美國在發(fā)展隱身飛機的同時，也正在著手研制隱身導(dǎo)彈。美國在已經(jīng)投入使用的巡航導(dǎo)彈身上，大量地采用了隱身技術(shù)。例如，“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)散射截面積就很小，而且發(fā)動機產(chǎn)生的紅外輻射也很小。隨著隱身技術(shù)的發(fā)展，反隱身技術(shù)也在發(fā)展，正所謂有矛就有盾。當(dāng)前常用的反隱身技術(shù)有以下幾種：

(1)合理地部署雷達(dá)網(wǎng)。這是因為無論怎樣改變飛行器的外形，都不可能使飛行器在所有方向上反射的雷達(dá)波都很弱。因此，采用雷達(dá)網(wǎng)從多方位同時探測多個目標(biāo)，有可能收到良好的效果。

(2)增加雷達(dá)儲備功率。在探測隱身目標(biāo)時，動用雷達(dá)儲備功率，這樣對隱身飛行器的探測距離可以增大一些。

(3)采用過低或過高頻率的雷達(dá)。這是因為隱身涂料和非金屬材料的隱身效果與雷達(dá)工作的頻率有關(guān)，當(dāng)采用過高或過低頻率的雷達(dá)時，隱身材料的隱身效果將會降低，有利于探測到目標(biāo)。

(4)使用被動跟蹤、定位系統(tǒng)。對于發(fā)射電磁波的隱身飛行器，可以采用單站被動式雷達(dá)定向、多站雷達(dá)系統(tǒng)定位。

(5)采用激光或電視技術(shù)。隱身技術(shù)主要是針對無線電波和紅外線采取隱身措施，它們對可見光沒有明顯的隱身效果，可以采用激光、電視技術(shù)對付它。

7.4系統(tǒng)工程

目前，系統(tǒng)工程尚沒有完全統(tǒng)一的定義，一般傾向于這樣的說法：系統(tǒng)工程是以大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)為研究對象的一門交叉學(xué)科。

系統(tǒng)工程把自然科學(xué)和社會科學(xué)的某些思想、理論、方法、策略和手段等，根據(jù)總體協(xié)調(diào)的需要而有機地聯(lián)系起來，把人們的生產(chǎn)、科研或經(jīng)濟活動有效地組織起來，應(yīng)用定量分析和定性分析相結(jié)合的方法和計算機仿真等工具，對系統(tǒng)的構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換和反饋控制等功能進(jìn)行分析、設(shè)計、制造和服務(wù)，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計、最優(yōu)控制和最優(yōu)管理的目的，以便最充分地發(fā)揮人力、物力的潛力，通過各種組織管理技術(shù)，使局部和整體之間的關(guān)系協(xié)調(diào)配合，以實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合最優(yōu)化。

一般來說，系統(tǒng)工程是建立在一般系統(tǒng)論、大系統(tǒng)理論、經(jīng)濟控制論和運籌學(xué)的理論基礎(chǔ)之上的?？梢愿鶕?jù)軍用飛行器的特點，對飛行器概念設(shè)計和決策方面的系統(tǒng)工程問題進(jìn)行初步的了解。例如，現(xiàn)代飛行器設(shè)計中所涉及的主要概念及關(guān)系如圖7-15所示。

圖7-15現(xiàn)代飛行器設(shè)計中所涉及的主要概念及其關(guān)系

7.4.1飛行器的可用性

(1)可靠性(Reliability)。可靠性指系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，無故障完成規(guī)定功能的能力。它是系統(tǒng)的設(shè)計特性，主要考慮在平時的自然環(huán)境下可能出現(xiàn)的所有故障的影響，用于度量系統(tǒng)無需保障的工作能力?？煽啃缘母怕识攘繛榭煽慷龋Ｓ玫目煽慷戎笜?biāo)是平均無故障工作時間(MTBF)。MTBF是指相鄰兩次故障之間的平均工作時間。同時也泛指在總的使用階段累計工作時間與故障次數(shù)的比值。對于飛行器系統(tǒng)來說，還可以用平均故障間隔飛行小時(MFHBF)來度量。

(2)維修性(Maintainability)。維修性指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，對系統(tǒng)按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。它是可靠性的重要補充，指的是系統(tǒng)維修的難易程度，是設(shè)計決定的質(zhì)量特性。維修性的概率度量為維修度，常用的維修度指標(biāo)是平均修復(fù)時間(MTTR)，指的是使系統(tǒng)由故障狀態(tài)修復(fù)到具有完成規(guī)定功能狀態(tài)所需時間的平均值)，以及每飛行小時維修工時(MMH/FH)和維修工時率(M1)。

(3)保障性(Supportability)。保障性指系統(tǒng)的設(shè)計特性和計劃的保障資源，滿足平時和戰(zhàn)時使用要求的能力。保障性包含了兩個不同性質(zhì)的內(nèi)容，也就是設(shè)計特性和保障資源。這里的設(shè)計特性是指與保障有關(guān)的設(shè)計特性，如與可靠性和維修性等有關(guān)的，以及保障資源要求系統(tǒng)具有的設(shè)計特性。而保障資源本身并不是設(shè)計特性，它是保障系統(tǒng)平時和戰(zhàn)時使用的人力和物力。因此，保障性可以說是可靠性、維修性和保障條件的函數(shù)。由于裝備各不相同，保障性的度量比較復(fù)雜，主要有保障性資源參數(shù)、保障性設(shè)計參數(shù)和保障性綜合參數(shù)三種。每種參數(shù)可以用許多指標(biāo)衡量，其中對飛機武器系統(tǒng)較常用的參數(shù)有再次出動準(zhǔn)備時間(TAT)和平均后勤延誤時間(MLDT)。

(4)可用性(Availability)。可用性指系統(tǒng)在任一隨機時刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時，處于可工作或可使用狀態(tài)的程度。它是將飛機系統(tǒng)可靠性、維修性、保障性變換成效能時的一個綜合參數(shù)，表征了系統(tǒng)的這樣一個特性：在規(guī)定的條件下，當(dāng)需要的時候，系統(tǒng)是否可以用。也就是說，可用性是系統(tǒng)在任一時刻投入戰(zhàn)斗的能力，是影響系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的主要特征，它的概率度量稱為可用度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，可用度按時間可以分為瞬時可用度、平均可用度、穩(wěn)態(tài)可用度三種。其中，穩(wěn)態(tài)可用度又分為固有可用度、可達(dá)可用度和使用可用度。

固有可用度的計算式為

可達(dá)可用度的計算式為

使用可用度的計算式為

此外，常用的還有飛機出動架次率(SGR)和任務(wù)成功率(MCR)。如果從飛行器系統(tǒng)的整個服役期著眼，單純的可靠性設(shè)計是不完善的，必須同時考慮它的維修性和保障性。

圖7-16是TAT、MTTR、MTBF和SGR的關(guān)系曲線。從圖中不難看出，當(dāng)提高了可靠性(MTBF升高)、維修性(MTTR降低)和保障性(TAT降低)時，飛行器的出動架次率(SGR)顯著提高?？捎眯耘c飛機作戰(zhàn)效能的關(guān)系曲線如圖7-17所示。

圖7-16TAT、MTTR、MTBF和SGR的關(guān)系曲線圖7-17可用性與飛機作戰(zhàn)效能的關(guān)系曲線

7.4.2飛行器的可信性

(1)任務(wù)可靠性(Reliability)。任務(wù)可靠性指系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。它反映了系統(tǒng)對任務(wù)成功性的要求，是在平時的自然環(huán)境中和戰(zhàn)時的敵對環(huán)境中，不考慮人為敵對因素僅考慮導(dǎo)致任務(wù)失敗的故障的情況下系統(tǒng)完成任務(wù)的能力。它的概率度量為任務(wù)可靠度(MR)，常用的還有任務(wù)中斷(BR)等。

(2)生存性(Survivability)。生存性指飛行器系統(tǒng)避開或承受人為敵對環(huán)境的能力，也就是飛行器在敵對環(huán)境下作戰(zhàn)時能避免被敵方發(fā)現(xiàn)，或雖然被敵方發(fā)現(xiàn)但能避開其攻擊，或雖然受到攻擊并被擊中但能承受這一攻擊，并能夠保持一定飛行狀態(tài)的能力。

生存性又包括敏感性、易損性和戰(zhàn)傷修復(fù)特性等主要概念。敏感性是系統(tǒng)不能避免被敵方發(fā)現(xiàn)或擊中的可能性；易損性是系統(tǒng)被擊中后不能承受這個攻擊而被殺傷的可能性；戰(zhàn)傷修復(fù)特性是飛行器在作戰(zhàn)過程中受損后能夠快速地修復(fù)、恢復(fù)其戰(zhàn)斗力的特性。經(jīng)常所說的隱身問題就是敏感性中的一個關(guān)鍵問題，相比較而言，目前對易損性和戰(zhàn)傷修復(fù)特性的重視還不夠。但要達(dá)到完全的隱身是非常困難的，代價也是非常大的，而對易損性的減縮同樣能夠增強飛行器系統(tǒng)的生存能力。

(3)可信性(Dependability)。可信性指整個任務(wù)期間，飛行器系統(tǒng)持續(xù)工作的能力。它綜合了飛行器的生存性及任務(wù)可靠性，是反映系統(tǒng)實戰(zhàn)能力的重要特性。前面說的飛行器的可用性是指在純自然環(huán)境中(無人為敵對威脅)正常使用時，飛行器處于可以執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)的能力，評估的是系統(tǒng)的質(zhì)量特性及設(shè)計特性。而可信性則是指系統(tǒng)在自然環(huán)境中的狀態(tài)良好的情況下，由于執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，受到人為的敵對威脅，可能出現(xiàn)由于人為威脅所致的故障或殺傷時，其執(zhí)行各項功能的能力?？尚判缘暮脡闹苯邮艿斤w行器生存性及其任務(wù)可靠性的影響，是這兩者的函數(shù)。它的概率度量是可信度。

7.4.3飛行器的能力

能力是指飛行器在自然使用環(huán)境及敵對環(huán)境下均正常連續(xù)工作時，能否完成任務(wù)(如摧毀目標(biāo))。它給出的是理想任務(wù)狀態(tài)下可能的結(jié)果，代表系統(tǒng)純粹的作戰(zhàn)能力。它受到系統(tǒng)的機動性、武器的精度、作用距離、殺傷力，以及其他設(shè)備的性能影響。

7.4.4飛行器的有效性

可用性是影響系統(tǒng)有效性的主要因素，它保證了己方隨時具備足夠戰(zhàn)斗力(飛行器數(shù)目)，并在這個基礎(chǔ)上取得應(yīng)有的戰(zhàn)果。圖7-16有效地說明了這一點，圖7-17更是直接地從累積擊毀目標(biāo)數(shù)與TAT、MTTR、MTBF的關(guān)系曲線反映出這一關(guān)系。由圖7-17可見，隨著可靠性、維修性及保障性的提高(MTBF升高，TAT與MTTR降低)，累積擊毀目標(biāo)數(shù)顯著提高。

飛行器的可信性(即生存性與任務(wù)可靠性)也是影響系統(tǒng)有效性的主要因素。因為如果飛行器先于目標(biāo)被擊毀或中斷任務(wù)，就不能完成戰(zhàn)斗任務(wù)，當(dāng)然不會是有效的武器系統(tǒng)。而且，如果飛行器在完成任務(wù)后能安全返航，從而直接或經(jīng)修理后執(zhí)行下一任務(wù)，對戰(zhàn)斗力的保持也是很關(guān)鍵的。圖7-18是可信性與效能的關(guān)系曲線。圖中給出了在有無戰(zhàn)傷修理和是否考慮生存性設(shè)計的情況下，72架飛機經(jīng)10天戰(zhàn)斗后的可作戰(zhàn)飛機數(shù)。從圖中可知，損失率由2%降到1%，可用飛機數(shù)將增加1.3倍。

能力對有效性有最直接的影響。能力直接決定了能否完成作戰(zhàn)任務(wù)，如果可用性與可信性均較高但能力不好，那么作戰(zhàn)飛行就無疑成了戰(zhàn)地旅游。

圖7-18可信性與效能的關(guān)系曲線

7.4.5飛行器的壽命周期費用

費用問題是飛行器設(shè)計和使用中的一個很重要的因素。隨著設(shè)計技術(shù)與設(shè)計要求的提高，各項費用均大幅度提高。費用，或者說是飛行器系統(tǒng)的全壽命周期費用，是指在系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)為系統(tǒng)的論證、研制、生產(chǎn)、使用與保障，以及直到退役所付出的一切費用之和。由于論證與退役費用所占比例很小，在效費分析時可以略去不計。

研制費用又稱研究設(shè)計和發(fā)展費用，也就是從系統(tǒng)立項到系統(tǒng)研制完成(定型、生產(chǎn))所需費用之和；生產(chǎn)費用指系統(tǒng)投入批量生產(chǎn)后所需的重復(fù)性和非重復(fù)性生產(chǎn)費用，以及其他生產(chǎn)階段所需費用之和；使用與保障費用是系統(tǒng)投入使用后所需的使用費用和維修保障費用之和，在全壽命周期費用(LCC)中所占的比例最大(約為60%)，并以每年的3%的速率持續(xù)增長。圖7-19是研制、生產(chǎn)、使用與保障費用在全壽命周期費用(LCC)中所占的比例關(guān)系圖。

圖7-19壽命周期費用的比例關(guān)系

7.5微機電系統(tǒng)

7.5.1微機電系統(tǒng)概述微機電系統(tǒng)(MicroElectronMechanicSystem，MEMS)就是利用制造技術(shù)，將機械零件、傳感器、作動器與電子元器件集成到一個共用的硅片上，集微傳感器、微執(zhí)行器、微機械結(jié)構(gòu)、微電源、微能源、信號處理和控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微型器件或獨立的智能系統(tǒng)。

MEMS具有以下幾個基本特點：

(1)微型化。MEMS器件體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。

(2)以硅為主要材料，機械電氣性能優(yōu)良。硅的強度、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。

(3)批量生產(chǎn)。用硅微加工工藝在一片硅片上可同時制造成百上千個微型機電裝置或完整的MEMS。批量生產(chǎn)可大大降低生產(chǎn)成本。

(4)集成化。可以把不同功能、不同敏感方向或致動方向的多個傳感器或執(zhí)行器集成于一體，形成微傳感器陣列、微執(zhí)行器陣列，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)。微傳感器、微執(zhí)行器和微電子器件的集成可制造出可靠性、穩(wěn)定性很高的MEMS。

(5)多學(xué)科交叉。MEMS涉及電子、機械、材料、制造、信息與自動控制、物理、化學(xué)和生物等多種學(xué)科，并集合了當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的許多尖端成果。

7.5.2MEMS在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

MEMS在航空領(lǐng)域最常見的應(yīng)用是各種MEMS傳感器，它們具有不同的特點，適應(yīng)不同的場合。

1.

MEMS傳感器介紹

MEMS傳感器是采用微電子和微機械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的特點。同時，微米量級的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機械傳感器所不能實現(xiàn)的功能。

(1)

MEMS壓力傳感器。壓力傳感器在飛行器飛行、發(fā)動機測試、結(jié)構(gòu)強度檢測、風(fēng)洞試驗、飛行器試飛以及設(shè)備的設(shè)計制造過程中應(yīng)用十分普遍。壓力測試的特點是被測壓力種類多且范圍廣、測試點多、測量要求精度高。微機械壓力傳感器是最早開始研制的微機械產(chǎn)品，也是微機械技術(shù)中最成熟、最早開始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。MEMS壓力傳感器的先進(jìn)特性有：用于絕對壓力檢測的封閉真空腔、集成的遙測接口、閉環(huán)控制、對污染物不敏感、在惡劣環(huán)境或高溫條件下可使用非硅薄膜材料(如陶瓷、金剛石)。

(2)

MEMS加速度傳感器。MEMS加速度傳感器主要有壓阻式加速度傳感器、壓電式速度計和電容式加速度計。

①壓阻式加速度傳感器。該傳感器具有體積小、低功耗等特點，易于集成在各種模擬和數(shù)字電路中。

②壓電式加速度傳感器。該傳感器又稱壓電式加速度計，也屬于慣性式傳感器。壓電式加速度傳感器的原理是利用壓電陶瓷或石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計受振時，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化，當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，力的變化與被測加速度成正比。

③電容式加速度傳感器。該傳感器是基于電容原理的極距變化型的電容傳感器。

除了以上介紹的三種加速度傳感器外，還有諧振式加速度傳感器、熱電偶式加速度傳感器等。諧振式加速度傳感器輸出準(zhǔn)數(shù)字量，可直接用于復(fù)雜的數(shù)字電路，免去了其他類型傳感器在信號傳遞方面的諸多不便；熱電偶式加速度傳感器多應(yīng)用于低成本的傳感器領(lǐng)域，既可以測量動態(tài)加速度，也可以測量靜態(tài)加速度。

(3)

MEMS陀螺儀。陀螺儀是指用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或兩個軸的角運動檢測裝置。利用其他原理制成的角運動檢測裝置起同樣功能的也稱陀螺儀。陀螺儀的種類很多，按用途，它可以分為傳感陀螺儀和指示陀螺儀。傳感陀螺儀用于飛行器運動的自動控制系統(tǒng)中，作為水平、垂直、俯仰、航向和角速度傳感器。指示陀螺儀主要用于飛行狀態(tài)的指示，作為駕駛和領(lǐng)航儀表使用。按結(jié)構(gòu)，陀螺儀可分為壓電陀螺儀、微機械陀螺儀、光纖陀螺儀和激光陀螺儀，它們都是電子式的，并且可以和加速度傳感器、磁阻芯片、GPS做成慣性導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

2.

MEMS在航空領(lǐng)域的發(fā)展

MEMS傳感器具有的獨特優(yōu)勢，使其在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。美國空軍早在20世紀(jì)末就展開了MEMS傳感器在飛機上應(yīng)用的可行性研究，并進(jìn)行了大量的地面和空中實驗。2004年，北大西洋公約組織(NATO)就針對MEMS技術(shù)在航空航天中的應(yīng)用開展了一系列研究。隨著現(xiàn)代微機電系統(tǒng)的飛速發(fā)展，硅微陀螺(俗稱芯片陀螺)的研制工作進(jìn)展很快，美國已開始小量生產(chǎn)由硅微陀螺和硅加速度計構(gòu)成的微型慣性測量裝置，其成本低、功耗低及體積小、重量輕的特點使其最先應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和無人機上。

7.5.3MEMS在微納衛(wèi)星領(lǐng)域的應(yīng)用

微電子技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來以微型機電系統(tǒng)(MEMS)和微型光機電系統(tǒng)(MOEMS)為代表的微米、納米技術(shù)的發(fā)展，使微型衛(wèi)星、納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的實現(xiàn)成為可能。MEMS加工技術(shù)本身的特點，使MEMS器件很容易將傳感器、執(zhí)行器及控制電路集成在硅基底上，極大地減少了系統(tǒng)的組件個數(shù)，使衛(wèi)星的體積和重量大大減小。納型、皮型衛(wèi)星是以MEMS技術(shù)和由數(shù)個MEMS組成的專用集成微型儀器ASM為基礎(chǔ)的一種具有全新概念的衛(wèi)星，是MEMS應(yīng)用于航天領(lǐng)域的重要成果。

(1)微推進(jìn)系統(tǒng)。為滿足微型、納型衛(wèi)星的發(fā)展，必然要求有與其相適應(yīng)的微推進(jìn)技術(shù)，除對小沖量和小推力的要求更為苛刻外，還包括對重量、體積和功率等的苛刻要求。利用MEMS加工技術(shù)，能將推進(jìn)系統(tǒng)的貯箱、噴嘴、閥門、推進(jìn)劑進(jìn)給系統(tǒng)甚至控制電路都集成在一個或幾個硅片上，再通過裝配技術(shù)將這些MEMS器件組裝在一起，形成功能完善、穩(wěn)定性高的集成微推進(jìn)系統(tǒng)?，F(xiàn)在比較適用于微小衛(wèi)星的推進(jìn)技術(shù)是數(shù)字陣列微推力器和微壓力傳感器。

(2)微慣性測量組合。通過集成三軸MEMS陀螺和加速度計，構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)靈巧、價格便宜的慣性測量器件，可取代傳統(tǒng)的慣性裝置，用于姿態(tài)調(diào)節(jié)。我國清華大學(xué)研制的NS-1試驗了新型MIMU裝置，它擁有3個陀螺，可以精確測量衛(wèi)星的運動軌跡，短期精度比較高，主要用于三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制。MIMU對衛(wèi)星的機動能力有重大意義，結(jié)合液氨微推進(jìn)技術(shù)，可以使小衛(wèi)星具有很強的精確變軌能力。

(3)海量數(shù)據(jù)存儲。在硅片上制造的基于并行原子力分辨率的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，將顯著降低存儲系統(tǒng)的尺寸、重量、存取等待時間、失效率和成本，且存儲數(shù)據(jù)量大，存儲密度達(dá)到1～100Gb/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的磁存儲和光存儲。

(4)微型高能能源。目前開發(fā)的微型能源有太陽能電池、燃料電池和新型電池。微型能源可以突破成本和重量的限制，提供高能動力保障，其能量密度要比現(xiàn)有的最好電池高出幾十倍。微蓄電池的開發(fā)也在微能源的研究中占有重要地位，目前，實際使用中以鋰電池居多。鋰電池有較高的比能量(100～200A·h/kg)和優(yōu)良的循環(huán)使用性能。

(5)熱控。在空間運行的衛(wèi)星約有一半時間受到太陽光直射，剩余時間處在地球的陰影中。衛(wèi)星周期性地受到照射(高溫)和進(jìn)入陰影(低溫)，若不采取適當(dāng)?shù)拇胧?，會影響到衛(wèi)星的正常工作和壽命。德克薩斯儀器公司開發(fā)的微鏡的薄窗板覆蓋衛(wèi)星表面，對衛(wèi)星實行熱量或溫度控制。窗板由硅襯底上的制動柱和鉸鏈支撐，其鋁金屬的蓋反射熱和光，硅襯底表面涂有高輻射率的材料。當(dāng)需將熱量從衛(wèi)星散走時，電動鉸鏈打開面對太陽的窗