基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展和前景分析

趙天煜

摘 要：隨著微機(jī)電加工技術(shù)的不斷發(fā)展，微型化已成為目前航空動(dòng)力發(fā)展的一大趨勢(shì)，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于MEMS技術(shù)與航空航天領(lǐng)域相結(jié)合的研究還較少。該文簡(jiǎn)要梳理了基于MEMS工藝在航空動(dòng)力領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并分析了基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中所存在的問(wèn)題，探討了該技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值與未來(lái)前景，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白。

關(guān)鍵詞：航空動(dòng)力 MEMS技術(shù) 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：V23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（a）-0062-02

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，僅能滿足日常飛行作業(yè)的飛行器已逐漸不能滿足人們的需求，更加微型的飛行器在航空技術(shù)中的地位日益重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為“飛機(jī)的心臟”，對(duì)飛行器的性能起著至關(guān)重要的作用。因此，在設(shè)計(jì)微型飛行器時(shí)，制造與之相匹配的微型發(fā)動(dòng)機(jī)十分關(guān)鍵。如今，隨著MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）和歐洲一些研究機(jī)構(gòu)都試圖將MEMS技術(shù)應(yīng)用在航空動(dòng)力領(lǐng)域，推出微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃，而國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。該文即針對(duì)國(guó)內(nèi)微型航空動(dòng)力領(lǐng)域的空白，整合分析了基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展以及在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中可能產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)其在實(shí)際運(yùn)用中可能的局限性和其未來(lái)的發(fā)展前景和方向做出分析與展望。

1 研究現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

1996年，在美國(guó)軍方的支持之下，麻省理工學(xué)院開(kāi)始對(duì)微型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研發(fā)，并利用MEMS技術(shù)在硅片上制作出微型渦輪機(jī)樣機(jī)，其截面圖如圖1所示。樣機(jī)外形尺寸為邊長(zhǎng)21 mm，厚3 mm，離心式轉(zhuǎn)子兩側(cè)分別為直徑8 mm的壓氣機(jī)和直徑6 mm的渦輪，壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 200 000 r/min，空氣經(jīng)壓氣機(jī)加壓后與燃料充分混合，流過(guò)燃燒室外壁吸收余熱，增加混合氣體內(nèi)能的同時(shí)給燃燒室降溫，然后經(jīng)擴(kuò)壓管進(jìn)入燃燒室燃燒，燃燒室排出的高溫燃?xì)馔苿?dòng)渦輪做工。該微型渦輪機(jī)需外部空氣啟動(dòng)，設(shè)計(jì)工況下每秒消耗空氣0.36 g（約0.29 L），產(chǎn)生0.11 N的推力或17 W的旋轉(zhuǎn)機(jī)械功[2]。但目前該項(xiàng)目已被擱置，原因不明。此外，法國(guó)航空航天局（ONERA）曾設(shè)計(jì)制造微型燃燒室，并計(jì)劃用該燃?xì)鉁u輪在2010年制造出小型無(wú)人機(jī)，如今同樣面臨瓶頸。

分析研究現(xiàn)狀可知，基于MEMS工藝的超微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在很大的發(fā)展空間，同時(shí)其進(jìn)一步發(fā)展也面臨著許多困難。

首先，是材料選擇與加工工藝問(wèn)題。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件極為惡劣，對(duì)材料的強(qiáng)度、剛度、耐高溫性能和機(jī)械加工性能都有著較高要求。MIT研究小組利用光刻蝕技術(shù)在每層硅片上刻蝕出機(jī)構(gòu)，再通過(guò)硅-硅鍵鍵合技術(shù)將各層硅片結(jié)合起來(lái)，形成完整的機(jī)械機(jī)構(gòu)，對(duì)加工技術(shù)要求極高。

其次，生產(chǎn)工藝要求之高為大規(guī)模流水線生產(chǎn)制造了障礙，如何在保障產(chǎn)品的高精度、高可靠性的同時(shí)平衡生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率等困難需要克服。

最后，還需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命問(wèn)題。由于MEMS工藝的要求之高和航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的種種限制，使所選擇的材料并不廣泛，而微小的體積注定了該發(fā)動(dòng)機(jī)基本屬于不可維修的消耗品。那么，如何盡量延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命就成為拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的一大關(guān)鍵因素。

此外，由于微尺度流動(dòng)換熱規(guī)律與宏觀規(guī)律有所區(qū)別，如何提高微尺度流動(dòng)換熱效率、保證燃料充分燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)的高效冷卻等問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。

2 應(yīng)用價(jià)值分析

MEMS工藝的特點(diǎn)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)了體積小、重量輕、可大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，使得其在軍用民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景。

首先，微型發(fā)動(dòng)機(jī)體積小、重量輕的特點(diǎn)帶來(lái)了便攜性的優(yōu)勢(shì)，可以直接將搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器隨身攜帶，而不用像傳統(tǒng)飛行器一樣需要高成本進(jìn)行運(yùn)輸工作。在民用方面，便攜式飛行器也可運(yùn)用于地質(zhì)勘探、交通管控、人員搜救等復(fù)雜的環(huán)境中，可以有效地解決大型飛行器在工作中耗時(shí)長(zhǎng)、成本大的問(wèn)題。目前各類小型飛行器多采用鋰電池供電，電池增加了飛行器的自重，同時(shí)電量大大限制了飛行器的有效航程。而基于MEMS技術(shù)的超微型發(fā)動(dòng)機(jī)則可以很好地解決這一問(wèn)題。

其次，在軍事作業(yè)中，部分任務(wù)也要求有較高的隱蔽性。在2009年的國(guó)際空中機(jī)器人大賽中，設(shè)定的間諜任務(wù)，要求飛行器在安保森嚴(yán)的建筑物中拿到一份文件，比賽中機(jī)器人在進(jìn)入建筑物后不準(zhǔn)使用GPS定位系統(tǒng)，也不能通過(guò)導(dǎo)航設(shè)備和數(shù)據(jù)鏈對(duì)飛行器進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，這是就需要飛行器有較高的隱蔽性。當(dāng)然，在世界上許多大的間諜活動(dòng)中都需要有能夠隱蔽性高的機(jī)器人、微型無(wú)人機(jī)等，而一個(gè)具有良好隱蔽性的持久動(dòng)力源是不可或缺的。

若該發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)成熟后可得到大規(guī)模生產(chǎn)，可應(yīng)用于地質(zhì)勘探、氣象數(shù)據(jù)采集等民用領(lǐng)域。民用航空動(dòng)力領(lǐng)域更重視產(chǎn)品的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。其中安全性需要靠設(shè)計(jì)加工技術(shù)和嚴(yán)格的品控來(lái)保證。這里著重從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度探討其在民用航空領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。MEMS技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)在于適合批量生產(chǎn)，其應(yīng)用于航空動(dòng)力領(lǐng)域，超微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)成本和技術(shù)成熟后的生產(chǎn)成本相比于傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)較低。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)體積小巧，能耗較低，經(jīng)濟(jì)性能較好。另外，根據(jù)法國(guó)ONERA所設(shè)計(jì)的微型燃燒室中主要以氫和丙烷為燃料的燃燒室，燃燒造成的污染較小。此外，后文還分析了關(guān)于新型清潔型能源在該發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用。這些都可以體現(xiàn)基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)保性質(zhì)優(yōu)良，符合航空適航標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，可以看出MEMS技術(shù)在軍用及民用領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景，并且十分環(huán)保，有較高的普及性。

3 發(fā)展前景與展望

根據(jù)以上分析，雖然基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)展之中還面臨著重重考驗(yàn)，但從其未來(lái)的總體價(jià)值角度看來(lái)是利大于弊的，有很大發(fā)展前景。

雖然目前只有MIT對(duì)超微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究較為完整，但對(duì)超微型發(fā)動(dòng)機(jī)原理及結(jié)構(gòu)的探究工作不應(yīng)該局限于此。該文從以下幾個(gè)角度提出了幾點(diǎn)可能的其他發(fā)展方向。首先，MIT所研制出來(lái)的原型機(jī)是運(yùn)用光腐蝕硅片技術(shù)來(lái)完成的，從材料的強(qiáng)度、剛度、耐高溫性能等方面來(lái)看，隨著科技的發(fā)展還可能出現(xiàn)更好的材料選擇，例如：陶瓷基復(fù)合材料，它有著陶瓷的輕便和耐高溫性，同時(shí)又克服了陶瓷易碎的缺陷。伴隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，在未來(lái)采用復(fù)合3D打印機(jī)就可以輕松地完成機(jī)身主要部位的生產(chǎn)。其次，受MEMS技術(shù)所限，MIT所設(shè)計(jì)的超微型發(fā)動(dòng)機(jī)為離心式，且無(wú)法輸出軸功。如果能突破硅片刻蝕與鍵合技術(shù)的瓶頸，設(shè)法輸出軸功，則其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫竭M(jìn)一步的拓展。另外，微型發(fā)動(dòng)機(jī)顯然無(wú)法如傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)一樣通過(guò)矢量噴管改變推力方向，但可開(kāi)發(fā)新型推力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。微型發(fā)動(dòng)機(jī)體積小，可以適配更加復(fù)合空氣動(dòng)力學(xué)的機(jī)身，從而大大地減小飛行器在轉(zhuǎn)向時(shí)的空氣阻力。在小阻力情況下，可根據(jù)角動(dòng)量守恒原理在飛行器中專門(mén)設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)，在其左右分別有著兩個(gè)進(jìn)氣開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)與發(fā)動(dòng)機(jī)直接相連接，因此，可以依靠?jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)控制轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，進(jìn)而控制飛行器的飛行方向。

法拉第在自己制造的發(fā)電機(jī)被質(zhì)疑有什么意義時(shí)，反詰道初生的嬰兒又有什么用呢。每一項(xiàng)發(fā)明在誕生之初都面臨著各式各樣的局限，從開(kāi)始研發(fā)到大規(guī)模應(yīng)用的過(guò)程中也都經(jīng)歷了無(wú)數(shù)改進(jìn)甚至全盤(pán)推倒重新開(kāi)始，在曲線上升中取得新的突破。縱觀整個(gè)航空動(dòng)力發(fā)展史，從輕于空氣的飛行器，到裝載活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器，再到如今的搭載燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)，曾經(jīng)虛無(wú)縹緲的飛天夢(mèng)就這樣一步步成為人們的生活日常。MEMS技術(shù)與航空動(dòng)力領(lǐng)域的結(jié)合正是這樣一個(gè)朝陽(yáng)領(lǐng)域，雖然仍面臨著不小的挑戰(zhàn)，但為未來(lái)航空動(dòng)力的發(fā)展提供了一個(gè)新方向。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和加工方面仍存在待克服的困難，但該技術(shù)是可行的。對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展研究是對(duì)所包含的所有學(xué)科的一種挑戰(zhàn)，制造MEMS基高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械的能力也開(kāi)辟了一個(gè)包括熱力機(jī)械在內(nèi)的新天地。MEMS基高能量密度概念性熱機(jī)非常具有吸引力且在物理上是可行的，在實(shí)際生活中有著較高的應(yīng)用價(jià)值。大規(guī)模生產(chǎn)也具有可行性，在該領(lǐng)域的知識(shí)投入是十分正確的。

參考文獻(xiàn)

[1] 昂海松.微型飛行器的設(shè)計(jì)原則和策略[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（1）：69-80.

[2] 寧建華.微型熱機(jī)、燃?xì)鉁u輪、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)——美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究計(jì)劃[J].火箭推進(jìn)，2004，30（3）：42-52.

[3] 李勇，曾鳴，陳旭鵬，等.微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展[C]//中國(guó)微米、納米技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)年會(huì)論文集（一）.2005.

[4] 袁星，陶智，李海旺.微通道流動(dòng)轉(zhuǎn)捩數(shù)值模擬[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2016，31（10）：2432-2436.