基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動機的研究進展和前景分析

趙天煜

摘 要：隨著微機電加工技術的不斷發(fā)展，微型化已成為目前航空動力發(fā)展的一大趨勢，而目前國內對于MEMS技術與航空航天領域相結合的研究還較少。該文簡要梳理了基于MEMS工藝在航空動力領域的研究現(xiàn)狀，并分析了基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動機在設計生產中所存在的問題，探討了該技術的應用價值與未來前景，填補國內該領域的空白。

關鍵詞：航空動力 MEMS技術 渦輪噴氣發(fā)動機

中圖分類號：V23 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（a）-0062-02

隨著航空航天技術的發(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中的地位日益重要。航空發(fā)動機作為“飛機的心臟”，對飛行器的性能起著至關重要的作用。因此，在設計微型飛行器時，制造與之相匹配的微型發(fā)動機十分關鍵。如今，隨著MEMS（微機電系統(tǒng)）技術的發(fā)展，美國麻省理工學院（MIT）和歐洲一些研究機構都試圖將MEMS技術應用在航空動力領域，推出微型發(fā)動機研究計劃，而國內在這一領域的研究尚處于起步階段。該文即針對國內微型航空動力領域的空白，整合分析了基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動機的研究進展以及在設計生產中可能產生的問題，對其在實際運用中可能的局限性和其未來的發(fā)展前景和方向做出分析與展望。

1 研究現(xiàn)狀及問題分析

1996年，在美國軍方的支持之下，麻省理工學院開始對微型發(fā)動機進行研發(fā)，并利用MEMS技術在硅片上制作出微型渦輪機樣機，其截面圖如圖1所示。樣機外形尺寸為邊長21 mm，厚3 mm，離心式轉子兩側分別為直徑8 mm的壓氣機和直徑6 mm的渦輪，壓氣機設計轉速為1 200 000 r/min，空氣經壓氣機加壓后與燃料充分混合，流過燃燒室外壁吸收余熱，增加混合氣體內能的同時給燃燒室降溫，然后經擴壓管進入燃燒室燃燒，燃燒室排出的高溫燃氣推動渦輪做工。該微型渦輪機需外部空氣啟動，設計工況下每秒消耗空氣0.36 g（約0.29 L），產生0.11 N的推力或17 W的旋轉機械功[2]。但目前該項目已被擱置，原因不明。此外，法國航空航天局（ONERA）曾設計制造微型燃燒室，并計劃用該燃氣渦輪在2010年制造出小型無人機，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)動機仍存在很大的發(fā)展空間，同時其進一步發(fā)展也面臨著許多困難。

首先，是材料選擇與加工工藝問題。航空發(fā)動機工作條件極為惡劣，對材料的強度、剛度、耐高溫性能和機械加工性能都有著較高要求。MIT研究小組利用光刻蝕技術在每層硅片上刻蝕出機構，再通過硅-硅鍵鍵合技術將各層硅片結合起來，形成完整的機械機構，對加工技術要求極高。

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

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

此外，由于微尺度流動換熱規(guī)律與宏觀規(guī)律有所區(qū)別，如何提高微尺度流動換熱效率、保證燃料充分燃燒和發(fā)動機的高效冷卻等問題還有待進一步研究。

2 應用價值分析

MEMS工藝的特點為航空發(fā)動機帶來了體積小、重量輕、可大批量生產的優(yōu)點，使得其在軍用民用領域均有廣泛的應用前景。

首先，微型發(fā)動機體積小、重量輕的特點帶來了便攜性的優(yōu)勢，可以直接將搭載該發(fā)動機的飛行器隨身攜帶，而不用像傳統(tǒng)飛行器一樣需要高成本進行運輸工作。在民用方面，便攜式飛行器也可運用于地質勘探、交通管控、人員搜救等復雜的環(huán)境中，可以有效地解決大型飛行器在工作中耗時長、成本大的問題。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，同時電量大大限制了飛行器的有效航程。而基于MEMS技術的超微型發(fā)動機則可以很好地解決這一問題。

其次，在軍事作業(yè)中，部分任務也要求有較高的隱蔽性。在2009年的國際空中機器人大賽中，設定的間諜任務，要求飛行器在安保森嚴的建筑物中拿到一份文件，比賽中機器人在進入建筑物后不準使用GPS定位系統(tǒng)，也不能通過導航設備和數(shù)據(jù)鏈對飛行器進行遠程遙控，這是就需要飛行器有較高的隱蔽性。當然，在世界上許多大的間諜活動中都需要有能夠隱蔽性高的機器人、微型無人機等，而一個具有良好隱蔽性的持久動力源是不可或缺的。

若該發(fā)動機在技術成熟后可得到大規(guī)模生產，可應用于地質勘探、氣象數(shù)據(jù)采集等民用領域。民用航空動力領域更重視產品的安全性、經濟性和環(huán)保性。其中安全性需要靠設計加工技術和嚴格的品控來保證。這里著重從經濟和環(huán)保的角度探討其在民用航空領域應用的可行性。MEMS技術的一大優(yōu)勢在于適合批量生產，其應用于航空動力領域，超微型發(fā)動機的研發(fā)成本和技術成熟后的生產成本相比于傳統(tǒng)航空發(fā)動機較低。同時，發(fā)動機體積小巧，能耗較低，經濟性能較好。另外，根據(jù)法國ONERA所設計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，后文還分析了關于新型清潔型能源在該發(fā)動機中的應用。這些都可以體現(xiàn)基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動機的環(huán)保性質優(yōu)良，符合航空適航標準。

綜上所述，可以看出MEMS技術在軍用及民用領域都有著十分廣闊的應用前景，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)動機在發(fā)展之中還面臨著重重考驗，但從其未來的總體價值角度看來是利大于弊的，有很大發(fā)展前景。

雖然目前只有MIT對超微型發(fā)動機的研究較為完整，但對超微型發(fā)動機原理及結構的探究工作不應該局限于此。該文從以下幾個角度提出了幾點可能的其他發(fā)展方向。首先，MIT所研制出來的原型機是運用光腐蝕硅片技術來完成的，從材料的強度、剛度、耐高溫性能等方面來看，隨著科技的發(fā)展還可能出現(xiàn)更好的材料選擇，例如：陶瓷基復合材料，它有著陶瓷的輕便和耐高溫性，同時又克服了陶瓷易碎的缺陷。伴隨著3D打印技術的發(fā)展，在未來采用復合3D打印機就可以輕松地完成機身主要部位的生產。其次，受MEMS技術所限，MIT所設計的超微型發(fā)動機為離心式，且無法輸出軸功。如果能突破硅片刻蝕與鍵合技術的瓶頸，設法輸出軸功，則其應用領域將得到進一步的拓展。另外，微型發(fā)動機顯然無法如傳統(tǒng)發(fā)動機一樣通過矢量噴管改變推力方向，但可開發(fā)新型推力轉向系統(tǒng)。微型發(fā)動機體積小，可以適配更加復合空氣動力學的機身，從而大大地減小飛行器在轉向時的空氣阻力。在小阻力情況下，可根據(jù)角動量守恒原理在飛行器中專門設計一個轉盤，在其左右分別有著兩個進氣開關，開關與發(fā)動機直接相連接，因此，可以依靠兩個開關來控制轉盤的轉動方向，進而控制飛行器的飛行方向。

法拉第在自己制造的發(fā)電機被質疑有什么意義時，反詰道初生的嬰兒又有什么用呢。每一項發(fā)明在誕生之初都面臨著各式各樣的局限，從開始研發(fā)到大規(guī)模應用的過程中也都經歷了無數(shù)改進甚至全盤推倒重新開始，在曲線上升中取得新的突破?？v觀整個航空動力發(fā)展史，從輕于空氣的飛行器，到裝載活塞式發(fā)動機的飛行器，再到如今的搭載燃氣渦輪發(fā)動機的飛機，曾經虛無縹緲的飛天夢就這樣一步步成為人們的生活日常。MEMS技術與航空動力領域的結合正是這樣一個朝陽領域，雖然仍面臨著不小的挑戰(zhàn)，但為未來航空動力的發(fā)展提供了一個新方向。

4 結語

綜上所述，基于MEMS工藝的超微型航空渦噴發(fā)動機在設計和加工方面仍存在待克服的困難，但該技術是可行的。對微型渦噴發(fā)動機開展研究是對所包含的所有學科的一種挑戰(zhàn)，制造MEMS基高速旋轉機械的能力也開辟了一個包括熱力機械在內的新天地。MEMS基高能量密度概念性熱機非常具有吸引力且在物理上是可行的，在實際生活中有著較高的應用價值。大規(guī)模生產也具有可行性，在該領域的知識投入是十分正確的。

參考文獻

[1] 昂海松.微型飛行器的設計原則和策略[J].航空學報，2016，37（1）：69-80.

[2] 寧建華.微型熱機、燃氣渦輪、火箭發(fā)動機——美國麻省理工學院（MIT）微型發(fā)動機研究計劃[J].火箭推進，2004，30（3）：42-52.

[3] 李勇，曾鳴，陳旭鵬，等.微型發(fā)動機的研究進展[C]//中國微米、納米技術學術會年會論文集（一）.2005.

[4] 袁星，陶智，李海旺.微通道流動轉捩數(shù)值模擬[J].航空動力學報，2016，31（10）：2432-2436.