一种用于流动控制的MEMS微致动器研究

　　随着微机电技术(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)的不断发展,体积小、重量轻、功耗低的特点使MEMS器件在航空航天飞行器上具有广阔的应用前景。众多相同的MEMS器件排成阵列,构成大规模集成、容错和分布式的整体结构,也在航空航天领域具有潜在应用价值。采用基于MEMS技术制作的传感器和致动器具有高空间分辨率和极小可控干扰,因而可实现对空气运动的微结构测量和控制,为提高飞机的稳定控制提供了极具潜力的技术手段。通过微致动器产生气动扰流,可实现对分离的实时控制,从而实现对微型飞机的飞行姿态的控制[1]。MEMS微型致动器阵列用于飞行器气动控制已成为一个重要研究方向。20世纪末,美国加州大学洛杉矶分校开展了MEMS微致动器的研究,在国防部资助下制作了“Gryphon”验证机,取得了初步成功,其下一步的发展目标是用MEMS技术替代常规气动舵面,用MEMS器件来获得控制飞行姿态的滚转力矩、俯仰力矩和偏航力矩。而国内这方面的研究还属空白。微致动器的大小、形状和排布位置对流动的影响规律,是利用MEMS技术进行飞行控制的理论基础。数值模拟可以为这方面的研究提供极大的帮助,在风洞实验之前,数值模拟可以很方便地对各种扰动布局进行数值计算,初步探讨流动控制的规律,然后有针对性地进行风洞实验。本文基于MEMS技术制作微气泡致动器,致动器通过致动动作扰动边界层分离状态,从而实现宏观气动控制。选择NACA0012翼型和三角翼进行了数值计算,研究微气泡致动器在不同布置方式下对翼型性能和三角翼控制力矩的影响,探索应用微致动器来控制前缘涡流并由此提供足够的力矩用于飞行控制的可行性,以期用MEMS致动器替代传统襟翼来产生扭矩,进行飞行器的气动力控制。

　　1　气泡型微致动器

　　1.1　工作原理

　　微气泡致动器组成阵列排布在三角机翼的前缘上,在边界层范围内,气泡产生收缩和膨胀致动动作。微致动器在非工作状态下(未充气体时)具有平整的外形;工作时,在气体压力作用下,由硅酮橡胶构成的气泡外壳发生膨胀,向外凸出一定位移(2mm左右),产生具有平滑外形的气泡,实现对气流的扰动,如图1所示。

　　1.2　气泡薄膜材料

　　产生变形的薄膜是微气泡致动器的关键结构,这层薄膜需要在充气的情况下迅速发生较大变形并能承受一定的载荷。实验表明,硅酮橡胶具有较好的机械性能,它具有低模量、高延展率以及良好的密封性,因此能够满足微致动器工作的需求。Ho C M等人选用的美国安全技术公司的MRTV21型硅酮橡胶,其弹性模量为0.5 MPa,伸长率为1 000%,这种材料在较小的作用力下就能产生毫米级的垂直位移[2]。