基于MEMS工艺的超微型航空涡喷发动机的研究进展和前景分析

工作条件极为恶劣，对材料的强度、刚度、耐高温性能和机械加工性能都有着较高要求。MIT研究小组利用光刻蚀技术在每层硅片上刻蚀出机构，再通过硅-硅键键合技术将各层硅片结合起来，形成完整的机械机构，对加工技术要求极高。

其次，生产工艺要求之高为大规模流水线生产制造了障碍，如何在保障产品的高精度、高可靠性的同时平衡生产成本、提高生产效率等困难需要克服。

最后，还需要考虑发动机的寿命问题。由于MEMS工艺的要求之高和航空发动机材料的种种限制，使所选择的材料并不广泛，而微小的体积注定了该发动机基本属于不可维修的消耗品。那么，如何尽量延长发动机的使用寿命就成为拓展其应用领域的一大关键因素。

此外，由于微尺度流动换热规律与宏观规律有所区别，如何提高微尺度流动换热效率、保证燃料充分燃烧和发动机的高效冷却等问题还有待进一步研究。

2 应用价值分析

MEMS工艺的特点为航空发动机带来了体积小、重量轻、可大批量生产的优点，使得其在军用民用领域均有广泛的应用前景。

首先，微型發动机体积小、重量轻的特点带来了便携性的优势，可以直接将搭载该发动机的飞行器随身携带，而不用像传统飞行器一样需要高成本进行运输工作。在民用方面，便携式飞行器也可运用于地质勘探、交通管控、人员搜救等复杂的环境中，可以有效地解决大型飞行器在工作中耗时长、成本大的问题。目前各类小型飞行器多采用锂电池供电，电池增加了飞行器的自重，同时电量大大限制了飞行器的有效航程。而基于MEMS技术的超微型发动机则可以很好地解决这一问题。

其次，在军事作业中，部分任务也要求有较高的隐蔽性。在2009年的国际空中机器人大赛中，设定的间谍任务，要求飞行器在安保森严的建筑物中拿到一份文件，比赛中机器人在进入建筑物后不准使用GPS定位系统，也不能通过导航设备和数据链对飞行器进行远程遥控，这是就需要飞行器有较高的隐蔽性。当然，在世界上许多大的间谍活动中都需要有能够隐蔽性高的机器人、微型无人机等，而一个具有良好隐蔽性的持久动力源是不可或缺的。

若该发动机在技术成熟后可得到大规模生产，可应用于地质勘探、气象数据采集等民用领域。民用航空动力领域更重视产品的安全性、经济性和环保性。其中安全性需要靠设计加工技术和严格的品控来保证。这里着重从经济和环保的角度探讨其在民用航空领域应用的可行性。MEMS技术的一大优势在于适合批量生产，其应用于航空动力领域，超微型发动机的研发成本和技术成熟后的生产成本相比于传统航空发动机较低。同时，发动机体积小巧，能耗较低，经济性能较好。另外，根据法国ONERA所设计的微型燃烧室中主要以氢和丙烷为燃料的燃烧室，燃烧造成的污染较小。此外，后文还分析了关于新型清洁型能源在该发动机中的应用。这些都可以体现基于MEMS工艺的超微型航空涡喷发动机的环保性质优良，符合航空适航标准。

综上所述，可以看出MEMS技术在军用及民用领域都有着十分广阔的应用前景，并且十分环保，有较高的普及性。

3 发展前景与展望

根据以上分析，虽然基于MEMS工艺的超微型航空涡喷发动机在发展之中还面临着重重考验，但从其未来的总体价值角度看来是利大于弊的，有很大发展前景。

虽然目前只有MIT对超微型发动机的研究较为完整，但对超微型发动机原理及结构的探究工作不应该局限于此。该文从以下几个角度提出了几点可能的其他发展方向。首先，MIT所研制出来的原型机是运用光腐蚀硅片技术来完成的，从材料的强度、刚度、耐高温性能等方面来看，随着科技的发展还可能出现更好的材料选择，例如：陶瓷基复合材料，它有着陶瓷的轻便和耐高温性，同时又克服了陶瓷易碎的缺陷。伴随着3D打印技术的发展，在未来采用复合3D打印机就可以轻松地完成机身主要部位的生产。其次，受MEMS技术所限，MIT所设计的超微型发动机为离心式，且无法输出轴功。如果能突破硅片刻蚀与键合技术的瓶颈，设法输出轴功，则其应用领域将得到进一步的拓展。另外，微型发动机显然无法如传统发动机一样通过矢量喷管改变推力方向，但可开发新型推力转向系统。微型发动机体积小，可以适配更加复合空气动力学的机身，从而大大地减小飞行器在转向时的空气阻力。在小阻力情况下，可根据角动量守恒原理在飞行器中专门设计一个转盘，在其左右分别有着两个进气开关，开关与发动机直接相连接，因此，可以依靠两个开关来控制转盘的转动方向，进而控制飞行器的飞行方向。

法拉第在自己制造的发电机被质疑有什么意义时，反诘道初生的婴儿又有什么用呢。每一项发明在诞生之初都面临着各式各样的局限，从开始研发到大规模应用的过程中也都经历了无数改进甚至全盘推倒重新开始，在曲线上升中取得新的突破。纵观整个航空动力发展史，从轻于空气的飞行器，到装载活塞式发动机的飞行器，再到如今的搭载燃气涡轮发动机的飞机，曾经虚无缥缈的飞天梦就这样一步步成为人们的生活日常。MEMS技术与航空动力领域的结合正是这样一个朝阳领域，虽然仍面临着不小的挑战，但为未来航空动力的发展提供了一个新方向。

4 结语

综上所述，基于MEMS工艺的超微型航空涡喷发动机在设计和加工方面仍存在待克服的困难，但该技术是可行的。对微型涡喷发动机开展研究是对所包含的所有学科的一种挑战，制造MEMS基高速旋转机械的能力也开辟了一个包括热力机械在内的新天地。MEMS基高能量密度概念性热机非常具有吸引力且在物理上是可行的，在实际生活中有着较高的应用价值。大规模生产也具有可行性，在该领域的知识投入是十分正确的。

参考文献

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