微小型武器

基於微米、納米、微機電系統技術發展起來的微小型武器技術的內涵是：根據微小型武器特殊功能和特性，應用 微機電系統（MEMS）、計算機、感知、控制等先進技術，通過軟、硬體介面，綜合集成為微小型武器系統的光機電一體化技術。

當前用于軍事目的的MEMS應用研究熱點是微型飛行器、微小型水下無人潛器、微小型機器人和微小型偵察感測器、MEMS引信等。

1．微型飛行器

微型飛行器特徵是：最大尺寸為20cm以下，質量在幾百克以下，航程10km，最高時速達80km/h，最高飛行高度可達150m，它還應有實時成像、導航及通信能力，可用手、彈藥或飛機部署它們，一次性使用的微型飛行器的價格計劃在1000美元以下。Aerodyne公司正在研製一種懸停式微型飛行器，它能用來試驗M-Dot公司研製的小型發動機。飛行器約重300g。

桑德斯公司研製的“微星”（MicroSTAR）系列固定翼微型飛行器，其中翼展15.2cm的“微星”已進行了首飛，飛行時間15min，2000年研製出採用長壽命電池、具有更好成像系統及先進機動性能的微型器。

海軍研究實驗室準備集中力量研製雷達干擾負載。在作戰中，可由士兵或無人機將微型飛行器送到距目標幾公里的地方，然後發射它，發射后，它自主飛行。由於它體積小，安靜，不易引人注意，可將質量為14g的雷達干擾機負載直接投到敵人的雷達上，儘管功率低，但在如此近的距離上，仍能發揮很好的干擾作用。

2．微小型水下無人潛器

該潛器對魚類的運動仿生研究在微小型化、高效推進及軍事應用領域有著深遠意義。1995年，美國麻省理工學院研製的機器魚獲得了86% 的推進效率。還有一種是機器人龍蝦，由海軍、馬薩產品公司和波士頓東北大學負責研製。1999年，日本三菱公司製造出觀賞用機器魚，長65cm，游速35cm/s。

3．微小型軍用機器人技術

移動式微小型機器人主要是用來從事偵察活動的。例如，美國麻省理工學院研製出一種叫作“金菲斯”的微型機器人，它有6條腿，35cm長，可用其紅外眼睛跟蹤人，有12個行為指令層。其改進型叫金菲斯Ⅱ，製造費用6300美元。該院研製的“阿蒂拉Ⅰ”型機器人質量為1.6kg，有32台電機，10個微處理器和150個感測器，並帶有一台微型攝像機。由於它的6條腿都具有關節，它比金菲斯的運動更加自如，還能越過障礙。

美國桑地亞國家實驗室正在研製一種微型機器人，這種機器人只有幾毫米大小，為了不引人注意，可以將它的外形做成昆蟲形狀，也可以做成像垃圾一樣的形狀，用來偵察核生化武器，近期的目標是，在晶元上建立一個化學實驗室，再將晶元嵌入只有幾毫米的機器人上。它可以由軍方及情報部門的人員使用，偵察敵人的核生化武器的試驗及存儲地。

1996年面世的日本仿人機器人曾引起世界的轟動和美國軍方的關注，在機器人領域中可以說是難度最大的前沿技術，這種仿人機器人微小型化已發展到高度50cm。DARPA也在1997年就開始投巨資研製15cm高的2足仿人機器人。

作為微小型機器人的一個新概念，“仿昆蟲機器人”90年代初被提出。它是基於對昆蟲運動機理的分析，按照一種新的設計思想去設計的。目前已作到可使50g的飛行器升空並停留15s。這種飛行器的另一個關鍵技術是利用了人造肌肉技術，稱為“電約束聚合物”(見圖3、圖4)。

4．微小型偵察感測器系統

微小型偵察感測器的發展趨勢是進一步的微型化、智能化，它不僅具有探測和偵察功能，還應具有一定的攻擊能力，並在一定條件下具有自毀功能。如在6mm×4mm晶元上製造出15隻火箭(見圖5); 目前，正擬在10cm2的晶元上設計了1000萬隻火箭的“微型火箭”；在不到1mm2的硅晶元上裝有大量感測器的所謂“智能塵”。上述“智能塵”配合“微型火箭”就能懸浮於空氣之中，用於測量風速、氣溫，特別是災害天氣的物理參數。

加利福尼亞大學及美軍方對這種“智能塵”都尤為關注，因為這些“塵粒”撒在地面幾乎無法被人察覺，當坦克等軍用車輛在“塵粒”旁駛過時，它即啟動推進器躍上車身，從而將其位置的精確數據不時地發送回去，以便能隨時掌握敵情。它們還可以具有電子干擾能力，自主尋找敵方電子指揮系統的關鍵部位實施破壞。

微小型無人武器由於體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點，特別適用於城市和惡劣環境下（如核、生、化戰場等）的局部戰爭。微小型無人武器具有下述重大作用和軍事效益：

1.減少人員傷亡，補充、加強和支援人員作戰

公認的發展微小型無人智能武器系統的重要作用是保護士兵的生命。由於今天士兵往往不僅是為保衛祖國而戰，他們還要去執行國際維和任務，所以不管這些任務多麼受人尊敬，人們對自己士兵的傷亡比以前更加難以接受。微小型無人智能武器系統則能代替人偵察、作戰，這樣既可保持戰鬥力又可減少人員傷亡。

2.能進行士兵難以進行的作戰任務

微小型武器能夠進入間諜或偵察人員絕對無法進入的地方，如作戰指揮部、機要室和保險櫃內執行各種偵察與破壞任務，也能對飛機或衛星系統無法發現的地方進行偵察。在惡劣環境下，尤其是在有核輻射和失能性、致命性毒劑時，可有效地進行工作，而士兵完成這些任務將有很大的危險。

3.提高武器效費比，降低軍費開支

載人武器系統的價格已達到成百上千萬美元。微小型無人武器系統的造價、使用費用相對較低，如有的軍用機器人僅數千美元，微型飛行器僅1000美元。

4.提高作戰能力，倍增軍事力量

如目前掃雷機器人一次作業能開闢一條寬8m、長100m的通道，比戰士掃雷能力要提高許多倍。

5.用微小型武器對付傳統武器，導致未來戰場出現“尺度不均衡戰爭”

目前，戰場上攻防兩方的武器，就其尺度而言是“均衡”的，微小型飛機和微小型攻擊型機器人的尺度是以“厘米”計，若以高射炮攻擊它，就真的成了“高射炮打蚊子”，使傳統武器的作戰效能顯著降低。國外正加緊開展微小型無人武器的研製，這將使我國所面臨“尺度不均衡戰爭”的威脅日趨嚴重，為了在未來“尺度不均衡戰爭”中能與敵實施有效抗衡，我們必須儘早開展微小型無人武器技術的研究。

6.微小型無人武器系統的重大軍事作用還在於它的深遠影響

國外專家預測，微小型武器無人系統可能引起軍隊組織機構、體制及戰術的變化，如軍隊的規模將縮小，不再劃分為陸海空三軍；它可能使戰術作戰與戰略作戰之間、防禦和進攻之間不再有明顯的差別，士兵也不一定必須年青力壯。

1.系統化帶動的挑戰

基於微米、納米技術發展起來的微機電系統，由於是高度集成的光機電一體化系統，感測器是系統不可分割的一部分，因此給計量校準帶來新的問題，如微流體測控系統，由迂迴型密集微溝道、微流量感測器、微型溫敏元件、智能化控制微泵、微介面等組成，並集成/裝配在一起。整個系統還要有專用的信號處理及驅動電路，用於對微泵進入智能化驅動、智能化控制微泵採用寬頻、寬電壓範圍下工作的單膜無閥微泵，這不僅易於微裝備實現微系統集成化，而且利於在寬範圍內調節微流體的流動指標，另外無閥微泵由於其本身無活動微部件，對流體介質無損傷等特點，使其具有工作可靠、穩定、壽命長等優點，極適合於長期工作的微流體測控系統（小衛星、集成電路晶元等）或化學微配給系統中，溫度和流量測量元件採用半導體和金屬薄膜感測器結構實現。

集成在微流體系統上的溫度敏感及微流量感測元件能夠對微流體系統的溫度及流量進行實時監測，信號處理驅動電路可根據溫度和流量的變化自動調節微泵的工作狀態，從而實現微流體系統的智能化控制。但是由於感測器如流量計是集成在系統之內，因此如何標準還是有待於解決的問題。

2.微型化帶來的挑戰

例如：“數字推進火箭晶元”，主要用於微型航天器（如微米/納米衛星）的高精度空間定位和姿態控制。由於微型航天器體積很小（直徑約10～15cm），質量很輕（約1～1.5kg），因此用來精確定位和姿態調控的推進脈衝量級約為（10-4～10-6）N?s。傳統火箭推進器含有燃燒箱、控制閥、燃燒室和噴管等，結構複雜，體積、質量大，無法提供小而精的脈衝推力，不能用於微型航天器。火箭晶元是一種新概念微型推進器，它以陣列形式將大量一次性推進單元製作於三合夾層的晶元上，其中，上層為含有噴管和粘有爆破薄膜矽片；中層為玻璃製作的含有推進劑的燃燒室；下層為制於多晶硅上的起因爆電阻。每個推進單元可提供一個被稱為“脈衝比特”的脈衝量。這些推進單元既可單獨作用，也可多個同時作用或順序作用，依次向微型航天器提供不同大小和不同方向的作用力。其衝量、功率、能量的測試和計量是十分重要的，以此評估不同尺寸膛室的推進效能，但目前尚沒有很好的解決方法。

納米碳管可作為微感測器進行單個細胞稱重，但這樣的稱重感測器如何計量，也是一個難題。

3.性能提高帶來的挑戰

由於MEMS感測器固有的特點，使得其性能有所提高，如硬目標侵徹武器使用的微機電高過載加速度感測器，美國已作到20×105g，固有頻率1MHz，俄羅斯可能作到40×105g，這樣高量程、高頻響的感測器也給計量校準提出了新的問題。

總之，由於微小型武器的發展，勢必給計量、測試提出一些新的課題，而微小型系統計量、測試技術問題的突破，也必然促進我國微小型武器系統的跨越式發展。