МЭМС-ТЕХНОЛОГИЯ В АЭРОДИНАМИКЕ

Два года назад по инициативе Президиума СО РАН для решения крупных научных проблем, требующих привлечения научного потенциала, накопленного в различных областях знания, была образована Комиссия под председательством академика В.Титова и объявлен конкурс по междисциплинарным интеграционным проектам. Один из конкурсных проектов — "Разработка микроэлектромеханической системы управления ламинарно-турбулентным переходом в пристенных течениях", — осуществлялся при сотрудничестве институтов Теоретической и прикладной механики и Физики полупроводников СО РАН.

Проект выполнялся в 2000-2001 гг., и был направлен на разработку составляющих микроэлектромеханической системы управления пристенными течениями и проверку работоспособности созданных устройств в аэродинамическом эксперименте. Основанием для реализации проекта послужил научный задел, который был накоплен в лаборатории Виктора Козлова (ИТПМ СО РАН), в понимании механизмов турбулизации различных пристенных течений. На платформе этих знаний разработаны различные методы управления процессами развития возмущений, инициирующих турбулизацию течения. С другой стороны, — возможности коллектива ИФП СО РАН (лаборатория к.т.н. Е.Черепова) разрабатывать и создавать элементы микроэлектромеханических систем на основе МЭМС-технологии, которые могут быть использованы для создания автоматизированных блоков управления параметрами течения в реальном масштабе времени и любой точке пространства (сенсор-микропроцессор-актюатор). Следует отметить, что сотрудничество полезно обоим научным коллективам. В частности, для аэродинамиков такое взаимодействие инициирует исследования, направленные на более детальное понимание механизмов турбулизации течений и управления этими процессами; а для микроэлектронщиков — разработку и создание новых микроустройств в соответствии с рекомендациями аэродинамиков.

С результатами исследований по завершенному междисциплинарному проекту доктор физико-математических наук В.Козлов познакомил ведущих ученых СО РАН на заседании Президиума. Решением Объединенного ученого совета СО РАН отчет был одобрен, и предложено продолжить работу. Важность и актуальность этого направления неоспорима для науки и для практики. К этой проблеме привлечено внимание многих научных коллективов во всем мире. В этом контексте В.КОЗЛОВ рассказывает о работах в Сибирском отделении РАН специально для "НВС". В течение последних 5-10 лет в индустриально развитых странах мира произошла очередная научно-техническая революция, приведшая к появлению МЭМС-микроэлектромеханических систем. В основе развития и практического применения технологий МЭМС лежат чисто экономические факторы. Известно, что массовое производство микросхем чрезвычайно дешево. В то же время классические промышленные технологии, используемые при изготовлении традиционных электромеханических устройств, характеризуются резким увеличением себестоимости производства по мере снижения линейных размеров (и роста точности изготовления) деталей механических систем. Этим и обусловлены попытки изготовления как отдельных деталей механической части, так и всего изделия в целом в едином технологическом производственном процессе, что при массовом производстве низводит себестоимость всего электромеханического блока практически к нулю. Кроме того, результирующее изделие получается функционально полным с микрометровыми размерами и с минимальным энергопотреблением. В настоящее время, вобрав в себя ноу-хау микроэлектроники, точной механики и ряда других специфических технологий, сформировалась совокупность технологических процессов, позволяющих создавать различные элементы микроэлектромеханических устройств. На этой основе производится широкий спектр миниатюрных устройств различного применения с размерами элементов от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Такие устройства с элементами механики, включающие сенсоры, исполнительные элементы и источники энергии получили название микроэлектромеханических систем. Области их применения охватывают вычислительную технику и телекоммуникации, биологию, медицину, химию, мониторинг окружающей среды, автомобилестроение, космические исследования, авиационные технологии и т.д. Ярким примером междисциплинарных исследований, направленных на использование таких устройств, является новое научное направление, впервые заявленное на конференции в Гонконге и нашедшее свое продолжение в Берлине. Это направление связано с применением микроэлектромеханических систем (MEMS) для активного управления пограничным слоем в механике жидкости и газа. Такая система включает в себя микродатчики, микроактюаторы (активные механические элементы) и микропроцессоры, образующие нейронную сеть (схема показана на рисунке).

Сигналы с датчиков обрабатываются в соответствии с алгоритмами распознавания образов. Затем выдаются управляющие сигналы на актюаторы, которые вызывают изменения микроструктуры потока. Таким образом мы получаем "думающую", активную поверхность. Одна из главных целей управления потоком заключается в снижении сопротивления. Как тут не вспомнить дельфинов, снижающих свое гидродинамическое сопротивление с помощью бегущей вдоль тела волны. Хотя такой подход выглядит фантастическим, тем не менее — это реалии сегодняшнего дня. На основе МЭМС-технологии уже производятся различными фирмами микросенсоры: давления, скорости, пульсаций скорости и т.д.; и микроактюаторы: микрозакрылки, микронасосы, микродвигатели и т.д. Перспективность данного направления в науке и технологии — очевидна. В частности, для снижения сопротивления трения летательных аппаратов, повышения их устойчивости и управляемости, предотвращения отрыва пограничного слоя. И эта очевидность связана прежде всего с возможностью глобального слежения за состоянием течения в пространстве и времени и мгновенного реагирования на те или иные нежелательные процессы в нем. Кроме того, привлекает низкая стоимость таких устройств при их массовом производстве (о чем уже говорилось), по сравнению с традиционными механизмами управления течением, изготавливаемых по технологии машиностроения.

Учитывая современные тенденции прорыва МЭМС-технологии в различные отрасли науки и техники, следует отметить, что создаваемые микроэлектромеханические системы и отдельные элементы этой системы не всегда отвечают запросам той или иной конкретной задачи. Зачастую сделав то или иное очередное микроустройство, его создатели просто просят попробовать применить это устройство "где-нибудь, для чего-нибудь". Так было, например, с микроэлектродвигателем.

Естественно, что наиболее оптимально в данном случае сотрудничество разработчика и изготовителя микроэлектромеханических систем (устройств) со специалистами в той или иной области знаний, способных поставить конкретную задачу. В этом контексте очень продуктивным оказалось сотрудничество Института теоретической и прикладной механики и Института физики полупроводников СО РАН в рамках междисциплинарного интеграционного проекта "Разработка микроэлектромеханической системы управления ламинарно-турбулентным переходом в пристенных течениях".

Согласно первоначальному плану работы, в течение первого года осуществлялись изготовление и тестирование сенсора (датчика давления); второго года — актюатора (микроинжектора). Изготовленный вариант сенсора представлял собой тензопреобразователь с мембранным упругим элементом из кремния с поликремниевым тензорезистивным слоем. Применимость изготовленного датчика давления была проверена в аэродинамической трубе дозвуковых скоростей потока. Выбранная для этого тестовая задача представляла собой обтекание крыла конечного размаха, расположенного при близких к критическому углах атаки. В этих условиях над верхней поверхностью модели могут возникать два хорошо изученных устойчивых режима течения: безотрывный и со срывом потока вблизи передней кромки крыла. Показания датчика дали возможность идентифицировать течение в присоединенном турбулентном пограничном слое и при отрыве потока как по величине среднего давления, так и по уровню пульсаций, который относительно велик при безотрывном турбулентном обтекании. Малая инерционность сенсора позволила также зафиксировать переходное состояние — процесс глобальной перестройки течения у поверхности крыла.

Известны различные методы воздействия на пристенные течения внесением в них малых локализованных в пространстве возмущений, которые позволяют изменять интегральные характеристики обтекания тела. При оптимальном расположении источника возмущений и правильно выбранной частоте воздействия, гидродинамическая неустойчивость течения приводит к усилению возбуждаемых колебаний и, в итоге — к перестройке всего поля скорости. В задаче предотвращения срыва потока с передней кромки крыла, расположенного под большим углом атаки, требуемый эффект может быть достигнут при генерации колебаний через поперечную щель в поверхности модели, расположенную вблизи точки отрыва. Результаты предварительных исследований послужили обоснованием метода воздействия на пристенное течение, который был выбран при проектировании актюатора: периодический вдув газа в поток через обтекаемую поверхность. В работу актюатора, созданного на основе микроэлектронной технологии, был заложен электростатический принцип возбуждения. В результате выполненной работы спроектированы основные элементы микроэлектромеханической системы управления пристенными течениями: сенсор (датчик давления) и актюатор (микроинжектор). Изготовлены экспериментальные образцы сенсора и актюатора, обследованы их метрологические характеристики. Для перспективного использования МЭМС проведена серия экспериментальных аэродинамических исследований, результаты которых, с одной стороны, обосновали выбор и показали работоспособность элементов системы управления, а с другой — расширили фундаментальные представления о механизмах неустойчивости сдвиговых течений.

Интересно отметить, что московский журнал "Наука производству" (издательство "Вираж-Центр") свой двенадцатый номер за 2001 год целиком посвятил разработкам Объединенного института физики полупроводников СО РАН. В этом специальном выпуске опубликована научная статья группы авторов, участников интеграционного проекта — А.Таскина, Б.Фомина, Е.Черепова, В.Гридчина, В.Любимского, С.Хабарова, А.Довгаля, Г.Грека и автора этих строк: "Датчики давления мембранного типа для исследования аэродинамических потоков".