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1、微小型无人装备将成为未来战场上的超级杀手铜目录1 .序言12 .微系统关键技术重大突破为微小型无人装备发展奠定基础13 .武器装备向微小型化方向发展34 .微小型无人装备发展的最新动态51.序百军事领域是微系统技术最早的应用领域之一，对推动微系统技术的进步和发展起到了重大作用。微系统具有微感知、微处理、微控制、微传输和微对抗等功能，推动武器装备向微小型化、自主化、智能化方向发展，微小型无人装备将成为未来战场上的超级杀手铜。微型机器人在战场上集群配合，微型飞行器隐秘切断对手指挥系统，等等，都已经在实战中得到应用。当前，世界各国都非常重视微系统技术在武器装备发展中的应用研究，制定发展战略规划，加大
2、投入研发力度，加快发展微小型无人装备。美军大力发展微小型无人装备的作战模式，对微电子产品进行了预先战略投资，组织实施了上百项研发计划，覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域。2.微系统关键技术重大突破为微小型无人装备发展奠定基础微系统技术是以微纳尺度理论为支撑，以微纳制造及工艺为基础，融入微机械、微电子、微光学、微能源、微流动等各种技术，通过功能模块集成，实现单一或多类用途的综合性前沿技术。微系统采用系统设计的思想和方法，将传感、通信、处理、执行和微能源等五大功能单元，通过以微纳制造及工艺为基础的系统级封装集成在一起的多功能微装置，被公认为21世纪的颠覆性技术之一。微系统具有微型化、成本
3、低、高灵敏度、低噪声等优点，涉及微处理器、微机电系统、微电子、微集成等多个技术，已广泛应用于仪器测量、无线通信、军事国防、生物化学、能源环境等各个领域。微系统技术是由集成电路技术发展而来的，经过了大约20年的萌芽阶段，即由20世纪60年代中期到80年代。这一时期，主要是开展一些微系统技术的零散研究，如开发了硅各向异性腐蚀技术用于在平面硅衬底上加工三维结构；一些研究机构和工业实验室里的研究者开始利用集成电路的加工技术制造微系统技术器件，例如悬臂梁、薄膜和喷嘴；微传感器的关键部件，如单晶硅和多晶硅中的压阻被发现、研究和优化。20世纪90年代以来，微系统技术发展突飞猛进，成功的例子有美国模拟器件公司
4、生产的集成惯性传感器和德州仪器公司研发的数字光处理芯片。由于微系统采用批量生产，大大降低了传感器的使用成本。近年来，光微系统技术发展迅速，世界各国的研究人员竞相开发微光机电系统和器件，希望能将二元光学透镜、衍射光栅、可调光微镜、干涉滤波器、相位调制器等部件应用到光学显示、自适应光学系统、可调滤波器、气体光谱分析仪和路由器等领域。微系统集成方法与工艺取得重大突破，微电子器件特征尺寸继续减小，微处理器、微射频器等性能进一步提升，为微系统技术的加速发展提供了有力支撑。微系统对传感器的可靠性要求越来越高，同时要求传感器有很高的准确性、敏感性、选择性、寿命和与长时间工作漂移有关的稳定性。近年来，美国国防
5、高级研究计划局开始研制独立的芯片级惯性导航和精确制导系统部件，以降低武器系统对GPS系统的依赖。新器件比传统惯性器件尺寸更小、重量更轻、功耗更低，工作功率不超过几十毫瓦。同时，微处理器向着小线宽、高性能、智能化方向发展。2011年三栅晶体管结构微处理器开始实现量产，标志着晶体管结构从平面到立体的根本性转变，性能提升了37%,而功耗降低了一半，微处理器开始向着小线宽、高性能、智能化的方向发展。美国启动下一代空间微处理器项目，目标是发展24个支持32位计算的处理器内核，支持100亿次/秒浮点运算，功率不超过7瓦，具有48个第三代或第四代双倍速率同步存储器端口。此外，微电子器件特征尺寸不断缩小。20
6、14年美国和日本展示了采用14纳米工艺实现的微处理器和现场可编程门阵列产品，以及15纳米工艺实现的闪存。2014年韩国三星公司14纳米三栅极FinFET芯片工厂已开始批量生产，将处理器芯片的性能提高20%,功耗能降低35%,占用面积减少15%。借助14纳米工艺，微处理器件在进一步提高性能的同时大大降低了功耗和成本。近来年，微集成技术日益成熟，带动具备传感、处理、控制等多种功能的微系统快速发展，大幅提升性能，实现能耗和体积数十至数百倍的降低。三维集成电路和多方式异构集成等三维集成技术研究日趋成熟，多个低功率、小信号、同质微电子器件的三维集成已成为标准工艺；微/光电子、微机电系统等多种器件间的集成
7、取得显著进展。美国国防部高级研究计划局的“电子一光子混杂集成”计划，目标是将高速电子与芯片级的光子微系统集成到一个微型硅芯片上，2014年成功地在硅片上集成数十亿个发光点，发出有效的硅基激光。微射频集成芯片实现重大突破，研制出二维光学相控阵列等新型光电集成器件。美国国防部高级研究计划局启动了高效线性全硅发射机集成电路项目，研制出世界上第一个可以工作在94吉赫的全硅单片集成信号发射机系统级芯片，将原本由多个电路板、单独的金属屏蔽装置和多条输入/输出连线组成的发射机，集成到了一个只有半个指甲盖大小的硅芯片上，实现了硅数字信号器件和射频器件的单片集成，使全硅系统级芯片首次达到亳米波范围，下一代军用射
8、频通信系统体积更小、重量更轻、成本更低、功能更强。美国国防部高级研究计划局开发出一种二维光学相控阵芯片，将4096个纳米天线集成到一个硅基底上，只有一个针尖大小，在异质、异构硅基光电集成技术等方面取得重要进展。美国的微系统技术处于世界领先地位，采取军民两用技术开发战略，得到了军方、国家科学基金、联邦政府和企业界的大力支持。口本称微系统技术为微机械，研发领域主要集中在微机械制造。3 .武器装备向微小型化方向发展目前微系统技术处于大规模应用转化的阶段，由微器件技术制造的芯片己应用于诸多军事领域。微系统技术将多种先进技术高度融合，将各自独立的信息获取、处理、命令执行等系统融为一体，推动武器装备向微小
9、型化、自主化、智能化的方向发展，加速提升武器装备系统的性能，提高武器系统的机动性和隐蔽性，降低尺寸、重量与成本。用微小型无人装备对付传统武器，将导致未来战场出现“尺度不均衡战争”，将对武器装备发展与未来作战样式产生深远影响。采用微系统技术制造的导弹加速度计和陀螺仪，价格降低98%；采用微系统技术研制的芯片级原子钟，比传统原子钟体积缩小100倍。由美国国防部高级研究计划局主持、霍尼韦尔公司研制的“T.鹰”微型无人机，已在阿富汗和叙利亚战场上得到了实战检验，其重量仅为9千克，可以飞行50分钟。微小无人装备是20世纪90年代美国开始发展的一种新概念武器，包括微小型机器人、弹药、飞行器等，特别适用于城
10、市作战、反恐作战和恶劣环境下的局部战争。微小型无人装备无法携带过多的载荷，但是它通过网络将大量微小型无人装备按照不同需求整合起来，就可执行多种任务。例如，可以构建一类战区专用网络来解决微小型无人装备的“智慧”和“能量”问题。这种模式类似于“云计算”概念，每个微小型无人装备单元的路径规划、导航与制导、协同攻击等复杂的分析、计算、决策和控制任务由专网完成，还可以从专网中补充能量。当前，部分微系统技术已开始进入实用化阶段，如芯片级原子钟、芯片卫星、微型雷达等。微系统迎合了未来武器装备信息平台芯片化发展的需求，其前景日益受到世界各国的高度重视。美国国防部高级研究计划局把微系统技术列为急需发展的新兴技术
11、，大力发展小型惯性测量装置、微全分析系统、RF传感器、网络传感器、无人值守传感器等项目，广泛应用于单兵携带、战场监测、武器安全、保险和引信、弹道修正、子母弹开仓控制、超低功率无线通讯信号处理、高密度低功耗的数据存储器件、目标识别系统等方面。美国国防部高级研究计划局微系统技术办公室对微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资，组织实施了上百项研发计划，覆盖了先进电子元器件和集成电路发展的前沿领域，如先进微系统技术、电子和光子集成电路、光纤激光器、微机电系统、微型同位素电源等数十项研究计划。近年来，美国、以色列和欧洲国家的部队相继装备了固定翼小型无人机和微型无人机，并在多次局部
12、战争中得到应用。在美国空军对未来25年武器装备发展的战略规划中，小型涵道式垂直起降飞行器、小型巡航弹药也越来越受到重视，微型机器人更是被视为未来20年内打击美国对手的有效武器。微小型弹药越来越受到世界军事强国的重视，例如美国的反坦克弹药“毒蛇”“小直径炸弹”等灵巧弹药，体积小、效能高的优势在实战中日益显现。4 .微小型无人装备发展的最新动态微系统技术的重大突破，极大地促进了微小型无人装备的发展。美国国防部高级研究计划局从2009年就启动了混合昆虫微机电计划，发展可以自主控制昆虫运动的技术。2012年美国密歇根大学和犹他大学研发出一个原型，可以让半机械甲虫通过植入方式，利用翅膀震动产生电能。20
13、14年美国洛克希德马丁公司推出“矢量鹰”多任务微型无人机，起飞总重只有约L8千克，纵向剖面约10厘米，拥有一流的载荷、速度和航时能力，可以在战场上根据各种任务重新配置，包括固定翼型、垂直起降型和倾转旋翼型。由于具备开放式体系结构、可重构的型式、自适应数据链以及载荷可扩展等特性，“矢量鹰”微型无人机具备广泛的应用前景和较强的适应能力。微型机器人是基于微系统技术、代替人完成任务的光机电一体化系统，尺寸一般很小，可自主、半自主或人工遥控工作，在微空间进行可控操作或采集信息。微型机器人最突出的优点是能执行常人无法完成的任务，而且可批量、廉价制造。美国研制的一种可探测核生化战剂的微型机器人，只有几毫米大
14、小。2014年美国哈佛大学的一个研究小组开发出了一款名为Kilobot的机器人，直径约2.5厘米，能够与其他同种类型的机器人共同协作完成任务。该机器人系统是一个由1024个Kilobot机器人组成的“团队”，可以依靠自身振动来移动，并能与附近的KilObOt机器人交流。KilobOt机器人内置微处理器，能维持至少3小时的操作，通过三个腿向左、向右或水平向前移动；底部配有一个广角红外收发器，可以发射光束到光滑面上，也可以接受相邻KilObOt机器反射的光束，实现彼此互动，判断彼此距离。美国陆军研究实验室正在研发的微型机器人，可以执行隐蔽监听和监视可疑敌对目标的任务；正在开发和测试的毫米级机器人腿
15、形结构，包括压电薄膜制动器和铜薄膜分段结构，通过模拟腿部动力学使其具备移动、提升和抗冲击能力。智能尘埃是微型机器人的一种，由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件组成。这类智能尘埃散放在一定范围内，能够相互定位，收集数据并向基站传递信息。由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进，集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已缩小到了沙粒般大小，但是它包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能尘埃可以在战场上悬浮几个小时，向相关作战人员提供实时或近实时的战场信息，得到高分辨率数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等信息。微型飞行器是由美国于2
16、0世纪90年代最先提出的，由于它具有特殊的用途而倍受军方的关注。微型飞行器姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要微系统技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器具有导航和通信能力，可用于侦察成像、电磁干扰等，是未来战场上重要的侦察和攻击武器。它具有价格低廉、便于携带、操作简单、安全性好等突出优点，可以配备到每一个士兵，不会增加士兵的负荷，却可大大增加士兵的作战灵活性，不仅可用这种飞行器进行侦察，还可用来加强人员之间的联系和信息共享。美国MLB公司研制出翼展为45厘米的微型飞行器，飞行时间大约20分钟，飞行速度约64公里/小时，飞行高度457米；德国IMM公司研制出了一种直径1.9毫米、重量91毫克、最大转速10万转/分钟的微型电机，利用这种微型电机制成了一架串列式双旋翼的微型试验直升机；日本东京大学研制的毫米级微
