Области применения изделий МСТ военного назначения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Микросистемы: принципы построения, элементная база

УДК 621.382.82:355/359

И.Ю. Золотов, ПЛ. Мальцев

СПП при Президиуме РАН, г. Москва

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ МСТ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Основными областями военно-технического применения изделий микросис-темной техники (МСТ) и микроэлектромеханических систем (МЭМС) являются:

♦ микроробототехнические «интеллектуальные» системы (воздушного базирования для освещения боевой обстановки, контроля химических и радиационных загрязнений; наземного базирования для освещения боевой обстановки; наземных средств охраны и обороны, корректировки огня;

; , , -ских средств разведки; средств быстрого развертывания телекоммуника-, );

♦ микроэлектромеханические устройства (навигационные измерительные средства различного базирования; электромеханические преобразователи

, , -

,

двигательными установками; взрыватели, ступени предохранения и взведе-, , ; -сти для аэродинамического управления летательными аппаратами, системы

- );

♦ микрооптоэлектромеханические устройства (интегрированные системы

« - », -,

техники и телекоммуникаций, оптоэлектронные процессоры, волоконно; -си; активно управляемые системы телевидения высокой четкости и др.);

♦ микроакустоэлектромеханические устройства (камеры акустических изо-

, « портретов» и противодействия гидролокационным средствам, акустические локаторы с цифровым выходом, датчики контроля вибраций и др.).

Области военно-технического применения изделий МСТ в составе радиоэлектронных средств вооружения

Изделия МСТ и их функциональные узлы находят применение в радиоэлектронных средствах вооружения различного базирования и группах видового исполнения боевой аппаратуры (наемные, морские, авиационные, ракетные, косми-, ).

Доминирующими целями применения изделий МСТ в радиоэлектронных средствах вооружения на «электронном поле боя» являются: в обороне - обеспечение боевого противодействия противнику путем постановки электронных барьеров

его боевым средствам и подразделениям, в наступлении - снижение маневренности противника путем обеспечения нанесения упреждающего высокоэффективного удара по боевым объектам и ресурсам.

Боевое размещение изделий МСТ и их функциональных узлов возможно в составе радиоэлектронных средств вооружения: вспомогательных и обеспечиваю, , , расположении эшелонов обороны противника (топографически).

Основными выполняемыми функциями при этом являются: опознавание, классификация и идентификация военных объектов и живой силы, отработка оперативных решений по применению вспомогательных средств и оружия, выдача сигналов управления вспомогательными системами, вооружением, действиями личного состава (идентификация электромагнитных, звуковых, акустических, сейсмических, спектральных, магнитных, температурных, емкостных и других сигнатур военных объектов и персонала, двигателей и систем зажигания, электронных систем и т.п., установление одорантных признаков военных объектов, персонала, взрывчатых и химических веществ, выведение систем управления ракетных шахт, повреждение и уничтожение скрытых коммуникаций, боевой техники и живой силы противника путем применения ударных средств вооружения, боевых микро- и ).

- -

крыли и новые области их применения. В частности, стало возможным создание дешевых малогабаритных навигационных систем, в которых осуществляется ком-плексирование инерциальных датчиков с приемниками сигналов СРНС (глобальных спутниковых систем вР8^ЛОНАСС и наземных комплексов дифференциаль-

). -технологий сформировали новые направления по разработке инерциальных измерителей для решения следующих задач:

♦ повышение вероятности правильного срабатывания и безопасности боеприпасов путем применения инерциальных датчиков в системах обеспечения взрыва (взрывателей) и ступенях предохранения систем автоматики боеприпасов;

♦ создание дешевых управляемых артиллерийских снарядов (установка ИНС в неуправляемые снаряды в интересах повышения эффективности

);

♦

пользователей GPS (прежде всего систем высокоточного оружия - ЗУР, , , ) - (

ИНС в качестве дополнительного прибора в общей системе навигации на основе GPS);

♦ разработка эффективных систем у правления движением автономных робототехнических комплексов различного вида базирования (нано- и пикоспутники, беспилотные летательные аппараты, наземные роботы и необитаемые подводные аппараты), а также персональной аппаратуры наземной навигации военнослужащих.

Применение микроразмерных подводных аппаратов (МПА) в интересах

решения задач ВМФ

Учитывая современный уровень и тенденции развития технологий МСТ мож-

,

могут быть использованы в интересах обеспечения решения следующих военно-:

1. Противолодочная оборона

На МПА возлагаются следующие основные задачи:

♦ обнаружение ПЛ/НК, скрытое слежение, преследование;

♦ перехват атакующих ПЛ/НК торпед (путем подрыва или применения

);

♦ имитация гидроакустического поля ПЛ (первичного или вторичного) -формирование ложной цели (пассивное и активное гидроакустическое

- );

♦ целеуказание торпедам или ПКР;

♦ ( ).

2. Освещение надводной и подводной обстановки.

Основными задачами МПА при проведении работ по освещению надводной и подводной обстановки являются:

♦ распознавание надводных и подводных целей в ближней зоне;

♦ раннее обнаружение и идентификация ПЛ и НК (гидроакустическое);

♦ гидрологич еская разведка;

♦ измерение физиче ских полей ПЛ и НК;

♦ обследование подводных объектов (поисково-осмотровые работы);

♦ боевое ох ранение НК.

3. Противоминная оборона

МПА должны решать следующие задачи:

♦ обнаружение (гидроакустическое, магнитное и видео) донных и якорных

;

♦ картографирование минных полей;

♦ нейтрализация ил и уничтожение мин.

4. Формирование функциональных дополнений к системам подводной связи и навигации

♦ МПА должны решать следующие задачи:

♦

;

♦ прием и передача информации с ПЛ на КА и по каналу «Берег - МПА -ПЛ»;

♦ формирование функциональных до полнений к системам гидроакустической навигации (формирование функциональных дополнений к системам

- -GPS (NAVSTAR) и ГЛОНАСС).

Важно отметить, что совместное функционирование системы «ПЛ - МПА» позволит подводному флоту существенно повысить эффективность решения широкого круга задач: от противодействия противолодочным ПЛ до приема сеанса связи и ведения гидрологической разведки. Внедрение нетрадиционных комплек-, « - », -вует повышению боевой устойчивости ПЛ от воздействия противника и значительно расширяет их возможности по преодолению противодействия противолодочных сил и средств противника. Поэтому неслучайный является тот факт, что наибольшее число перспективных разработок АНПА предполагает совместное с .

Применение космических микроаппаратов

Применение изделий МСТ позволяет получить новое качество космических аппаратов, существенно изменить их облик и сферы применения. Космическая отрасль в максимальной степени аккумулирует последние достижения в МСТ, в том числе, электронике, специальных сверхлегких (углеродистых) материалах, миниатюрных датчиках (волновых гироскопах, акселерометрах и т.п.), исполнительных - ( , . .).

Применение изделий МСТ обеспечит создание и вывод на орбиту микро- (до 100 ), - (10 ) - ( 1 )

ракетами-носителями (например, выработавшими ресурс боевыми ракетами стра-, ), -(еще более легким ракетоносителем), либо «попутным» выводом с основного ( ).

Так, фирма Spectrum Astro Inc (США) использует МЭМС в составе многокристальных модулях для оценки радиационной чувствительности и стойкости, применяемых в миниспутнике Picosaty. В шведской университетской лаборатории Angstroem Space Technology Center разрабатывается система микродвигателя на , - . -стоящее время ведутся работы по созданию приборов на карбиде кремния - материале, который может работать в жестких условиях космоса (под прямым солнечным воздействием вблизи Земли и Луны температура достигает плюс 125°С, в тени

- минус 156°С).

Противоракетная оборона и противоспутниковая борьба становятся возмож-

( ), -

кующих, так и выполняющих информационные задачи и являющихся малоуязвимыми для атакующих средств противника. Вывод о необходимости создания многочисленных ОГ для решения военных задач был сделан еще в 80-е годы при анализе Стратегической оборонной инициативы.

Многочисленная ОГ из сверхмалых КА оказывается малоуязвимой и сверх-надежной относительно существующих космических систем, что обеспечивается:

♦ малыми размерами самого КА;

♦ использованием принципиал ьно иной элементной базы КА;

♦ относительной его простотой с то чки зрения конструктивного исполне-

;

♦ многократным дублированием функционирования отдельных КА в системе друг с другом;

♦ низкой стоимостью производства, запуска и эксплуатации одного КА;

♦ относительной легкостью наращивания и восполнения орбитальной груп-

;

♦ необходимостью проведения противником массированной атаки для вывода ОГ из строя.

При использовании миниатюрных КА появляется совершенно новый подход к их применению и построению всей космической системы в целом. В этом случае должны использоваться новые принципы коррекции орбиты КА и связи его с наземными компонентами космической системы. Инновационный подход подразумевает развитие принципиально нового направления в космонавтике - космических систем на основе сверхмалых аппаратов, которые должны органично вписаться в космическую инфраструктуру.

Отличительной особенностью орбитальной группировки сверхмалых КА ( ) . -сматриваемой ОГ является сложным. Главная ОГ может состоять из нескольких , ,

ОГ могут находиться КА различного типа и назначения.

ОГ СМКА является системой, в качестве элементов которой рассматриваются . , -. . отдельности не способен обеспечить выполнение целевой задачи. Это объясняется двумя противоположными причинами. С одной стороны, СМКА может иметь ограниченные возможности относительно большого КА того же целевого назначения и выполнение целевой задачи КС может быть достигнуто только в результате совокупного функционирования СМКА. С другой стороны, функционально развитые , , -, . класс задачи опять же может быть решен только совокупностью КА.

Применение технологий МЭМС и МСТ в автомобильной технике

Электронные системы играют важную и с годами увеличивающуюся роль в автомобильной технике. Если в 1990 г. их доля составляла 7%, то в 2000 г. - уже 17%, а к 2005 г. достигнет 25% и более. Эта устойчивая тенденция сформировалась под влиянием рынка и государственных законов.

В большинстве стран мира законодательство требует защиты окружающей среды путем уменьшения потребления топлива, выхлопа токсичных веществ и

2,

.

В современных автомобилях используются подушки и ремни безопасности, антиблокировочные тормозные и другие электронные системы обеспечения стабильности режимов эксплуатации и условий управления движением, в том числе минирадиолокационные станции, видеодатчики, средства климат-контроля, средства электронной навигации.

2000 .

систем с использованием электронных технологий и компонентной базы микро-электромеханических систем в целях увеличения гарантийного пробега транспортных средств до 250 тыс. км (или до 10 лет эксплуатации), повышения их эксплуа-, , , -ских систем и оперативного контроля параметров и режимов движения. Автомобилестроители США к 2005 г. должны оборудовать до 40-45% автомобилей уст, , ,

. 2006 .

транспортные средства США должны содержать указанные элементы МЭМС в .

Элементы МЭМС используются в автомобильных электронных системах с 1979 . , , -

ли и датчики абсолютного давления. И в настоящее время это один из наиболее распространенных вариантов применения устройств МЭМС в автомобильной . 90- -

пользовать кремниевые акселерометры, как элементы микросистемной техники, в составе устройств управления срабатыванием подушек безопасности.

К 1997 г. мировой рынок автомобильной электроники вырос до 18 ., 2002 . 25,5 .

преобразователей физических величин (ПФВ) и датчиков, как элементной базы

, - 5,2 . 8,8 .

740 . . 1,1 . .

/ 406

494 ., .

Жесткие условия эксплуатации автомобилей предъявляют повышенные требования по устойчивости ЭКБ в составе систем управления к воздействию факторов внешней среды - повышенной температуры (вблизи двигателя) и перепадов температур, одиночных и многократных ударов вибрации, влажности (в том числе тумана, перехода «иней - роса» при перепадах температур) агрессивных сред, конденсатов и др. По существу автомобильная ЭКБ должна отвечать большинству требований по устойчивости к климатическим и механическим факторам внешней

, . При этом в силу массовости ее применения стоимость изделий должна быть срав-.

Современные технологии и устройства кремниевых МЭМС/МСТ в значительной мере удовлетворяют этим противоречивым требованиям и обеспечивают эксплуатацию в транспортных средствах различного назначения.

20 ( )

ПФВ и датчиков используется кремний. Его электрофизические и механические свойства и характеристики хорошо изучены и нормированы. Выполненные на основе кремния ЧЭ и преобразователи (датчики) технологически и информационно хорошо совместимы с микроэлектронными аналоговыми, аналого-цифровыми и

, -формации о входной физической величине, ее нормализации, обработки и передачи на встроенные (интегрированные) исполнительные узлы.

Анализ применения кремниевых МЭМСМСТ в средствах автомобильной 1997 2002 .

распространенных областях их применения:

♦ акселерометры для динамического контроля режимов движения и поду-

;

♦ датчики давления в системах передач, торможения, охлаждения, подачи топлива, контроля состояния и автоматической подкачки шин, динамического контроля угла рыскания;

♦ датчики положения и скорости вращения колес, положения распределительного и коленчатого валов, педалей управления;

♦ датчики содержания окиси углерода, количества топлива в баке, влажности и климат контроля салона;

♦ датчики солнеч ного света и дождя;

♦ датчики расстояния и сближения с объектом (для обнаружения препятст-

).

В автомобильной технике биморфы (состояния вещества в двух состояниях) активно внедряются в следующих устройствах:

♦ датчиках поворота для определения угла поворота дроссельной заслонки;

♦ датчиках угловой скорости и линейные акселерометры;

♦ датчиках не ровности дорог;

♦ пьезогироскопах для систем навигации;

♦ датчиках потока воздуха;

♦ датчиках ур овня жидкости;

♦ датчиках расхода топлива.

Сборка от 3 до 4 пьезобиморфов в едином блоке позволяет осуществлять создание пьезоустройств с высоким значением усилий, что позволяет использовать их в системах впрыска топлива и газораспределительных системах двигателя, гидро-стабилизированных системах подвески.

Встроенные в оборудование биморфы постоянно отслеживают сигнатуру , , прогнозируют преждевременную усталость конструкции.

Применение биосенсорных методов для контроля поражающих факторов химической и биологической природы

Биосенсоры и аналитические процедуры на их основе уже давно вышли за рамки лабораторных исследований и заняли устойчивую нишу в повседневной практике. Биотехнология, пищевая промышленность, медицина, экология - далеко не полный перечень возможных областей их применения в гражданских целях. Ряд причин приводит к растущему интересу военных и силовых ведомств многих стран к практическому использованию биосенсорной аналитики в целях национальной , -ляющих веществ (ОВ) и не исключена возможность применения террористами ( ).

оружия приводит к необходимости создания методов и приборов для выполнения не только быстрого и высокочувствительного обнаружения поражающих воздейст-, . систем высокочувствительной и селективной детекции ОВ и БО и предотвращения последствий их применения относится к перспективным направлениям в разработке мер воинской химической и биологической защиты.

Рассматривая вопрос о возможном практическом применении биосенсоров в воинской практике отметим, что в соответствии с классической терминологией под «биосенсором» подразумевается компактное устройство/прибор, содержащий анализирующий элемент биологической природы (биорецептор), работа которого может быть основана на использовании ферментов, клеток, антител, клеточных рецепторов и т.д. и который сопряжен с физическим преобразователем, проводящим регистрацию сигналов биологического элемента.

Потенциально биосенсоры способны выполнять чувствительную и специфическую детекцию вредных воздействий, что обусловливает в целом перспективность развития данного направления. Анализ различных методов детекции, параметров и типов описанных биосенсоров и возможности их использования в войсковой практике приведены в обзоре. Целесообразность использования в войсковой практике биосенсорных датчиков обусловлена следующими соображениями:

♦ имеется возможность разрабатывать системы для раннего предупреждения о применении химического или биологического оружия;

♦ биосенсоры для обнаружения биологического и химического оружия могут быть основаны на ферментах, антителах и тканевом материале, что позволяет имитировать сложные функции многоклеточных человеческих органов и с высокой чувствительностью оценивать поражающее дейст-

;

♦

не только известных, но и не использовавшихся ранее веществ;

♦

неактивных химических соединений;

♦ малогабаритность и ко мпактность анализаторов.

Характеризуя биосенсор как анализирующую систему, кратко отметим основные функции биоматериала. Биологический материал может быть сопряжен с преобразователями различных типов, которые обеспечивают наиболее эффективную регистрацию сигналов при взаимодействии с анализируемым соединением.

В биосенсорах электрохимического типа в сочетании с потенциометрическими электродами применяют ферменты, рецепторы, клетки микроорганизмов, ткани растений и животных, антитела, меченые ферментами. В сочетании с амперометрическими электродами известно использование ферментов, микроорганизмов, тканей растений и животных, антител, меченых ферментами.

В биосенсорах кондуктометрического типа описано использование ферментов, искусственных бислойных липидных мембран.

Оптические типы биосенсоров основаны на измерении флюоресценции, люминесценции, эффектов поверхностного плазменного резонанса, затухающих волн.

В биосенсорах на основе акустических преобразователей известно примене-, , , .

Измерение количества теплоты, выделяемой при взаимодействии анализируемого соединения с материалом биорецептора, используется в биосенсорах ка; ,

, . -личных типов можно обратиться к монографиям.

Биорецептор сенсора выполняет селективное распознавание анализируемого , , -, .

Биорецепторы можно разделить на две категории: каталитические и аффинные. Группа каталитических биорецепторов включает ферменты, ткани, клетки микроорганизмов. Сенсоры, основанные на этих компонентах, позволяют проводить анализ в непрерывном режиме; типичный диапазон измеряемых концентраций заключен в пределах от микро- до миллимолей. К группе некаталитических (аффинных) относятся биосенсоры на основе антител / антигенов, лектинов, кле-, , -значены для одноразового использования при детекции гормонов, стероидов, лекарственных веществ в концентрациях от пико- до микромолей.

Ферменты. Стабильность фермента является, как правило, решающим фак-

, ; функционирования может составлять от одного дня до одного или двух месяцев.

Органеллы. Митохондрии, хлоропласта, целые клетки - бактерии, микроско-, -ния используют в сенсорах как структуры, содержащие наборы ферментов. Основной недостаток биосенсоров этого типа - низкая селективность.

Клеточные рецепторы. Рецепторы животных клеток относятся к белкам, локализованным в мембранах и не обладающим каталитической активностью. Связывание анализируемого соединения с иммобилизованными рецепторами может быть измерено непосредственно пьезоэлектрическим преобразователем по изменению массы биоэлемента либо с помощью оптической техники на установках по измерению поверхностного плазменного резонанса.

Антитела (Ат) и антигены (Аг). Образование комплекса Аг с Ат преобразователем биосенсора может быть измерено непосредственно или косвенно. Непо-

средственно можно зарегистрировать изменения массы с помощью акустического

,

. -

кой, основанной на использовании оптических методов, в случае, если Аг или Ат конъюгировано с флюоресцентной меткой; в биосенсорах электрохимического типа для проявления комплекса антиген (антитело) применяют ферментную метку. Два последних типа биосенсоров относятся к классу иммуносенсоров с кос.

. -

тием методов электрохимической, микрогравиметрической и оптической детекции реакций гибридизации ДНК, а также использования ДНК как мишени воздействия.

В ряде работ было показано, что электрохимические методы не обладают высокой

чувствительностью и помехоустойчивостью, поэтому наиболее приемлемыми оказались акустический и оптический методы.

Благодаря созданию индустрии микромеханических устройств и систем в ряде развитых стран мира, данные приборы нашли достаточно широкое применение в различной электронной аппаратуре, в том числе военного назначения.

УДК 004.89.004.3

Д.М. Еремин, С.В. Киор, В.М. Лохин

Московский государственный институт радиотехники, электроник и автоматики (Техническийуниверситет), г. Москва

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ НЕЙРОСЕТЕВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Последние достижения в области микроэлектромеханических систем привели к появлению акселерометров, гироскопов, двигателей вращательных и линейных , , -механических устройств микрокласса, обладающих достаточно высокими техническими характеристиками [1-4].

Эти разработки в микросистемной технике и других смежных научнотехнических направлениях обусловили появление экспериментальных, опытных, , -ления автономных и дистанционно управляемых робототехнических устройств

- .

,

управления и комплексной обработки информации, обеспечивающих требующиеся характеристики по быстродействию, качеству и габаритам. Также при создании микросистемной техники приходится учитывать большое число факторов неопре-, , -вания. Для обеспечения данных характеристик при разработке современных систем управления применяют интеллектуальные технологии, но с использованием различных подходов и способов аппаратной реализации.

За последние годы на кафедре Проблем управления (МИРЭА) накоплен большой опыт по созданию интеллектуальных систем управления широким классом сложных динамических объектов, включая объекты микросистемной техники.