Невіртуальна прозорість

Наноструктуровані водорозчинні полімери — гарантія міцності, надійності та довговічності.

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка (ІХП) НАН України розробляє з композиційних матеріалів радіолокаційні відбивачі, які моделюють різні цілі, радіо­­­­поглинальні й радіопрозорі­ ук­риття для мобільних і наземних радіолокаційних станцій (РЛС), літакові й ракетні обтічники й багато чого іншого.

Власне дослідне виробництво дозволяє вченим проводити весь комплекс технологічних робіт і видавати замовникові готову продукцію.

На перший погляд, радіопрозорий матеріал нічим особливим не вирізняється серед безлічі інших полімерів, які міцно ввійшли майже в усі сфери нашого життя. Але насправді це надзвичайно складна структура, яка має ті або інші властивості залежно від конкретної сфери застосування. Наприклад, досить тонка захисна «скоринка» на носовому обтічнику космічної ракети може витримувати температуру до +1500°С, а в разі використання в наземних радіолокаційних комплексах в умовах Півночі — до —50-60°С. При цьому захисні оболонки як у першому, так і в другому випадку мають бути досить тонкими, щоб вільно пропускати радіо­хвилі, і міцними, щоб не втрачати своїх властивостей під впливом експлуатаційних навантажень і кліматичних чинників (вологи, пилу, сильного вітру, криги), тобто в найжорсткіших умовах експлуатації.

Співробітники експеримен­таль­но-технологіч­ного відділу конструкційних матеріалів ІХП брали участь у розробці обтічників для дослідних зразків гігантів віт­чизняної авіації — літаків «Руслан» і «Мрія».

Українські вчені зуміли створити багатошарові вентильовані конструкції, які на відміну від аналогів, що застосовувалися раніше, не накопичували вологу, а отже не призводили до зниження потужності РЛС і зменшення дальності виявлення цілі. За розробки виробів із заданими властивостями головний конструктор ІХП кандидат технічних наук Семен Малашенков і провідний науковий співробітник, заслужений винахідник України, завідувач відділу Анатолій Гірченко були визнані гідними Державної премії України в галузі науки і техніки.­ Активну участь у цій роботі брали старший науковий співробітник, радіофізик­­Юрій Шевляков, старший­ науковий співробітник кандидат хімічних наук Валентин­ Міщенко, провідний інженер Микола Гречко, майс­три Олександр Зюмченко та Микола Груд­зинський.

— Кожне завдання тоді було особливим, — згадує С. Малашенков. — Наприклад, ми розробили радіопрозоре укриття (РПУ) діаметром 20 метрів, яке встановили на кораблі, що плавав Північним Льодовитим океаном. З огляду на погодну специфіку в тих широтах, треба було, по-перше, створити особливо міцну основну радіопрозору оболонку, здатну витримувати великі навантаження. По-друге, знайти спосіб швидкого та ефективного очищення поверхні укриття від криги, що перешкоджала нормальній роботі радіолокаційного обладнання. Кращим рішенням цього непростого завдання було застосування двох додаткових еластичних радіопрозорих оболонок. Між ними за необхідності вдувалося повітря, за рахунок деформації поверхні крига розколювалася й скидалася вниз.

Головний конструктор Семен Малашенков керував також розробкою радіолокаційного відбивача, що імітує  ефективною площею розсіювання  повітряні й наземні цілі. Такі відбивачі служать для створення навчальних або помилкових цілей, а також збільшують імовірність виявлення малопомітних об’єктів за допомогою радіолокаційних засобів.

Разом із тим у ІХП вирішили й протилежне завдання — зменшення ефективної площі розсіювання й, відповідно, зниження радіолокаційної помітності об’єктів.

Такі радіолокаційні відбивачі можна з успіхом застосовувати в мирному житті. Наприклад, для пошуку катерів і човнів, які загубилися в морі, туристів у горах або в лісі. Невеликі за розміром відбивачі легко монтуються на будь-яких конструкціях, а туристи можуть носити їх у рюкзаках.

Індивідуальний підхід

Технології, розроблені в ІХП, ґрунтуються на застосуванні сендвичевої, вафельної й ніздрюватої структур, що надає композиційним матеріалам особливих властивостей. Тоді вироби відповідають найвищим механічним, радіотехнічним та експлуатаційним вимогам. У тому числі забезпечують радіопрозорість у широкому діапазоні частот, у тому числі короткохвильовому, за великих кутів сканування променя. Не менш важливо, що запропоновані методики дозволяють індивідуально підходити до вибору форми кожного виробу залежно від конструкції антени, її призначення та діа­пазону частот. Для укриття антени ракети обтічник виконують оживальної форми, щоб мінімізувати аеродинамічний опір. Над корабельною обертовою антеною, призначеною для космічного зв’язку, ідеальний варіант РПУ — у вигляді усіченої сфери. Ну а для фазованих антенних ґрат «дах» може бути плоским. До речі, плоский радіопрозорий екран був виготовлений свого часу для антени зенітно-ракетного комплексу — аналога американської ракетної системи «Петріот».

Інститут розробив також блокові конструкції велико­габаритних укриттів різної­ форми (циліндричної, сферичної, плоскої) і високоефективні методи їхнього­ з’єднання, кріплення, посилення. Наприклад, конструкція мобільних РПУ діа­­метром до 15,6 м забезпечує високу швидкість їхнього складання-розбирання й монтажу на непідготовлених площадках, без допомоги крана. Учені домоглися того, що структури радіо­­прозорих стінок забезпечують коефіцієнти проходження не менше 0,9 у діапазоні 17 ГГц і нижче.

Ці розробки завжди мали високий попит, вони були впроваджені під час ви­готовлення радіо прозорих укриттів РЛС наземного­ й морського базування в Україні, Росії та Білорусі. Над одними проектами вчені працювали 5 років, що за науковими мірками не так уже й багато. Над іншими доводилося «чаклувати» по 10 років і більше. Усі створювані технології — наукомісткі. Вироби виготовляються переважно вручну, багато з них — з розряду дослідних зразків, а тому коштують дуже дорого. Проте, альтернативи такому виробництву на сьогодні нема, «дешеві варіанти» не працюють.

Міцні й легкі

На жаль, в останні роки через брак коштів багато цікавих тем в інституті доводиться зупиняти, відкладати до кращих часів. Але ІХП зберігає свій науковий потенціал і готовий до освоєння нових висот. Особливу увагу тут приділяють створенню композиційних матеріалів нового покоління — на основі модифікованих водорозчинних полімерів.

Цей напрям сьогодні актуальний в усьому світі. Перехід на технології із застосуванням сучасних композитів дозволить одержувати екологічно чисті, термостійкі, гідрофобні армовані матеріали, гостро затребувані і в провідних галузях промисловості, і в побуті. Із них можна виготовляти все ті ж радіопрозорі, поглинальні й відбивні укриття (але з більш високими характеристиками), міцні лицювальні конструкції, вироби для радіаційного захисту та альтернативної енергетики (лопаті вітрових генераторів, газгольдери, а також ферментатори для одержання біогазу), резервуари для зберігання газів під високим тиском, антистатичні укриття, обтічники для літаків, двигунів тощо.

Декілька нових конструк­торсько-технологіч­­­­них рішень учені інституту представили восени минулого року на 7-му міжнародному авіакосмічному салоні «Авіасвіт-ХХІ» (Київ). У тому числі була запропонована розрахункова модель багатошарових структур вафельного типу з композитних матеріалів для проектування обтічників антен НВЧ (надвисоких частот) і методика синтезу таких структур для вибору раціональних значень їхніх конструктивних параметрів за вимогами до радіотехнічних характеристик обтічників.

— Ми довели, що багатошарові структури вафельної будови можуть мати поліпшені радіотехнічні характеристики, — зауважив А.Гірченко. — Разом із тим з’явилася можливість створити більш міцні, легкі й тверді стінки в порівнянні із поширеними тришаровими (сендвічевими) варіантами будови.

Нагадаю, що вафельними­ називають ортотропні конструкції, які складаються з обшивки із часто розташованим підкріплювальним набором у вигляді перетинних тонких ребер. Уперше їх застосували для обичайок бойових ракет, вони також витіснили в конст­рукціях ракетних баків силові схеми з поперечним і поздовжнім підкріпленням із пресованих панелей і профілів.

Полімери без бар’єрів

Відомо, що власні характеристики полімерної матриці істотно обмежують експлуатаційні параметри й сфери застосування полімерних композитів. Матеріали на основі епоксидних і поліефірних смол характеризуються, зокрема, вужчим інтервалом робочих температур, виділенням токсичних речовин у процесі виробництва, експлуатації та горіння, незадовільними для екологічної безпеки умовами синтезу тощо. У кінці цього переліку — досить висока вартість основних компонентів із тенденцією до зростання. В Інституті хімії поверхні вирішили всіх цих мінусів позбутися за рахунок введення в матрицю наночастинок. У результаті вченим удалося не тільки підвищити термостійкість, а й скоротити вихід токсичних газів із готових виробів. Тобто зробити їх екологічно безпечними. Це дуже важливо, бо такі матеріали можуть широко застосовуватися не тільки в ракетно-космічній галузі, літако- або кораблебудуванні, а й у цивільній сфері. Наприклад, нові композити якнайкраще підійдуть для облицювання ескалаторних тунелів на станціях метро. Їх також можна застосовувати для облицювання шахтних штреків або як елементи огородження в місцях, де працюють люди.

Один з останніх проектів, над яким працюють в ІХП, пов’язаний не тільки зі створенням нової унікальної технології з виробництва гідрофобних полімерних композиційних матеріалів, армованих волокнистими й нанорозмірними наповнювачами, а й із розробкою відповідного дослід­но-промислового обладнання. Виконання проекту дозволить уперше в Україні організувати виробництво недорогих композиційних матеріалів на основі водорозчинних полімерів із цілим набором чудових властивостей. У тому числі з набагато нижчою собівартістю в порівнянні з виробництвом композитів на основі епоксидної і полі­ефірної смол.

Справка «УТГ»

Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної Академії наук України створений у 1986 р. у Києві. Це була перша в СРСР академічна установа для проведення фундаментальних і прикладних досліджень  у галузі хімії, фізики й технології дисперсних тіл.

Потужний науковий центр, у якому працює понад 300 співробітників, у тому числі 16 докторів і 90 кандидатів хімічних, фізико-математичних, технічних, біологічних, медичних і фармацевтичних наук.

Основні напрями дослідної роботи: теорія хімічної будови й реакційної здатності­ поверхні твердих тіл; медико-біологічні й біохімічні проблеми поверхні; фізико­хімія поверхневих явищ; технологія одержання наноматеріалів.

Довідка «УТГ»

Радіопрозоре укриття (РПУ) призначене для захисту радіолокаційного модуля від впливу зовнішніх метеорологічних чинників, насамперед  вітру, зручності проведення регламентних робіт і ремонту. У важких кліматичних умовах (низька або висока температура повітря, підвищена вологість, опади у вигляді роси або інею, морський соляний туман) застосування укриття забезпечує захист від зовнішніх впливів і подовжує термін служби радіолокаційного модуля.