Невиртуальная прозрачность
Наноструктурированные водорастворимые полимеры — гарантия прочности, надежности и долговечности.
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко (ИХП) НАН Украины разрабатывает из композиционных материалов радиолокационные отражатели, моделирующие различные цели, радиопоглощающие и радиопрозрачные укрытия для мобильных и наземных радиолокационных станций (РЛС), самолетные и ракетные обтекатели и многое другое.
Собственное опытное производство позволяет ученым проводить весь комплекс технологических работ и выдавать заказчику готовую продукцию.
На первый взгляд, радиопрозрачный материал ничем особенным не выделяется среди множества других полимеров, прочно вошедших практически во все сферы нашей жизни. Но в действительности это сложнейшая структура, обладающая теми или иными качествами в зависимости от конкретной области применения. Например, довольно тонкая защитная «корочка» на носовом обтекателе космической ракеты может выдерживать температуру до +1500оС, а при использовании в наземных радиолокационных комплексах в условиях Севера — до – 50—60оС. При этом защитные оболочки как в первом, так и во втором случае должны быть достаточно тонкими, чтобы свободно пропускать радиоволны, и прочными, чтобы не терять свои свойства под воздействием эксплуатационных нагрузок и климатических факторов (влаги, пыли, сильного ветра, льда), то есть в самых жестких условиях эксплуатации. Сотрудники экспериментально-технологического отдела конструкционных материалов ИХП участвовали в разработке обтекателей для опытных образцов гигантов отечественной авиации – самолетов «Руслан» и «Мрія».
Украинские ученые сумели создать многослойные вентилируемые конструкции, которые в отличие от применявшихся ранее аналогов не накапливали влагу, а значит не способствовали снижению мощности РЛС и уменьшению дальности обнаружения цели. За разработки изделий с заданными свойствами главный конструктор ИХП кандидат технических наук Семен Малашенков и ведущий научный сотрудник, заслуженный изобретатель Украины, заведующий отделом Анатолий Гирченко были удостоены Государственной премии Украины в области науки и техники. Активное участие в этой работе принимали старший научный сотрудник, радиофизик Юрий Шевляков старший научный сотрудник кандидат химических наук Валентин Мищенко, ведущий инженер Николай Гречко, мастера Александр Зюмченко и Николай Грудзинский.
— Каждое задание тогда было особенным, — вспоминает С. Малашенков. – Например, мы разработали радиопрозрачное укрытие (РПУ) диаметром 20 метров, которое установили на корабле, бороздившем Северный Ледовитый океан. Учитывая погодную специфику в тех широтах, надо было, во-первых, создать особо прочную основную радиопрозрачную оболочку, способную выдерживать большие нагрузки. Во-вторых, найти способ быстрой и эффективной очистки поверхности укрытия ото льда, который препятствовал нормальной работе радиолокационного оборудования. Лучшим решением этой непростой задачи оказалось применение двух дополнительных эластичных радиопрозрачных оболочек. Между ними по мере необходимости вдувался воздух, за счет деформации поверхности лед раскалывался и самопроизвольно сбрасывался вниз.
Главный конструктор Семен Малашенков руководил также разработкой радиолокационного отражателя, имитирующего по эффективной площади рассеивания различные воздушные и наземные цели. Такие отражатели служат для создания учебных или ложных целей, а также увеличивают вероятность обнаружения малозаметных объектов с помощью радиолокационных средств.
Вместе с тем в ИХП решили и обратную задачу – уменьшение эффективной площади рассеивания и, соответственно, снижение радиолокационной заметности объектов.
Подобные радиолокационные отражатели можно с успехом применять в мирной жизни. Например, при поиске катеров и лодок, затерявшихся в море, туристов в горах или в лесу. Небольшие по размеру отражатели легко монтируются на любых конструкциях, а туристы могут носить их в рюкзаках.
Индивидуальный подход
Технологии, разработанные в ИХП, основаны на применении сэндвичевой, вафельной и ячеистой структур, что придает композиционным материалам особенные свойства. Тогда изделия отвечают самым высоким механическим, радиотехническим и эксплуатационным требованиям. В том числе обеспечивают радиопрозрачность в широком диапазоне частот, включая коротковолновый, при больших углах сканирования луча. Не менее важно, что предложенные методики позволяют индивидуально подходить к выбору формы каждого изделия в зависимости от конструкции антенны, ее назначения и диапазона частот. Для укрытия антенны ракеты обтекатель выполняют оживальной формы, чтобы свести к минимуму аэродинамическое сопротивление. Над корабельной вращающейся антенной, предназначенной для космической связи, идеальный вариант РПУ – в виде усеченной сферы. Ну а для фазированной антенной решетки «крыша» может быть плоской. Кстати, плоский радиопрозрачный экран был изготовлен в свое время для антенны зенитно-ракетного комплекса – аналога американской ракетной системы «Петриот».
Институт разработал также блочные конструкции крупногабаритных укрытий различной формы (цилиндрической, сферической, плоской) и высокоэффективные методы их соединения, крепления, усиления. Например, конструкция мобильных РПУ диаметром до 15,6 м обеспечивает высокую скорость их сборки-разборки и монтажа на неподготовленных площадках, без помощи крана. Ученые добились того, что структуры радиопрозрачных стенок обеспечивают коэффициенты прохождения не менее 0,9 в диапазоне 17 ГГц и ниже.
Данные разработки всегда пользовались высоким спросом, они были внедрены при изготовлении радиопрозрачных укрытий РЛС наземного и морского базирования в Украине, России и Беларуси. Над одними проектами ученые работали 5 лет, что по научным меркам не так уж и много. Над иными приходилось «колдовать» по 10 лет и больше. Все создаваемые технологии – наукоемкие. Изделия изготавливаются в основном вручную, многие из разряда опытных образцов, а потому стоят очень дорого. Тем не менее альтернативы такому производству на сегодня не существует, «дешевые варианты» не работают.
Прочные и легкие
К сожалению, в последние годы из-за отсутствия средств многие интересные темы в институте приходится останавливать, откладывать до лучших времен. Но ИХП сохраняет свой научный потенциал и готов к освоению новых высот. Особое внимание здесь уделяют созданию композиционных материалов нового поколения – на основе модифицированных водорастворимых полимеров.
Это направление сегодня актуально во всем мире. Переход на технологии с применением современных композитов позволит получать экологически чистые, термостойкие, гидрофобные армированные материалы, остро востребованные и в ведущих отраслях промышленности, и в быту. Из них можно изготавливать все те же радиопрозрачные, поглощающие и отражающие укрытия (но с более высокими характеристиками), прочные облицовочные конструкции, изделия для радиационной защиты и альтернативной энергетики (лопасти ветровых генераторов, газгольдеры, а также ферментаторы для получения биогаза), емкости для хранения газов под высоким давлением, антистатические покрытия, обтекатели для самолетов, двигателей и т.п.
Ряд новых конструкторско-технологических решений ученые института представили осенью прошлого года на 7-м международном авиакосмическом салоне «Авиасвит-ХХІ» (Киев). В том числе была предложена расчетная модель многослойных структур вафельного типа из композитных материалов для проектирования обтекателей антенн СВЧ (сверхвысоких частот) и методика синтеза таких структур для выбора рациональных значений их конструктивных параметров по требованиям к радиотехническим характеристикам обтекателей.
— Мы доказали, что многослойные структуры вафельного строения могут обладать улучшенными радиотехническими характеристиками, — подчеркнул А.Гирченко. – Вместе с тем появилась возможность создать более прочные, легкие и жесткие стенки по сравнению с широко распространенными трехслойными (сэндвичевыми) вариантами строения.
Напомню, что вафельными называют ортотропные конструкции, состоящие из обшивки с часто расположенным подкрепляющим набором в виде пересекающихся тонких ребер. Впервые их применили для обечаек боевых ракет, они также вытеснили в конструкциях ракетных баков силовые схемы с поперечным и продольным подкреплением из прессованных панелей и профилей.
Полимеры без барьеров
Известно, что собственные качества полимерной матрицы существенно ограничивают эксплуатационные параметры и сферы применения полимерных композитов. Материалы на основе эпоксидных и полиэфирных смол характеризуются, в частности, более узким интервалом рабочих температур, выделением токсичных веществ в процессе производства, эксплуатации и горения, неудовлетворительными с экологической точки зрения условиями синтеза и тому подобное. В конце этого перечня — достаточно высокая стоимость основных компонентов с выраженной тенденцией роста. В Институте химии поверхности решили все эти минусы убрать за счет введения в матрицу наночастиц. В результате ученым удалось не только повысить термостойкость, но и снизить выход токсичных газов из готовых изделий. То есть сделать их экологически безопасными. Это очень важно, так как такие материалы могут широко применяться не только в ракетно-космической отрасли, самолето- или кораблестроении, но и на «гражданке». Например, новые композиты отлично подойдут для облицовки эскалаторных тоннелей на станциях метро. Их также можно применять для облицовки шахтных штреков или как элементы ограждения в местах, где работают люди.
Один из последних проектов, над которым работают в ИХП, связан не только с созданием новой уникальной технологии по производству гидрофобных полимерных композиционных материалов, армированных волокнистыми и наноразмерными наполнителями, но и с разработкой соответствующего опытно-промышленного оборудования. Выполнение проекта позволит впервые в Украине организовать производство недорогих композиционных материалов на основе водорастворимых полимеров с целым набором прекрасных качеств. В том числе с гораздо более низкой себестоимостью по сравнению с производством композитов на основе эпоксидной и полиэфирной смол.
Справка «УТГ»
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной Академии наук Украины создан в 1986 г. в Киеве. Это было первое в СССР академическое учреждение для проведения фундаментальных и прикладных исследований в области химии, физики и технологии дисперсных тел.
Мощный научный центр, в котором работает свыше 300 сотрудников, в том числе 16 докторов и 90 кандидатов химических, физико-математических, технических, биологических, медицинских и фармацевтических наук.
Основные направления исследовательской работы: теория химического строения и реакционной способности поверхности твердых тел; медико-биологические и биохимические проблемы поверхности; физикохимия поверхностных явлений; технология получения наноматериалов.
Справка «УТГ»
Радиопрозрачное укрытие (РПУ) предназначено для защиты радиолокационного модуля от воздействия внешних метеорологических факторов (в первую очередь – ветра), удобства проведения регламентных работ и ремонта. В тяжелых климатических условиях (низкая или высокая температура воздуха, повышенная влажность, осадки в виде росы или инея, морской соляной туман) применение укрытия обеспечивает защиту от внешних воздействий и продлевает срок службы радиолокационного модуля.
