Аппаратно-программный комплекс бортовой системы телеметрии многопараметрического мониторинга состояния критически важных корпусных конструкций на базе. - презентация

1 Аппаратно-программный комплекс бортовой системы телеметрии многопараметрического мониторинга состояния критически важных корпусных конструкций на базе тонкопленочных SMART-слоев с формированием гибридных МЭМС/НЭМС-сенсорных сетей в обеспечение безопасности наземной и летной эксплуатации ракетно-космической техники Проект «СПРУТ-РКТ» Королевский инновационный космический форум 12 декабря 2013 год г. Королев ОАО «Авангард»

2 ОАО «Авангард» (г.Санкт-Петербург): Основные виды деятельности: - разработка и производство продукции радиоэлектроники и микросистемотехники - разработка и внедрение на предприятиях отрасли инновационных технологий в области радиоэлектроники и микросистемотехники Заявитель проекта: инициативный творческий коллектив на базе ОАО «Авангард» Контактная информация: Заместитель генерального директора- директор по научной работе Черногубов Александр Владимирович Адрес: , г. Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., дом 72 Тел. (812) ; Факс: (812) ; E.mail

3 1. Цель проекта 1. Создание базовой технологии проектирования и изготовления, отечественного конкурентоспособного аппаратно-программного комплекса (АПК) бортовой системы телеметрии многопараметрического мониторинга состояния критически важных элементов корпусных конструкций в составе БСТИ различных видов РКТ (КА, РН, ДУ, РБ, ОКС) 2. Создание базовой технологии применения АПК (монтажа SMART-слоев, калибровки сенсорных сетей; настройки АПК) в составе сборочных единиц и изделий РКТ в процессе изготовления и наземных испытаний 3. Организация промышленного производства АПК для РКТ и входящих МЭМС-компонентов 4. Создание модификаций АПК для различных групп потребителей (самолетостроение; судостроение; средств защиты ВиВТ и личного состава ВС, МВД, МЧС).

4 2. Проблема - Повышение надежности и безопасности наземной и летной эксплуатации РКТ, сокращение уровней рисков возникновения нештатных и аварийных ситуаций - Обеспечение возможности прогнозирования вероятности возникновения и развития нештатных и аварийных ситуаций в процессе наземной и летной эксплуатации РКТ в режиме реального времени на основе фактических данных о техническом состоянии критически важных корпусных элементов с целью своевременного принятия мер по их предотвращению; - Сокращение уровня экономического и социального ущерба, вызываемого возникновением нештатных и аварийных ситуаций в процессе наземной и летной эксплуатации РКТ; - Обеспечение возможности оценки фактического ресурса изделий РКТ в процессе длительной летной и наземной эксплуатации 2. Проблема

5 3. Актуальность

6 Назначение АПК мониторинга - контроль напряженно-деформируемого состояния конструкции; слежение и фиксация однократных и кратковременных повышений нагрузок, вызванных различными факторами; - обнаружение макро- и микро- дефектов (сквозных и несквозных) в конструкционных (металлических и неметаллических) материалах (трещины, расслоения, поры, коррозия и т.д.), определение их 3D-топографии и слежение за их развитием; - контроль за накоплением усталостных явлений в конструкционных материалах; - слежение и фиксация резонансно-волнового «портрета» конструкции; - контроль температурного режима конструктивных элементов; - оценка фактического ресурса, аэродинамического и термодинамического состояния объекта (КА, ЛА) по фактическому состоянию его конструктивных элементов; - обработка и архивация данных телеметрических измерений; - дистанционная передача данных по каналу «Земля-борт» (по каналу передачи телеметрических данных) в режиме реального времени (в режиме периодической передачи архивируемых данных) о состоянии конструкции в процессе летной эксплуатации на НКУ; - передача данных в режиме реального времени о состоянии конструкции на панель управления экипажу (в случае пилотируемого объекта) Назначение АПК мониторинга

7 Основные типовые диагностируемые корпусные конструктивные элементы КА и ЛА

8 4. Решение 4.1 Используемые методы неразрушающего контроля - Акустические (ульразвуковой; акусто-эмиссионный и др.) - оптические (волоконно-оптический) – при необходимости ; - электромагнитные (вихревых токов, тензометрия) 4.2 Структура АПК мониторинга - SMART-слой гибридной сенсорной сети; - модуль обработки информации и управления сенсорной сетью; - модуль сопряжения с бортовым комплексом управления (БКУ) – бортовой системой телеметрических измерений (БСТИ); - система локальной дистанционной связи; - комплекс программного обеспечения 4.3 Структура SMART-слоя - гибридный комплекс упорядоченно распределенных МЭМС/НЭМС- сенсоров; - сетевой тракт передачи сигналов; - диэлектрическая формообразующая тонкостенная матрица (пленка-носитель) - разъем-соединитель

9 4.4 Основные технические требования - соответствие требованиям ЕСИ; - вероятность обнаружения дефектов не ниже 0,95; - точность топологических данных не более ±1%; - точность измерений параметров НДС не более ±2%; - точность измерения температурных параметров не более ±0,01%; - точность измерений резонансо-волнового состояния не более ±0,05%; - сохранение работоспособности при воздействии стартовых нагрузок: а) синусоидальная вибрация с частотой от 10 до 2500Гц и амплитудой от 2g до 40g; б) ударные нагрузки – до 14 ударов с амплитудой до 150g; в) воздействие линейных перегрузок с амплитудой до 150g; г) воздействие акустического шума в диапазоне от 50 до Гц с уровнем до 150 дБ; - температура окружающей среды от -40 до +50 град.С ( град.С); - погрешность преобразования аналоговой информации не более 2,5%; - ЭМС между собой и с БА; - СЭП от 24 до 33В (номинальное напряжение – 27В) – для БА РКТ; - калибровка, тестирование, самодиагностика

10 4.5 SMART-слой Варианты исполнения: Варианты исполнения: - многослойная электросхема; - 3D-оболочки

11 4.6 Используемые инновационные решения - построение АПК как интеллектуальной адаптивной системы с применением и аппаратным обеспечением технологии обработки информации на базе алгоритмов нейросетевого управления и методов принятия решений в нечеткой среде; - использование для решения задач дефектоскопии закономерностей процессов распространения поверхностных акустических волн (ПАВ) на границах различных сред; -разработка и применение методики моделирования топографии акустических сенсорных сетей дефектоскопии по принципу триангуляции; - применение полимерных материалов для базовых несущих конструкций сенсорных сетей (полиимидные пленки); - применение для изготовления SMART-слоев базовой комплексной технологии гибких печатных плат; - разработка и применение пьезопреобразователей различного назначения из металлизированных полимерных пьезопленок; - разработка и применение сенсоров из композитных материалов формируемых на полимерной матрице по «золь-гель»-технологии; - применение тонкопленочных 2-х и 3-х-осных ламинированных тензопреобразователей и тензомостов на полимерной матрице

12 5. Бизнес-модель 5.1 График реализации проекта НИОКРЭТАП1 год 2 год 3 год 4 год НИР1 этап НИР2 этап ОКР1 этап ОКР2 этап ОКР3 этап ОКР4 этап ОКР5 этап ОКР6 этап Организация производства 1 этап Организация производства 2 этап Эскизный проект Технический проект Разработка РКД Изготовление мат.части и проведение автономных испытаний Изготовление мат.части и проведение комплексных испытаний Изготовление мат.части для летных испытаний Подготовка опытного производства Подготовка серийного производства

13 Наименование работ Всего требуемый объем финансирования (млн. руб) Собственные средства базового предприятия в общем объеме финансирования (млн. руб) Требуемые средства сторонних инвесторов (млн. руб) НИР 65,710,055,7 ОКР 125,525,0100,5 Организация производства 73,6540,033,65 ИТОГО:264,8575,0189, Необходимый объем инвестиций Финансирование по годам (млн. руб) Наименование работ 1 год 2 год 3 год 4 год НИР 30,035,7 ОКР 20,070,035,5 Организация производства 23,050,00,65 Итого:30,078,7120,036,15

14 5.3 Эффективность проекта Ожидаемая усредненная себестоимость единицы продукции при серийном производстве 16,5 млн. руб Срок окупаемости 4,2 года Ожидаемая усредненная цена реализации 20,5 млн.руб

15 ФГУП «ГНП ГКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» - исх. 70 ф/1155 от г.; ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» - исх. АК-324/13 от г.; ОАО «Информационные спутниковые системы» им. ак. М.Ф. Решетнева» - исх. ОЦ/ от г.; ОАО «ГРК им. ак. В.П. Макеева» - исх. 118/1007 от г.; РКК «Энергия» им. С.П. Королева - исх. F-1/ от г. ОАО «НПО«Энергомаш» им. ак. В.П.Глушко» - исх. 781/2163 от г. ФГУП «ЦЭНКИ» - исх. 381/4583 от г Предприятия других отраслей - Самолетостроение – мониторинг состояния «планера» самолета из композиционных материалов (исх.01/1171 от г. ФГУП «Сиб.НИИ авиации им. С.А.Чаплыгина) - Судостроение – мониторинг состояния корпуса судна/корабля из композиционных материалов и «ледового пояса» судов ледового плавания (ОАО «Средне - Невский судостроительный завод»; «Балтийский завод»; «Выборгский завод судостроения») - Специальное машиностроение - мониторинг состояния бронизащиты ВиВТ сухопутных ВС (в том числе композитной брони) - Специальные средства индивидуальной защиты- мониторинг защитных свойств бронекостюмов типа «Пермячка» 5.4 Основные потенциальные потребители Предприятия Роскосмоса

16 5.4.3 Диверсификация применяемости диагностических систем

17 6. Рынок 6.1 Конкуренты Россия – конкурентов, имеющих аналоги - нет Мировой рынок - Acellent Technologies, Inc (NASA) Проведение аналогичных НИОКР В США: – по программе SBIR/STTR (НИОКР NASA для малого бизнеса) – компания Acellent Technologies Inc + Stanford University (Structures and composites Laboratory – SACL) + Masssachusetts Institute of Technology, - по программе НИОКР DARPA - направление работ «Prognosis» для ВВС; В Канаде: - по программе НИОКР Defence R&D Canada Department of National Defence (Air Vehicles Research Section) National Defence Headquarters. В Финляндии : - работы проводятся в основном в интересах Finnish Air Force and Patria Aviation – совместные НИОКР VTT Techcal Research Center of Finland + компании FY- Composites OY + Tampere University of Technology в содружестве по договору с Acellent Technologies Inc - США) 6.2 Заинтересованные зарубежные потребители Boeing TRI/Austin, Inc EADS ATK-Thiokol Boeing TRI/Austin, Inc EADS ATK-Thiokol Contraves Space MOOG, Inc ASD&D Corporation Contraves Space MOOG, Inc ASD&D Corporation

18 6.3 Преимущества предлагаемого решения по отношению к зарубежным разработкам - использование стандартизированных методов неразрушающего контроля; - сопрягаемость с основными отечественными типами БСТИ и БКУ РКТ; - адаптивность и мобильность к особенностям функциональных задач, конструктивным особенностям элементов РКТ, условиям эксплуатации; - гибкое информационное пространство («обучаемость системы», «возобновляемость информации» в процессе эксплуатации); - отказоустойчивость; - более высокие показатели качества (чувствительность, точность, стабильность в различных частотных диапазонах измерений и в широких диапазонах рабочих температур); - минимизация влияния наличия SMART-слоя на механические свойства конструкции (более высокие показатели механических свойств сендвичей «конструкционный материал+SMART-слой»: пластичность и отсутствие концентраторов напряжений); - низкая стоимость ( в т.ч. за счет: простоты конструкции, технологичности, сокращения количества сенсоров, унификации)

19 7. Команда проекта Базовое предприятие: ОАО «Авангард» Участники проекта: специалисты предприятий - ОАО «Авангард» (г. Санкт-Петербург); - ОАО «Информационные спутниковые системы» им. ак. М.Ф. Решетнева» (г. Железногорск); - ОАО «ГРК им. ак. В.П. Макеева» (г. Миасс); - ОАО «Композит» (г. Королев); - ОАО «НИИ физических измерений» (г.Пенза) 8. Интеллектуальная собственность - АПК в целом - в стадии оформления полезной модели; - по составным частям АПК - научно-технический задел предприятий 9. Текущий статус проекта и предложения инвесторам Стадия проекта – НИР (1 этап) Предложение государственным и частным инвесторам: - долевое участие, - государственно-частное партнерство

20 Благодарю за внимание! Докладчик: д.т.н. Куркова Ольга Петровна (ОАО «Авангард») Контактные данные: ОАО «Авангард» Заместитель генерального директора- директор по научной работе Черногубов Александр Владимирович Адрес: , г. Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., дом 72 Тел. (812) ; Факс: (812) ; E.mail Главный специалист Куркова Ольга Петровна Тел E.mail

21 ДОПОЛНЕНИЕ

22 Материалы матрицы SMART-слоя - Пленки полиимидные (Pl) – ГОСТ Пленки полиимидные фольгированные пленки (Pl-Cu) – ГОСТ Основные характеристики Pl (тип ПМ) Толщина, мкм Диапазон рабочих температур, град.С-200 / +400 Предел прочности, МПа Удельное сопротивление, ом.м / Электрическая прочность, кВ/мм Диэлектрическая проницаемость (частота 10 3 Гц) 3,0-3,5 Тангенс угла диэлектрической проницаемости (частота 10 3 Гц) 0,0025-0,003

23 Преимущества SMART-слоев возможность организации диагностической сети с различными видами сенсоров; возможность организации сети пассивной и активной диагностики; возможность организации воздействующей компенсационной сети (например: гашение вибрации; самовосстанавления композитов); отсутствие необходимости протяжки и крепления множества проводов; возможность интегрирования внутрь конструкционного материала и установки на поверхность конструкции; возможность создания пространственной диагностической сети, имитирующей конфигурацию конструкции с большим зонным охватом; возможность обеспечения диагностики в режиме реального времени на протяжении всего срока эксплуатации изделия; работоспособность в жестких условиях окружающей среды; обеспечение защиты от электромагнитных шумов и обеспечение ЭМС; возможность калибровки и тестирования всей сети до установки в изделие; простота монтажа и эксплуатации; ремонтопригодность; малая масса.

24 Сенсоры из полимерных пьезо-пленок Материал: - поливинилиденфториде (PVDF); - сополимеры: P(VDF -TrFE); P(VDF -TFE); сополимер - VF 2 -VF 3, где VF2 – винилидендифторид, VF3 - трифторэтилен - полилактидные пленки (PLA) Тип поляризации: Тип поляризации: - продольная; - поперечная

25 Свойства пьезо - пленок относительно Ед.изм.TGSLiTaO 3 BaTiO 3 PZTPbTiO 3 PVDFVF 2 VF 3 ρQρQ μ Cou1/ [m 2 0 K] ε/ε0ε/ε α m 2 /sec ,161,311,00,440,670,06 L μm PVPV V/[μm 0 K] (ρ Q /ε) 1,320,500,050,030,100,470,71 d 31 C/N ( ) d 33 C/N ( ) g 31 Vm/N (10 -3 ) k 31 % at 1 KHz традиционных пьезо - материалов ρ Q – коэффициент пироэлектрического заряда; k ij ; d ij ; g ij α – температуропроводность; «33» - // оси поляризации L – глубина термодиффузии; «31» оси поляризации P V – коэффициент пироэлектрического напряжения

26 Особенности эксплуатационных свойств пьезо - пленок Пьезоэлектрическая Const давления g ij =U e /dp x, где: U e – выходное напряжение; dp x – прикладываемое давление g 31 пьезо-пленки, чем g 31 пьезокерамики (сенсоры- большая чувствительность при δ=> чувствительность ) Пьезоэлектрический модуль механических деформаций d ij =Х δ /U δ где: U δ – входное напряжение; Х δ – изменение толщины пьезоэлемента (производительность пьезопленки как привода, чем пьезокерамики ) Const электромеханических связей (способность Е эл =>Е мех и Е эл ультрозвуковые частотные диапазоны => => «сигнал/шум»

27 - легкость (1/4 уд.веса PZT), эластичность, гибкость; - широкий диапазон частот - от 0,001Гц до 10 9 Гц; - широкие динамические диапазоны - от до 10 6 psi - низкий акустический импеданс (= 2,7 по сравнению к пьезокерамике – 30); - высокое напряжение выхода (в 10 раз больше, чем у пьезо-керамики при аналогичном напряжении входа); - при необходимости выдерживает более высокие напряжения входа (> В – пьезокерамика PZT при тольщине 0,25 до 70 В); - высокая диэлектрическа прочность (работоспособна при воздействии эл. поля 75 В/мкм – пьезо-керамика деполяризуется); - высокая механическая и ударостойкость ( Паскаль-модуль); - высокая стабильность при воздействии внешней среды (влагопоглащение

28 Сенсоры на базе «Золь-гель» - технологии «Золь-гель» -PZT-пленка Порошки: PZT-c, BIT-c, LiNbO 3 -c Преимущества: - высокие показатели производительности (в т.ч.: широкая полоса пропускания, «сигнал/шум»); - работоспособность и стабильность при повышенных температурах; - возможность обеспечения режима генератор/приемник; - легкость и гибкость конструкции (тонкостенная гибкая подложка, тонкостенный пористый 20% пьезо -слой; тонкостенный проводящий слой); - возможность нанесения непосредственно на поверхность конструктивного элемента; - низкая стоимость

29 Преимущества «золь-гель» технологии по отношению вакуумному напылению (магнетронному) - возможность точного управления структурой и хим.составом по площади и толщине (равномерность свойств); - равномерность толщины по площади подложки; - отсутствие нагрева подложки; - более мелкодисперсная структура ( нм//400 нм); - высокая скорость нанесения (для МВН – нм/мин); - минимальные остаточные напряжения; - отсутствие необходимости использования дорогостоящего вакуумного оборудования; - отсутствие необходимости изготовления керамических мишеней/катодов [Pb(Zr 0,54, Ti 0,46 )O 3 ] или ([Pb(Zr 0,54, Ti 0,46 )O 3 ]+10%PbO) по сложной дорогостоящей технологии с обеспечение стабильности ее свойств; - возможность нанесения на большие площади подложек

30 Система диагностики (SHM-система) Гибридная PZT/FBG - системы Гибридная PZT/FBG - системы (восприятие УЗ-откликов FBG, если длина решетки λ

31 Используемые виды и методы неразрушающего контроля и диагностики (по ГОСТ 18353) Вид НК Физический принцип Решаема задача Диагностические диапазоны частот акустическийультрозвуковойдефектоскопия КГц импедантныйдефектоскопия акусто - эмиссионный дефектоскопия; НДС КГц (диапазон отклика) свободных и резонансных колебаний мониторинг резонансо - волнового состояния 1Гц до 5 Гц (начальная) период затухания до 10 минут оптическийволоконно - оптический дефектоскопия; НДС электро - магнитный тензометрических измерений НДС; виброизмерения вихревых токовдефектоскопия

32