Полимерное будущее российских беспилотников

В публикации http://noteru.com/post/view/2828 говорится, что Россия уже не первый год грезит о беспилотных летательных аппаратах собственного производства, однако реализовать мечты на практике пока не получается. Между тем тверские инноваторы не теряют надежду на то, что отечественные конструкторы все же смогут преобразовать израильскую версию дронов и сделать свой продукт, и даже разработали уникальную технологию получения прочного и легкого материала для будущих беспилотников.

Историю БПЛА в России нельзя назвать безоблачной. После того, как на их разработку истратили порядка 5 миллиардов рублей и не получили ни одного готового аппарата, вера в успех значительно поубавилась. Однако военное ведомство не смирилось с неудачами и заключило два контракта с Израилем. Согласно договоренностям, Россия смогла опробовать различные типы беспилотников, а затем, по результатам опытной эксплуатации, был подписан контракт на их сборку и производство по израильской лицензии непосредственно в России. В тоже время отечественная промышленность получила заказ на разработку новых версий дронов.

О конкретных результатах научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию чисто российских БПЛА говорить рано – первые образцы появятся не раньше 2015-2016 года, зато в перспективе наши беспилотники смогут обогнать зарубежные по целому ряду параметров, в первую очередь, по весовым характеристикам. Специалисты Всероссийского научно-исследовательского института синтетического волокна, входящего в холдинг «РТ-Химкомпозит», обещают, что разработанные ими материалы будут отличаться низкой плотностью и высокой прочностью. «Применение нового уникального материала при создании беспилотных летательных аппаратов уменьшит вес планера в 2-2,5 раза и обеспечит его радиопрозрачность», - пояснил гендиректор холдинга Сергей Сокол.

Эти материалы являются аналогом голландских и американских волокон и представляют собой армирующие нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Их уникальные свойства позволят не просто снизить вес техники, но и уменьшить вероятность обнаружения аппарата методами локации и приборов ночного видения. Кроме того, ПЭ-пластик отличается низким влагопоглощением, а, значит, предохраняет изделия от обледенения и образования трещин, и обладает устойчивостью к вибрационным воздействиям, химической инертностью и повышенной ударной прочностью. Таким образом, беспилотники на основе ПЭ-пластика смогут эксплуатироваться в различных климатических условиях и средах.

Примечательно, что за рубежом высоко- и суперпрочные ПЭ нити используются давно и весьма активно, но их внедрение осуществляется в соответствии с концепциями и программами различных ведомств стран НАТО, поэтому технология получения материалов держится в строгом секрете. Этот факт еще больше повышает ценность разработки ученых «РТ-Химкомпозит». Остается надеяться, что проектировщики отечественной авиационной техники возьмут инновацию на вооружение, тогда не исключено, что долгожданные российские беспилотники вызовут международный интерес и спрос.

Данную публикацию можно дополнить следующими сведениями. Технологию получения высокопрочных армирующих нитей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) разрабатывал не только Тверской Всероссийский научно-исследовательский институт синтетического волокна (ВНИИСВ), о чем подробнее будет сказано ниже. Новые нити и ткани в составе композиционных материалов позволят снизить массу планера беспилотных летательных аппаратов в 2-2,5 раза.

Когда именно планируется начать серийное производство материалов на основе армирующих нитей из СВМПЭ, не уточняется. В настоящее время российские предприятия занимаются производством широкого спектра легких разведывательных беспилотников. В их числе ─ «Дозор-600», «Инспектор 301», «Орлан-10» и «Форпост». Некоторые из них уже приняты на вооружение Министерством обороны России и Федеральной службой безопасности.

Следует отметить справедливость известного высказывания, что новое – это хорошо забытое старое, что подкрепляется нижеизложенным.

Ориентационное упрочнение полимеров

В отделе физики прочности питерского ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН на протяжении многих лет проводились теоретические и экспериментальные исследования по упрочнению гибкоцепных полимеров - полиэтилена, полипропилена, полиэтилентерефталата (лавсана), поликапроамида.

При тщательном анализе применяемых в промышленности и в лабораторных условиях приёмов упрочнения полимеров был сделан вывод, что широко используемый в настоящее время метод ориентационной вытяжки и в дальнейшем является весьма перспективным, но нуждается в серьёзной модернизации. Были разработаны научно-технологические принципы такой модернизации на основе нового подхода к проблеме получения полимеров с комплексом физико-механических характеристик, приближающихся к теоретически предельным значениям.

Физической основой нового подхода являются кинетические представления о механизме разрушения твёрдых тел и характере структурных превращений, протекающих в полимерах под воздействием нагрузки.

В этом подходе метод ориентационной вытяжки рассматривается как суперпозиция одновременно протекающих процессов упрочнения и разупрочнения. Эффекты упрочнения связаны с достижением максимально возможного анизотропного расположения макромолекул в направлении растягивающих сил, а процессы разупрочнения обусловлены механо- и термодеструкцией, релаксационными явлениями и видоизменениями структуры в результате отжига при высоких температурах.

Физические закономерности этих процессов исследовались с помощью комплекса современных методов – электронной микроскопии, рентгеновской дифракции, ИК- и Раман-спектроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии, ядерного магнитного резонанса и др. На основе полученных новых оригинальных данных были предложены модели строения полимеров в неориентированном и ориентированных состояниях, а также модель перестроения структуры в процессе ориентирования полимеров.

На основании совокупности полученных результатов был разработан и освоен в лабораторных условиях метод поэтапного модернизированного ориентирования полимеров. На каждом этапе упрочнения основополагающую роль в трансформации структуры играют различные по природе физические процессы. Основная задача заключается в подборе температурно-силовые условий ориентирования на каждом этапе таким образом, чтобы эффекты упрочнения доминировали над эффектами разупрочнения. Поскольку и те, и другие сложным образом зависят от температуры и напряжения, то это и определяет необходимость их тщательного подбора и поддержания в ходе технологического процесса. Это особенно важно на последних этапах процесса, осуществляемых при более высоких температурах и растягивающих усилиях.

Проведенные исследования показали, что характер надмолекулярной структуры, возникающей в неориентированном состоянии при отверждении расплава (метод расплавной технологии) или из прядильного раствора (например, метод гель-технологии для сверхвысокомолекуляроного полиэтилена, СВМПЭ) радикально влияет на кинетику процессов упрочнения и разупрочнения. Это открывает новые возможности нахождения оптимальных значений молекулярных характеристик (молекулярная масса, молекулярно-массовое распределение, число разветвлений) и условий формирования специфической надмолекулярной структуры, при которых удаётся существенно повысить эффекты ориентирования макромолекул при одновременном резком снижении числа разрываемых макромолекул.

При использовании этого способа упрочнения в лабораторных условиях по расплавной технологии были получены образцы гибкоцепных полимеров с характеристиками, превышающими по прочности в 1.5-2 раза, а по начальному модулю – в несколько раз значения, достигаемые при промышленном производстве ряда гибкоцепных полимеров по традиционной расплавной технологии. Особо высокие, рекордные в мировой практике значения прочности в 5-7 ГПа (для отдельных образцов прочность доходила до 10 ГПа) и начального модуля 150-200 ГПа были получены для ориентированных волокон из СВМПЭ, полученных по растворной гель-технологии.

Одновременно с повышением прочности и жёсткости в высокоориентированных полимерах существенно увеличивается температура плавления, резко снижаются термоусадка и предразрывные удлинения, увеличивается долговечность.

По данной тематике было получено 3 авторских свидетельства еще бывшего СССР.

Комплекс повышенных физико-механических характеристик высокоориентированных полимеров, получаемых методом модернизированного ориентационного упрочнения, делает их весьма перспективными материалами для использования в качестве наполнителей в композиционных материалах нового поколения для средств индивидуальной и коллективной бронезащиты, как конструкционные материалы в авто-, авиа-, ракето- и судостроении, для изготовления высокопрочных канатов, рыболовных снастей, тары для сыпучих материалов и др. К примеру, усилие на разрыв 2-мм нити составляло 200-300 кг.

Существенное улучшение комплекса физико-механических свойств высокоориентированных волокон и плёнок даст возможность производителям получить значительный экономический эффект за счёт снижения затрат на производство продукции на стадиях изготовления мономеров, синтеза полимеров и переработки существенно меньшего объёма необходимого количества волокон и плёнок. Следует отметить и то, что освоение данного метода упрочнения полимеров требуют лишь модернизации отдельных узлов имеющегося и используемого оборудования.

Однако, несмотря на описанную массу преимуществ, за многие годы после ее разработки данная технология так и не нашла своего широкого применения. Хорошо хоть наконец решили ее возродить, но при этом возникнет кадровая проблема, т.к. коллективы разработчиков уже распались (а занимались ею и питерские Физтех и Технологический институт, и тверские ученые, в результате чего ряд ноу-хау, составляющих особенности технологии, придется нарабатывать заново. Ну а собрать мощный коллектив разработчиков и технологов для ее доведения до широкого промышленного освоения уже вряд ли получится, что не лучшим образом скажется на сроках освоения.