Мониторинг состояния конструкций

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»
ОАО «Авангард»
Королевский инновационный космический форум
12 декабря 2013 год
г. Королев
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 директорадиректор по научной работе Черногубов Александр Владимирович
Адрес: 195271, г. Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., дом 72
Тел. (812)-540-15-50; Факс: (812)-545-37-85; E.mail [email protected]
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)
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
3. Актуальность
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)
Основные типовые диагностируемые
корпусные конструктивные элементы
КА и ЛА
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/НЭМСсенсоров;
- сетевой тракт передачи сигналов;
- диэлектрическая формообразующая тонкостенная матрица
(пленка-носитель)
- разъем-соединитель
4.4 Основные технические требования
- соответствие требованиям ЕСИ;
- вероятность обнаружения дефектов не ниже 0,95;
- точность
- точность
- точность
- точность
топологических данных не более ±1%;
измерений параметров НДС не более ±2%;
измерения температурных параметров не более ±0,01%;
измерений резонансо-волнового состояния не более ±0,05%;
- сохранение работоспособности при воздействии стартовых нагрузок:
а) синусоидальная вибрация с частотой от 10до 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 10000 Гц
с уровнем до 150дБ;
- температура окружающей среды от -40 до +50 град.С (-125+125град.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
6,35
Изоляционный слой
(полиимидная пленка)
0,15
Сенсор
(пьезоэлемент)
0,25
4.5 SMART-слой
0,3
Гибкая
печатная плата
Электрическая схема
Изоляционный слой
(полиимидная пленка)
Варианты исполнения:
- многослойная электросхема;
- 3D-оболочки
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
5. Бизнес-модель
5.1 График реализации проекта
НИОКР
ЭТАП
1 год
2 год
3 год
4 год
НИР
1 этап
НИР
2 этап
ОКР
1 этап
ОКР
2 этап
ОКР
3 этап
ОКР
4 этап
Изготовление мат.части и проведение автономных испытаний
ОКР
5 этап
Изготовление мат.части и проведение комплексных испытаний
ОКР
6 этап
Организация
производства
1 этап
Организация
производства
2 этап
Эскизный проект
Технический проект
Разработка РКД
Изготовление мат.части для летных испытаний
Подготовка опытного производства
Подготовка серийного производства
5.2 Необходимый объем инвестиций
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
65,7
10,0
55,7
ОКР
125,5
25,0
100,5
Организация
производства
73,65
40,0
33,65
264,85
75,0
189,85
ИТОГО:
5.2.1 Финансирование по годам (млн. руб)
Наименование
работ
1 год
2 год
НИР
30,0
35,7
3 год
4 год
ОКР
20,0
70,0
35,5
Организация
производства
23,0
50,0
0,65
78,7
120,0
36,15
Итого:
30,0
5.3 Эффективность проекта
Срок окупаемости
4,2 года
Ожидаемая усредненная
себестоимость единицы
продукции при серийном
производстве
16,5 млн. руб
Ожидаемая усредненная
цена реализации
20,5 млн.руб
5.4 Основные потенциальные потребители
5.4.1 Предприятия Роскосмоса
ФГУП «ГНП ГКЦ «ЦСКБ-ПРОГРЕСС» - исх. № 70ф/1155 от 28.06.2013 г.;
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» - исх. № АК-324/13 от 04.07.2013 г.;
ОАО «Информационные спутниковые системы»
им. ак. М.Ф. Решетнева»
- исх. № ОЦ/2-1077 от 09.07.2013 г.;
ОАО «ГРК им. ак. В.П. Макеева» - исх. № 118/1007 от 12.07.2013г.;
РКК «Энергия» им. С.П. Королева - исх. № F-1/08-3018 от 17.07.2013 г.
ОАО «НПО«Энергомаш» им. ак. В.П.Глушко»-исх. №781/2163 от 16.07.2013г.
ФГУП «ЦЭНКИ» - исх. № 381/4583 от 13.08.2013г.
5.4.2 Предприятия других отраслей
- Самолетостроение – мониторинг состояния «планера» самолета
из композиционных материалов
(исх.№01/1171 от 03.07.2013г. 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»
5.4.3 Диверсификация применяемости
диагностических систем
6. Рынок
6.1 Конкуренты
6.1.1 Россия – конкурентов, имеющих аналоги - нет
6.1.2 Мировой рынок - Acellent Technologies , Inc (NASA)
6.1.3 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 FYComposites OY + Tampere University of Technology в содружестве по договору с
Acellent Technologies Inc - США)
6.2 Заинтересованные зарубежные потребители
Boeing
Contraves Space
TRI/Austin, Inc
MOOG, Inc
EADS
ATK-Thiokol
ASD&D Corporation
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)
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
Благодарю за внимание!
Докладчик: д.т.н. Куркова Ольга Петровна
(ОАО «Авангард»)
Контактные данные:
ОАО «Авангард»
Заместитель генерального директорадиректор по научной работе
Черногубов Александр Владимирович
Адрес: 195271, г. Санкт-Петербург, Кондратьевский пр., дом 72
Тел. (812)-540-15-50; Факс: (812)-545-37-85;
E.mail [email protected]
Главный специалист
Куркова Ольга Петровна
Тел. 8-904-556-19-83
E.mail [email protected]
ДОПОЛНЕНИЕ
Материалы матрицы SMART-слоя
- Пленки полиимидные (Pl) – ГОСТ 30351
- Пленки полиимидные фольгированные
пленки (Pl-Cu) – ГОСТ 26246.13
Основные характеристики Pl (тип ПМ)
Толщина, мкм
Диапазон рабочих температур, град.С
10-250
-200 / +400
Предел прочности, МПа
Удельное сопротивление, ом.м
150-180
1014/ 1015
Электрическая прочность, кВ/мм
Диэлектрическая проницаемость
210-270
3,0-3,5
(частота 10 3Гц)
Тангенс угла диэлектрической
проницаемости (частота 10 3Гц)
0,0025-0,003
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.
Сенсоры из полимерных пьезо-пленок
20-500 мкм
А
А
А-А
H
F
C
C
H
F
Плакирующий слой
(пленка – полиэстер)
Ag-пленка
пьезополимер
Ag-пленка
Плакирующий слой
Пьезо-элемент
Изделие
(+)
(-)
(+)
(-)
++
Материал:
- поливинилиденфториде (PVDF);
- сополимеры: P(VDF -TrFE); P(VDF -TFE);
сополимер - VF2-VF3, где
VF2 – винилидендифторид,
VF3 - трифторэтилен
- полилактидные пленки (PLA)
Тип поляризации:
- продольная;
- поперечная
Свойства пьезо - пленок относительно
традиционных пьезо - материалов
Ед.изм.
TGS
LiTaO3
BaTiO3
PZT
PbTiO3 PVDF
VF2VF3
ρQ
μ Cou1/
[m2 0K]
350
200
400
420
230
30
50
ε/ε
---
30
45
1000
1600
200
12
8
α
m2/sec10-6
0,16
1,31
1,0
0,44
0,67
0,06
0,06
L
μm
225
646
564
374
461
138
138
PV
V/[μm 0K]
(ρQ/ε)
1,32
0,50
0,05
0,03
0,10
0,47
0,71
d31
C/N (10-12)
78
110
23
11
d33
C/N (10-12)
-33
-38
g31
Vm/N (10-3)
5
10
216
162
k31
% at 1 KHz
21
30
12
20
0
ρQ – коэффициент пироэлектрического заряда;
α – температуропроводность;
L – глубина термодиффузии;
PV – коэффициент пироэлектрического напряжения
kij; dij; gij
«33» - // оси поляризации
«31» - 900 оси поляризации
Особенности эксплуатационных свойств
пьезо - пленок
• Пьезоэлектрическая Const давления gij=Ue/dpx ,
где: Ue – выходное напряжение; dpx – прикладываемое давление
g31 пьезо-пленки ↑↑, чем g31пьезокерамики
(сенсоры- большая чувствительность при ↓δ=>↑ чувствительность)
• Пьезоэлектрический модуль механических деформаций
dij=∆Хδ/Uδ где: Uδ – входное напряжение; ∆Хδ – изменение толщины пьезоэлемента
(производительность пьезопленки как привода ↓, чем пьезокерамики)
• Const электромеханических связей (способность Еэл=>Емех и Еэл<=Емех)
Кij=f (fр; fа.р) где: fр; fа.р – резонансная и антирезонансная частоты
(для пьезопленки ↓ преобразование при низких частотах - < 500 Гц)
при δ ↓ и направлении ( ij«31») => ультрозвуковые частотные диапазоны =>
=> ↓ «сигнал/шум»
Преимущества пьезо-полимерных пленок
- легкость (1/4 уд.веса PZT), эластичность, гибкость;
- широкий диапазон частот - от 0,001Гц до 109Гц;
- широкие динамические диапазоны - от 10-8 до 106 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
(> 100 -200 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 (109-1010 Паскаль-модуль);
- высокая стабильность при воздействии внешней среды
(влагопоглащение <0,02 %; температура эксплуатации – до135 -180 0С
по отношению к 100 0С для пьезо-керамики);
- сенсоры могут изготавливаться сложной объемной формы и иметь большую
рабочую площадь;
- низкая стоимость
Сенсоры на базе «Золь-гель» - технологии
«Золь-гель» -PZT-пленка
Приготовление компонентов
(порошок, гель-растворитель
Ag–электрод
(≈ 20 мкм)
PZT-пленка (≈ 60 мкм)
Смешивание
Ag–электрод
(≈ 2 мкм)
да
Полиимидная пленка (≈ 50 мкм)
Проводящая
подложка
Порошки: PZT-c, BIT-c, LiNbO3-c
Преимущества:
Нанесение нижнего
проводящего слоя
Спрей-покрытие
PZT
- высокие показатели производительности
(в т.ч.: широкая полоса пропускания, ↓ «сигнал/шум»);
- работоспособность и стабильность
при повышенных температурах;
нет
Термообработка
нет
- возможность обеспечения режима генератор/приемник;
Достижение
требуемой толщины
- легкость и гибкость конструкции (тонкостенная гибкая
подложка, тонкостенный пористый ≈ 20% пьезо -слой;
тонкостенный проводящий слой);
- возможность нанесения непосредственно на
поверхность конструктивного элемента;
- низкая стоимость
Нанесение верхнего
проводящего слоя
Поляризация
да
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 (100-200нм//400нм);
- высокая скорость нанесения (для МВН – 10-15нм/мин);
- минимальные остаточные напряжения;
- отсутствие необходимости использования дорогостоящего вакуумного
оборудования;
- отсутствие необходимости изготовления керамических
мишеней/катодов [Pb(Zr0,54, Ti0,46)O3] или
([Pb(Zr0,54, Ti0,46)O3]+10%PbO) по сложной дорогостоящей технологии с
обеспечение стабильности ее свойств;
- возможность нанесения на большие площади подложек
Система диагностики (SHM-система)
Пассивно-активная PZT/PZT-система
PZT
PZT
SMART-слой
Гибридная PZT/FBG - системы
(восприятие УЗ-откликов FBG, если длина решетки λ<λу.з.)
Распределитель
Усилитель
PZT
Генератор
сигнала
Процессор
FBG
SMART-слой
Демодулятор
Данные
измерений
Используемые виды и методы
неразрушающего контроля и диагностики
(по ГОСТ 18353)
Вид
НК
Физический
принцип
Решаема
задача
Диагностические
диапазоны частот
акустический
ультрозвуковой
дефектоскопия
40-50 КГц
импедантный
дефектоскопия
акусто эмиссионный
дефектоскопия;
НДС
50-500 КГц
(диапазон отклика)
свободных и
резонансных
колебаний
мониторинг
резонансо волнового
состояния
1Гц до 5 Гц
оптический
волоконно оптический
дефектоскопия;
НДС
электро магнитный
тензометрических
измерений
НДС;
виброизмерения
вихревых токов
дефектоскопия
(начальная)
период затухания
до 10 минут