Hasta el último micrón.
La piezoelectrónica doméstica de película delgada ocupa la primera posición
Diseñado para los equipos a bordo de los últimos cazas MiG-29KR / KUBR y Su-35, así como los helicópteros Ka-52, la plataforma de inclinación piezoeléctrica PNP-10 supera a muchos de los análogos del mundo. Fue desarrollado y puesto en producción por el Instituto de Investigación Científica de Zelenograd "Elpa".
Las exportaciones de armas rusas han estado creciendo rápidamente durante varios años consecutivos, según el Instituto de Investigación de Paz de Estocolmo (SIPRI). Cazas MiG-29 y Su-30, helicópteros Mi-35M y Mi-28, tanques Los sistemas de lanzallamas pesados T-90A, TOS-1A están lejos de ser una lista completa de éxitos de la industria de defensa rusa en el mercado mundial. Pero, como los expertos señalan correctamente, la metodología utilizada por SIPRI: contar las llamadas plataformas, es decir, los productos terminados entregados a los clientes, no ofrece una imagen confiable, porque muchos países suministran en el extranjero principalmente microelectrónica, elementos de alta tecnología, componentes y ensamblajes.
Debe reconocerse que, hasta hace poco, el problema de crear nuestra propia base de elementos, así como el desarrollo y la producción en serie sobre la base de componentes y conjuntos para diversos tipos de armas y equipo militar, era bastante grave para la industria nacional. El programa de sustitución de importaciones, aunque con dificultad, fue capaz de desarrollar la situación, y ahora ya tenemos algo de lo que estar orgullosos.
El secreto de la super precisión.
Si comparamos las fotos y los videos de los combatientes rusos modernos con sus "competidores" occidentales, una protuberancia distintiva en forma de gota ubicada frente a la cabina del piloto - la llamada estación de radar óptico (OLS) llama inmediatamente la atención sobre nuestras máquinas. Anteriormente, estaba destinado únicamente a buscar aviones enemigos por su radiación infrarroja. Los nuevos OLS-U (para los combatientes MiG-29K / KUB), OLS-35 (Su-35) y otros son capaces de detectar, capturar y rastrear objetivos de aire, tierra y superficie, destacándolos con radiación láser, etc.
Está claro que para los combatientes que vuelan a velocidades supersónicas en condiciones de combate aéreo y al atacar objetivos terrestres, la precisión del movimiento de los sistemas ópticos y láser que forman la base de las estaciones de ubicación óptica debe medirse no con centímetros y ni siquiera milímetros, sino con micrómetros. Pero, ¿cómo lograr tal precisión?
En la actualidad, los dispositivos basados en los llamados actuadores piezo-cerámicos de película delgada se utilizan para controlar la precisión y los sistemas ópticos adaptativos.
“Una capa está hecha de 10 a 100 micras de espesor, y de estas capas se forma un piezopack, que alcanza el espesor de 2 a 100 milímetros. Cuando se aplica cierto potencial a la estructura de un paquete piezoeléctrico, puede realizar desplazamientos bastante grandes, en algunos casos hasta micrones 100. "Si el control de la cerámica sólida requiere un voltaje de hasta un kilovoltio, entonces para los de capa delgada, desde 90 a 150 voltios", Sergei Nersesov, director general del Instituto de Investigación Elpa, revela las ventajas del desarrollo.
Curiosamente, para controlar los espejos instalados en las últimas estaciones de ubicación óptica OLS-UE compradas por los aviones de combate MiG-29K / KUB de las fuerzas navales indias, se utilizó un bloque con piezodrives de la familia S-330 de la compañía alemana Physik Instruments.
La plataforma piezo-basculante S-330 es un producto de alta tecnología con ángulos de inclinación de hasta 10 mrad (milirradian), que se basa en dos pares de actuadores controlados diferencialmente. Cabe señalar que estas plataformas no solo están en OLS ruso, sino que también son compradas activamente por empresas estadounidenses, francesas e israelíes: fabricantes de alta precisión. aviación sistemas optoelectrónicos.
Pero para nuestro MiG-29K / KUBR, que pronto se unirá a la flota de aviación naval de la Armada rusa, los ingenieros de desarrollo del Instituto de Investigación de Elpa podrían crear su propio piezoplatforma PNP-10, que no es inferior a S-330, pero también supera ciertas características ella
“Nuestra piezoplatform consiste en cuatro actuadores que se expanden a 40 micras cuando están energizados. El sistema de control de la PNP permite el movimiento de los actuadores bajo un programa especial. Los propios actuadores actúan sobre la plataforma en la que se encuentra el espejo giratorio, que se desvía en dos planos (ejes X y U. - AR) en el mrad 10. A una distancia de hasta cinco kilómetros, nuestras plataformas proporcionan una precisión de puntería de hasta un metro ", dice Anatoly Gritsenko, desarrollador de una plataforma circular única.
En PNP-10, los especialistas de Zelenograd introdujeron su propio know-how: medidores de tensión utilizados para retroalimentación y eliminar el llamado retiro. "En nuestros actuadores hay medidores de tensión especiales que se utilizan para la retroalimentación, lo que aumenta la resolución (el movimiento mínimo posible del cuerpo de trabajo del actuador por unidad de voltaje aplicado. - A.P.). Para dejarlo claro: sin medidores de tensión, la precisión de los actuadores es de los nanómetros 10 - 15, y con el uso de galgas extensiométricas, ¡esta cifra alcanza un nanómetro! En consecuencia, la precisión de la guía aumenta ", explica Andrey Daineko, director del centro de gestión de proyectos del Instituto de Investigación Elpa.
Pero la precisión del actuador no solo depende del uso de galgas extensiométricas. El papel más importante lo desempeña la fuente de energía, que suministra directamente la corriente a varias plataformas planas. El PI en sí es en realidad una mini computadora basada en una unidad programable que, según el comando recibido, envía impulsos eléctricos a los actuadores de la plataforma mediante algoritmos complejos.
“Nuestra fuente de energía es un desarrollo original independiente realizado por SPP SPC de Veliky Novgorod. Asegura la precisión del suministro de voltaje hasta diez nanovoltios, debido a esto, la resolución del posicionamiento del espejo aumenta. Después de todo, el actuador controla cualquier fluctuación de voltaje, lo que afecta seriamente su precisión ”, dice Andrei Daineko.
Pero no solo la alta precisión distingue el producto ruso de los análogos extranjeros. En particular, en los sistemas electrónico-ópticos donde se utiliza el S-330 alemán, a menudo hay fallas, ya que los actuadores no siempre soportan curvas laterales demasiado grandes y se deshacen cuando se producen sobrecargas. “Al desarrollar PNP-10, inmediatamente prestamos atención al problema de la capacidad de supervivencia de los actuadores y aumentamos el área de su sección transversal una vez y media. La fuerza ha aumentado, y por lo tanto, la vida de los recursos se ha vuelto más alta. Condujo una prueba de durabilidad y logró 30 miles de horas. Pusieron tres actuadores, les aplicaron voltaje y los "vaciaron" continuamente a una temperatura de + 85 grados. En el proceso de prueba, las propiedades físicas se midieron cada mil horas. 30 miles de horas - lo que significa trabajo continuo. Si se mide en pulsos, esta cifra aumentará muchas veces. ¡El avión no vive tanto! ”, Dijo Viktor Nikiforov, subjefe del complejo de investigación y producción para la ciencia.
En la actualidad, PNP-10 se está probando como parte de estaciones de ubicación óptica diseñadas para MiG-29KR / KUBR, aviones de combate Su-35 y como parte del sistema de iluminación láser de los últimos helicópteros de reconocimiento y ataque Ka-52.
El rango de uso posible de PNP-10 - para el complejo de avistamiento "Alligator", así como un contenedor de observación suspendido, que está previsto para uso en máquinas tales como Su-35, MiG-29 y T-50.
prospección
Los diseñadores e ingenieros del Instituto de Investigación y Desarrollo Elpa no se quedan quietos. Ahora, cuando PNP-10 ha sido llevado a la producción en masa, se planea crear una línea de piezoplatformas en su base que difieran en resolución, desplazamiento, etc. Por cierto, gracias a la tecnología única de piezocerámica de película delgada desarrollada en el Instituto de Investigación de Elpa durante varios años. , los actuadores son más baratos que los competidores extranjeros.
“El actuador es multicapa, lo que significa que hay muchos contactos en él. En la fabricación, las capas se sinterizan a temperaturas muy altas, por lo que se utiliza paladio para las almohadillas de contacto, no es la materia prima más barata. Encontramos una forma de reducir la temperatura de sinterización, lo que redujo la demanda de paladio en más del 30 por ciento. En consecuencia, el costo ha caído. Para dejarlo claro a los lectores: el actuador se recluta a partir de los llamados cubos. Por ejemplo, en un actuador 70 milimétrico PNP-10 su 30. En el mercado mundial, el precio estándar de un cubo 40 - 50-layer es de unos cuatro euros. Nuestro costo es aproximadamente un cuarto más barato. Y la línea para la producción de piezocerámica de película delgada ya está lista para producir hasta un millón de cubos de este tipo por año ", dice Andrei Daineko.
Sobre la base de PNP-10, también se crea una plataforma circular de desplazamiento lineal, es decir, que se mueve en planos no solo X e Y, sino también Z. Este tipo de producto se demanda tanto en aviación como en programas espaciales, es necesario para los sistemas de reconocimiento, así como de alta precisión. armas. Según los representantes del Instituto de Investigación Elpa, el instituto realiza un trabajo conjunto con varias empresas en esta dirección, pero es demasiado pronto para hablar de resultados concretos.
Otra aplicación importante de las piezo-cerámicas de película delgada son los sistemas de amortiguación de vibraciones. "Fueron probados por primera vez por los fabricantes de aviones estadounidenses en el F-16. Para amortiguar las vibraciones de la cola, se utilizaron paneles especiales hechos de actuadores de cinta. El principio de funcionamiento es bastante simple. Tenemos un elemento estructural del avión, que oscila, y nosotros, en la fase opuesta, colocamos el actuador, que presiona desde el lado opuesto. Nuestro instituto ofrece una opción más interesante: usar piezoplatforms como un tipo de amortiguadores. En particular, es muy importante para unidades y conjuntos de submarinos nucleares. Llevamos a cabo una investigación conjunta con el Instituto de Mecánica de la Academia de Ciencias de Rusia y llegamos a la conclusión: si el PNP se instala en algunos subconjuntos y mecanismos del submarino nuclear, entonces la vibración se puede reducir a casi cero ", resume Andrey Daineko.
El Elpa Research Institute es una empresa que en el transcurso de unos años ha creado no solo su propia plataforma piezoeléctrica, sino también la tecnología única de la cerámica piezoeléctrica de película delgada, que permite la producción en masa de productos nuevos, en gran parte sin paralelo, en el mundo, que se utilizan en muchas ramas de la industria de la defensa.
Diseñado para los equipos a bordo de los últimos cazas MiG-29KR / KUBR y Su-35, así como los helicópteros Ka-52, la plataforma de inclinación piezoeléctrica PNP-10 supera a muchos de los análogos del mundo. Fue desarrollado y puesto en producción por el Instituto de Investigación Científica de Zelenograd "Elpa".
Las exportaciones de armas rusas han estado creciendo rápidamente durante varios años consecutivos, según el Instituto de Investigación de Paz de Estocolmo (SIPRI). Cazas MiG-29 y Su-30, helicópteros Mi-35M y Mi-28, tanques Los sistemas de lanzallamas pesados T-90A, TOS-1A están lejos de ser una lista completa de éxitos de la industria de defensa rusa en el mercado mundial. Pero, como los expertos señalan correctamente, la metodología utilizada por SIPRI: contar las llamadas plataformas, es decir, los productos terminados entregados a los clientes, no ofrece una imagen confiable, porque muchos países suministran en el extranjero principalmente microelectrónica, elementos de alta tecnología, componentes y ensamblajes.
Debe reconocerse que, hasta hace poco, el problema de crear nuestra propia base de elementos, así como el desarrollo y la producción en serie sobre la base de componentes y conjuntos para diversos tipos de armas y equipo militar, era bastante grave para la industria nacional. El programa de sustitución de importaciones, aunque con dificultad, fue capaz de desarrollar la situación, y ahora ya tenemos algo de lo que estar orgullosos.
El secreto de la super precisión.
Si comparamos las fotos y los videos de los combatientes rusos modernos con sus "competidores" occidentales, una protuberancia distintiva en forma de gota ubicada frente a la cabina del piloto - la llamada estación de radar óptico (OLS) llama inmediatamente la atención sobre nuestras máquinas. Anteriormente, estaba destinado únicamente a buscar aviones enemigos por su radiación infrarroja. Los nuevos OLS-U (para los combatientes MiG-29K / KUB), OLS-35 (Su-35) y otros son capaces de detectar, capturar y rastrear objetivos de aire, tierra y superficie, destacándolos con radiación láser, etc.
Está claro que para los combatientes que vuelan a velocidades supersónicas en condiciones de combate aéreo y al atacar objetivos terrestres, la precisión del movimiento de los sistemas ópticos y láser que forman la base de las estaciones de ubicación óptica debe medirse no con centímetros y ni siquiera milímetros, sino con micrómetros. Pero, ¿cómo lograr tal precisión?En la actualidad, los dispositivos basados en los llamados actuadores piezo-cerámicos de película delgada se utilizan para controlar la precisión y los sistemas ópticos adaptativos.
“Una capa está hecha de 10 a 100 micras de espesor, y de estas capas se forma un piezopack, que alcanza el espesor de 2 a 100 milímetros. Cuando se aplica cierto potencial a la estructura de un paquete piezoeléctrico, puede realizar desplazamientos bastante grandes, en algunos casos hasta micrones 100. "Si el control de la cerámica sólida requiere un voltaje de hasta un kilovoltio, entonces para los de capa delgada, desde 90 a 150 voltios", Sergei Nersesov, director general del Instituto de Investigación Elpa, revela las ventajas del desarrollo.
Curiosamente, para controlar los espejos instalados en las últimas estaciones de ubicación óptica OLS-UE compradas por los aviones de combate MiG-29K / KUB de las fuerzas navales indias, se utilizó un bloque con piezodrives de la familia S-330 de la compañía alemana Physik Instruments.
La plataforma piezo-basculante S-330 es un producto de alta tecnología con ángulos de inclinación de hasta 10 mrad (milirradian), que se basa en dos pares de actuadores controlados diferencialmente. Cabe señalar que estas plataformas no solo están en OLS ruso, sino que también son compradas activamente por empresas estadounidenses, francesas e israelíes: fabricantes de alta precisión. aviación sistemas optoelectrónicos.Pero para nuestro MiG-29K / KUBR, que pronto se unirá a la flota de aviación naval de la Armada rusa, los ingenieros de desarrollo del Instituto de Investigación de Elpa podrían crear su propio piezoplatforma PNP-10, que no es inferior a S-330, pero también supera ciertas características ella
“Nuestra piezoplatform consiste en cuatro actuadores que se expanden a 40 micras cuando están energizados. El sistema de control de la PNP permite el movimiento de los actuadores bajo un programa especial. Los propios actuadores actúan sobre la plataforma en la que se encuentra el espejo giratorio, que se desvía en dos planos (ejes X y U. - AR) en el mrad 10. A una distancia de hasta cinco kilómetros, nuestras plataformas proporcionan una precisión de puntería de hasta un metro ", dice Anatoly Gritsenko, desarrollador de una plataforma circular única.
En PNP-10, los especialistas de Zelenograd introdujeron su propio know-how: medidores de tensión utilizados para retroalimentación y eliminar el llamado retiro. "En nuestros actuadores hay medidores de tensión especiales que se utilizan para la retroalimentación, lo que aumenta la resolución (el movimiento mínimo posible del cuerpo de trabajo del actuador por unidad de voltaje aplicado. - A.P.). Para dejarlo claro: sin medidores de tensión, la precisión de los actuadores es de los nanómetros 10 - 15, y con el uso de galgas extensiométricas, ¡esta cifra alcanza un nanómetro! En consecuencia, la precisión de la guía aumenta ", explica Andrey Daineko, director del centro de gestión de proyectos del Instituto de Investigación Elpa.
Pero la precisión del actuador no solo depende del uso de galgas extensiométricas. El papel más importante lo desempeña la fuente de energía, que suministra directamente la corriente a varias plataformas planas. El PI en sí es en realidad una mini computadora basada en una unidad programable que, según el comando recibido, envía impulsos eléctricos a los actuadores de la plataforma mediante algoritmos complejos.
“Nuestra fuente de energía es un desarrollo original independiente realizado por SPP SPC de Veliky Novgorod. Asegura la precisión del suministro de voltaje hasta diez nanovoltios, debido a esto, la resolución del posicionamiento del espejo aumenta. Después de todo, el actuador controla cualquier fluctuación de voltaje, lo que afecta seriamente su precisión ”, dice Andrei Daineko.
Pero no solo la alta precisión distingue el producto ruso de los análogos extranjeros. En particular, en los sistemas electrónico-ópticos donde se utiliza el S-330 alemán, a menudo hay fallas, ya que los actuadores no siempre soportan curvas laterales demasiado grandes y se deshacen cuando se producen sobrecargas. “Al desarrollar PNP-10, inmediatamente prestamos atención al problema de la capacidad de supervivencia de los actuadores y aumentamos el área de su sección transversal una vez y media. La fuerza ha aumentado, y por lo tanto, la vida de los recursos se ha vuelto más alta. Condujo una prueba de durabilidad y logró 30 miles de horas. Pusieron tres actuadores, les aplicaron voltaje y los "vaciaron" continuamente a una temperatura de + 85 grados. En el proceso de prueba, las propiedades físicas se midieron cada mil horas. 30 miles de horas - lo que significa trabajo continuo. Si se mide en pulsos, esta cifra aumentará muchas veces. ¡El avión no vive tanto! ”, Dijo Viktor Nikiforov, subjefe del complejo de investigación y producción para la ciencia.
En la actualidad, PNP-10 se está probando como parte de estaciones de ubicación óptica diseñadas para MiG-29KR / KUBR, aviones de combate Su-35 y como parte del sistema de iluminación láser de los últimos helicópteros de reconocimiento y ataque Ka-52.
El rango de uso posible de PNP-10 - para el complejo de avistamiento "Alligator", así como un contenedor de observación suspendido, que está previsto para uso en máquinas tales como Su-35, MiG-29 y T-50.
prospección
Los diseñadores e ingenieros del Instituto de Investigación y Desarrollo Elpa no se quedan quietos. Ahora, cuando PNP-10 ha sido llevado a la producción en masa, se planea crear una línea de piezoplatformas en su base que difieran en resolución, desplazamiento, etc. Por cierto, gracias a la tecnología única de piezocerámica de película delgada desarrollada en el Instituto de Investigación de Elpa durante varios años. , los actuadores son más baratos que los competidores extranjeros.
“El actuador es multicapa, lo que significa que hay muchos contactos en él. En la fabricación, las capas se sinterizan a temperaturas muy altas, por lo que se utiliza paladio para las almohadillas de contacto, no es la materia prima más barata. Encontramos una forma de reducir la temperatura de sinterización, lo que redujo la demanda de paladio en más del 30 por ciento. En consecuencia, el costo ha caído. Para dejarlo claro a los lectores: el actuador se recluta a partir de los llamados cubos. Por ejemplo, en un actuador 70 milimétrico PNP-10 su 30. En el mercado mundial, el precio estándar de un cubo 40 - 50-layer es de unos cuatro euros. Nuestro costo es aproximadamente un cuarto más barato. Y la línea para la producción de piezocerámica de película delgada ya está lista para producir hasta un millón de cubos de este tipo por año ", dice Andrei Daineko.
Sobre la base de PNP-10, también se crea una plataforma circular de desplazamiento lineal, es decir, que se mueve en planos no solo X e Y, sino también Z. Este tipo de producto se demanda tanto en aviación como en programas espaciales, es necesario para los sistemas de reconocimiento, así como de alta precisión. armas. Según los representantes del Instituto de Investigación Elpa, el instituto realiza un trabajo conjunto con varias empresas en esta dirección, pero es demasiado pronto para hablar de resultados concretos.
Otra aplicación importante de las piezo-cerámicas de película delgada son los sistemas de amortiguación de vibraciones. "Fueron probados por primera vez por los fabricantes de aviones estadounidenses en el F-16. Para amortiguar las vibraciones de la cola, se utilizaron paneles especiales hechos de actuadores de cinta. El principio de funcionamiento es bastante simple. Tenemos un elemento estructural del avión, que oscila, y nosotros, en la fase opuesta, colocamos el actuador, que presiona desde el lado opuesto. Nuestro instituto ofrece una opción más interesante: usar piezoplatforms como un tipo de amortiguadores. En particular, es muy importante para unidades y conjuntos de submarinos nucleares. Llevamos a cabo una investigación conjunta con el Instituto de Mecánica de la Academia de Ciencias de Rusia y llegamos a la conclusión: si el PNP se instala en algunos subconjuntos y mecanismos del submarino nuclear, entonces la vibración se puede reducir a casi cero ", resume Andrey Daineko.
El Elpa Research Institute es una empresa que en el transcurso de unos años ha creado no solo su propia plataforma piezoeléctrica, sino también la tecnología única de la cerámica piezoeléctrica de película delgada, que permite la producción en masa de productos nuevos, en gran parte sin paralelo, en el mundo, que se utilizan en muchas ramas de la industria de la defensa.
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