Итоговый отчет московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (наименование вуза) по результатам реализации

Вид материала

Отчет

Содержание 3. Разработаны 2 методики по оценки уровня остаточных сварочных напряжений. 4. Проведен анализ причин возникновения сварочных напряжений при различных способах сварки. 5. Разработаны 2 методики по оценке остаточного ресурса. 6. Разработаны 3 технологических документа по ремонту сварных конструкций. Цель ремонта втулок из стали ШХ15СГ Предлагаемая технология ремонта дефектов сварных швов магистральных трубопроводов Для ремонта и повышения ресурса работы деталей из алюминиевых сплавов 7. Разработан программный комплекс «СВАРКА» для моделирования тепловых процессов при дуговой сварке малоуглеродистых сталей. 8. Разработан программный комплекс «РЕСУРС» для оценки остаточного ресурса конструкций. Проект ii Задачами центра являются Проект iii Многофункциональная приемная аппаратура радиотелескопа Исследовательский радиолокационный комплекс

Подобный материал:

• Отчет государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования, 2810.92kb.
• Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана, 476.84kb.
• Министерство образования Российской Федерации Московский государственный технический, 1455.22kb.
• Москва, 9-11 сентября 2009 г. Московский государственный технический университет им., 94.15kb.
• Осрб 1-36 04 02-2008, 702.53kb.
• Исследование процессов тепло- и массопереноса на поверхности спеченных электродов, 188.74kb.
• Итоговый отчет государственного образовательного учреждения высшего профессионального, 3956.19kb.
• Обучение межкультурной коммуникации в условиях глобализации, 60.67kb.
• Структура элементов маркетингового обеспечения и их факторное построение, 404.86kb.
• Экспресс-диагностики параметров ионного пучка, 18.27kb.

3. Разработаны 2 методики по оценки уровня остаточных сварочных напряжений.

• Методика моделирования взаимодействия сварочных и рабочих напряжений.
  
• Методика оценки влияния послесварочной термической обработки на уровень остаточных сварочных напряжений.
  

В процессе сварки происходит изменение формы и размеров свариваемых деталей в результате их неравномерного расширения при нагреве. Под действием внутренних сил в материале возникают собственные напряжения (действующие при отсутствии внешних сил). В процессе изменения температуры деформации и напряжения изменяются таким образом, что в каждой точке детали сохраняется равновесие напряжений и совместность деформаций, то есть отсутствие разрывов. После полного остывания в сварном соединении сохраняются остаточные напряжения, влияющие на работоспособность конструкции. Эти напряжения могут быть снижены и перераспределены по конструкции в результате послесварочной термической обработки. При эксплуатации происходит взаимодействие сварочных и рабочих напряжений. В случае действия переменной нагрузки амплитуда изменения напряжений определяется рабочей нагрузкой и не зависит от остаточных напряжений. Однако остаточные напряжения изменяют коэффициент асимметрии цикла и таким образом влияют на остаточный ресурс сварной конструкции.

4. Проведен анализ причин возникновения сварочных напряжений при различных способах сварки.

Главной причиной временных напряжений при сварке является неравномерное расширение и сокращение металла при нагреве и охлаждении. Неравномерность возникает как за счет неоднородного температурного поля, так и за счет неоднородности свойств металла сварного соединения. Второй причиной являются фазовые превращения металла, сопровождающиеся изменением плотности.

• Проведен анализ существующих методов определения временных и остаточных сварочных напряжений
  
• Наиболее эффективно совместное использование экспериментальных и расчетных методов, при котором основной объем информации получают из расчета на компьютере, а экспериментально замеряют небольшое количество важнейших параметров.
  
• Проведен анализ существующего программного обеспечения для расчета сварочных напряжений.
  

К настоящему времени метод конечных элементов давно известен и имеется большое число программных пакетов с широкими возможностями, реализующих его для задач из различных областей науки. Мощные зарубежные пакеты такие, как ANSYS, ABAQUS, MARC, несмотря на объем и высокую стоимость, не обеспечивает решения всех проблем, связанных с анализом сварочных процессов и работоспособности сварных соединений. Это относится, прежде всего, к вопросам моделирования плавления и кристаллизации металла, оценки технологической прочности и анализа структурного состояния. Ориентировка этих программ на чрезвычайно широкий круг задач затрудняет для пользователя процесс их освоения и обучения.

Актуальность разработки собственного программного комплекса связана не только с недостатками существующих аналогов, но и с существенными преимуществами, которые дает открытость программного обеспечения для его разработчиков.


5. Разработаны 2 методики по оценке остаточного ресурса.

• Методика по определению типа предельного состояния объекта.
  
• Методика оценки остаточного ресурса сварных конструкций.
  

Проведен анализ особенностей граничных условий при эксплуатации конструкций, на основании, которого установлено, что граничные условия при эксплуатации конструкций имеют много общего и целесообразно использование единого программного обеспечения для моделирования этих двух групп физических процессов.

Проведен анализ существующего программного обеспечения для расчета напряженно – деформированного состояния с учетом остаточных сварочных напряжений и определено, что наиболее реальным является путь использования программного комплекса, специализированного для моделирования сварочных процессов. При доработке нового программного комплекса, ориентированного на моделирование сварочных процессов, основная работа по его адаптации к моделированию стадии эксплуатации состоит в добавлении необходимых видов граничных условий, а также в моделировании всех возможных при эксплуатации предельных состояний конструкции, препятствующих ее безотказной работе.


6. Разработаны 3 технологических документа по ремонту сварных конструкций.

• Технология ремонта втулок торцевого уплотнения гидропривода ГСТ-90 дуговой наплавкой в вакууме.
  
• Технология ремонта недопустимых дефектов сварных соединений магистральных трубопроводов.
  
• Технология ремонта деталей из алюминиевых сплавов наплавкой дисперсно-упрочненного композиционного материала системы Al-SiC
  

Цель ремонта втулок из стали ШХ15СГ, работающих в условиях интенсивного изнашивания, путем восстановления ее уплотнительного пояска – повышение ресурса работы торцевого уплотнения

Многие машины оснащены гидроприводами ГСТ-90, ресурс которых составляет 5000 ч и определяется в основном работоспособностью втулок торцевого уплотнения, представляющих собой тонкостенную прецизионную деталь, изготовленную из стали ШХ15СГ. Износ уплотнительного пояска всего на величину 0,3-0,4 мм приводит к значительным утечкам рабочей жидкости и снижению КПД всего агрегата, хотя втулка вполне пригодна для дальнейшей эксплуатации.

Анализ требований к эксплуатации втулок подобного типа показал, что для восстановления уплотнительного пояска втулок наиболее применим процесс дуговой наплавки в вакууме с подачей присадочного материала в виде гранулированного микропорошка. Достоинством этого способа являются высокая эффективность вакуумной защиты и возможность получать тонкий слой толщиной 0,5-0,8 мм, однородный по химическому составу и практически без перемешивания с основным металлом.

Расчетно-экспериментальные исследования тепловых процессов показали, что при осуществлении порошковой наплавки движущимся нормально-круговым источником энергии обеспечить требуемое качество наплавленного слоя на детали типа втулки удается в сравнительно узком диапазоне изменения критической плотности теплового потока (600-800 Вт/см2), превышение которой неизбежно приводит к оплавлению основного металла. Поэтому использовали прием управления радиальным распределением плотности теплового потока и увеличения эффективной мощности ДРПК путем воздействия на него аксиально-симметричным неоднородным магнитным полем. В этом случае гибко и с достаточной точностью можно управлять скоростью нагрева и температурным полем в зоне обработки путем изменения тока в магнитной катушке.

Для качественной оценки распределения концентраций элементов от поверхности покрытия к основному металлу проведены исследования на микрорентгеноспектральном анализаторе «Камебакс». Анализ распределения элементов по толщине покрытия показал: концентрационные кривые Ni, Cr и Si по глубине покрытия практически не изменяются, что соответствует соотношению элементов в материале ПГ-СР4. При переходе от наплавленного слоя к основному металлу наблюдается резкое снижение концентрации указанных элементов (практически до нуля). Это свидетельствует об отсутствии оплавления основного металла и перемешивания его с наносимым слоем.

В наплавленном слое лишь вблизи основного металла наблюдается некоторое увеличение содержания Fe (7-8 %) в сравнении с исходной композицией порошка ПГ-СР4 (4-5 %), что объясняется его диффузией из основного металла в наплавленный. Диффузионное взаимодействие вызывает расширение зоны объемного взаимодействия, что приводит к возрастанию прочности и надежности соединения.

Испытания в производственных условиях, показали, что восстановленные втулки обладают высокой работоспособностью. При этом ресурс их работы увеличился в 1,1-1,3 раза по сравнению с новыми деталями.

Предлагаемая технология ремонта дефектов сварных швов магистральных трубопроводов базируется на применении сварочного трактора Noboruder - 2SV фирмы Kokuho Co., Ltd (Япония), который предназначен для сварки стыковых швов в нижнем, вертикальном и потолочном положениях. Он пригоден для ремонтной сварки линейных (узких) и широких (поверхностных) дефектов методом наплавки.

Благодаря своей уникальной магнитной системе крепления трактор может быть размещен в любом месте на поверхности трубы, в любом пространственном положении, под любым углом при сохранении своих технических и технологических возможностей. В качестве базовой технологии ремонта предлагается использовать технологию STT.

Сборку стыка производят на специальном внутреннем пневматическом центраторе, входящем в состав комплекса оборудования. Сварку всех слоев шва производят «на спуск». На стыке при сварке каждого слоя работают два автомата. Каждый автомат производит сварку одного полупериметров трубы относительно вертикальной оси.

Параметры режима сварки каждого слоя предварительно запрограммированы и записаны на картриджах специальной конструкции, вставленных в блоки управления каждого агрегата питания. Перед началом сварки конкретного слоя сварщик-оператор с помощью переключателя, установленного на сварочной головке, задает порядковый номер свариваемого стыка.

Разработаны процедуры автоматизации и методы их реализации при выполнении автоматизированной технологии ремонта. Для начального сканирования, измерения профиля стыка с точностью 0,5 мм и выбора точки зажигания дуги предложен компактный лазерный триангуляционный сканер, размещенный на сварочной головке трактора. Позиционирование горелки в точке зажигания дуги осуществляется путем трехкоординатных перемещений трактора и приводов сварочной горелки. Зажигание дуги и выбор оптимальных параметров режима сварки для заданных координат и угла наклона реализуют с помощью цифрового нейросетевого моделирования процесса зажигания. Контроль за формированием проплавления осуществляют путем цифрового нейросетевого моделирования и подбора оптимальных параметров режима.

Предложенные элементы цифровой технологии ремонта дефектов в трубопроводах, разработанные на основе автоматизации измерений в процессе сварки пространственного положения сварочной ванны, профиля разделки кромок, программного изменения углов наклона СГ и ее перемещения в разделке, обеспечивают увеличение производительности и качества ремонтных работ на трубопроводах большого диаметра.

Для ремонта и повышения ресурса работы деталей из алюминиевых сплавов работающих в условиях сухого трения выбран наиболее универсальный метод получения наплавленных покрытий − аргонодуговая наплавка неплавящимся электродом. Наплавку проводили с подачей присадочного материала в виде литых прутков диаметром 3-4 мм из алюмоматричных дисперсно-упрочненных композиционных материалов АМг1+5%SiC₍₂₈₎ АК12М2МгН+5% SiC₍₂₈₎, обладающих высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. Для наплавки использовали сварочный источник питания переменного тока для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов и защитный газ – аргон высшего сорта.

Наплавку производили на режимах I=150А U_д=18В, V_н=13м/ч, V_пп=0,7м/мин с использованием двух схем наплавки. Наплавку КМ АМг1+5%SiC₍₂₈₎ проводили по схеме с подачей присадочного материала в хвостовую часть ванны, а КМ АК12М2МгН+5% SiC₍₂₈₎ по схеме с подачей присадочного материала по переднему фронту ванны.

Анализ результатов наплавки восстановленных деталей с применением металлографических исследований подтвердил наличие в матрице армирующей фазы и формирование структуры алюмоматричного дисперснонаполненного композиционного материала. Армирующие частицы сохраняют свои размеры и скольную огранку. Продукты распада армирующей фазы и взаимодействия её с компонентами матрицы не обнаруживаются.

Измерения твёрдости, полученных валиков, показывают хорошие результаты по распределению значений твёрдости.

Испытание на трение и износ проводили на машине трения УМТ–1 без смазки образцов, при удельных нагрузках от 1,33МПа до 5 МПа и скоростях скольжения от 0,38 до 0,75 м/с. Поведение образцов при сухом трении оценивали по величине коэффициента трения и условиям перехода в задир. Износостойкость определяли по потере массы при взвешивании образцов до, и после испытания при одинаковых параметрах трибонагружения. Точность взвешивания ± 0,5·10^-3 г.

Армирование сплава АК12М2МгН частицами SiC уменьшает коэффициент трения. Коэффициент трения образцов, полученных наплавкой КМ ниже, чем при испытаниях исходных КМ. Эффект снижения коэффициента трения и увеличения длительности службы, у наплавленных образцов, имеет место при наплавке как КМ АК12М2МгН+5%SiC так и КМ АМг1+5%SiC. Данный эффект может быть вызван усилением межфазных связей частица-матрица и частичной сферитизацией частиц в процессе дуговой наплавки.

При увеличении скорости скольжения средние значения коэффициента трения всех образцов возрастают, что свидетельствует о начале развития в образцах патологических процессов схватывания II рода, которые в дальнейшем ведут к задиру.

Испытания на износ показывают, что значения интенсивности изнашивания как образцов из КМ, так и наплавленных слоёв из КМ ниже, чем у образцов из сплава АК12М2МгН, т.е. частицы SiC увеличивают износостойкость матрицы. В наплавленных образцах износостойкость гораздо больше, например, у образца с наплавленным слоем из КМ АК12М2МгН+5%SiC износостойкость увеличилась в 4 раза. Это, должно быть, связано со сферитизацией частиц в процессе дуговой наплавки.

Создание наплавленных композиционных слоев, армированных частицами SiC, снижает затраты на трение, повышает задиростойкость, фрикционную теплостойкость и увеличивает длительность службы наплавленных образцов.


7. Разработан программный комплекс «СВАРКА» для моделирования тепловых процессов при дуговой сварке малоуглеродистых сталей.


Программный комплекс «СВАРКА» предназначен для решения широкого круга задач моделирования сварочных процессов. В сварочных задачах возникает необходимость моделирования следующих процессов:

1) протекание электрического тока в металле, выделение тепла;

2) электрические и световые явления в дуге, плазме, электронном и лазерном луче;

3) электромагнитные явления;

4) гидродинамические явления в сварочной ванне;

5) Тепловые процессы в металле, плавление и кристаллизация;

6) Физико-химические превращения в металле шва и околошовной зоны.

7) Сварочные деформации и напряжения от неравномерного нагрева и структурных превращений.

8) Упругость, пластичность и ползучесть металла в условиях сварки и эксплуатации деталей.

9) Развитие процессов разрушения в условиях неоднородности свойств материала и наличия дефектов под действием сварочных процессов и различных видов эксплуатационных нагрузок.

Анализ этих задач показывает, что все они могут быть решены средствами МКЭ и для большинства из них требуется во многом аналогичное программное обеспечение. Разработка программного комплекса «СВАРКА» начата на кафедре технологий сварки и диагностики МГТУ им. Н. Э. Баумана ведется в настоящее время силами преподавателей, научных сотрудников, аспирантов и студентов кафедры.

Моделирование сварной конструкции включает ряд этапов, в ходе которых вводятся исходные данные, производится расчет и происходит обработка полученных результатов.


8. Разработан программный комплекс «РЕСУРС» для оценки остаточного ресурса конструкций.

Методология оценки надежности и остаточного ресурса сварных конструкций при наличии дефектов предусматривает ряд взаимосвязанных этапов, включающих целенаправленную диагностику дефектов, экспериментально-расчетное определение свойств материалов, расчет напряженно - деформированного состояния в зоне дефектов и принятие решений на основе определения условий наступления предельных состояний, характеризующих разные стадии развития дефекта вплоть до полного разрушения конструкции.


ПРОЕКТ II

«Нанотехнологическая база микросистемной техники»


Для реализации данного проекта инновационной образовательной программы приказом ректора МГТУ им. Н. Э. Баумана создан «Учебно-инженерный центр нанотехнологий, нано- и микросистемной техники» (УИЦ НТ НМСТ).

Основной целью его деятельности является обеспечение непрерывного образовательного цикла подготовки, переподготовки и повышения квалификации специалистов на основе непосредственного их участия в выполнении как учебных, так и научно-исследовательских (опытно-конструкторских и опытно-технологических работ) по направлению «Нанотехнологическая база микросистемной техники». В состав УИЦ НТ НМСТ МГТУ им. Н.Э.Баумана входят следующие лаборатории:

- «наноструктурных материалов» - исследования и разработка наноструктурных материалов и объектов, в том числе объемных наноструктурных материалов, нанопорошков, нанокомпозитов, нанопористых материалов;

- «нанотехнологий радиоэлектронных средств» - исследования и разработка макетных и опытных образцов наноприборов и функциональных модулей на их основе применительно к изделиям радиотехнического комплекса;

- «нанооптоэлектроники» - исследования и разработка макетных и опытных образцов нанооптоэлектронных элементов, а также функциональных модулей на их основе;

- «сложных наноструктурированных систем» - теоретические и экспериментальные исследования в области разработки сложных наноструктурированных систем;

- «вакуумно-плазменных методов в нанотехнологиях» - теоретические и прикладные исследования в области использования вакуумно-плазменных технологий для получения нанообъектов для изделий различного функционального назначения;

- «теоретических исследований проблем нанотехнологии» - исследования в области теоретического изучения и моделирования процессов, протекающих в наносистемах и технологические аспекты создания этих систем.

Кроме того, в состав УИЦ НТ НМСТ входят секторы организационно-технической, информационной и маркетинговой поддержки для обеспечения его оперативной работы.

Задачами центра являются:

1. Проведение учебных (учебно-исследовательских, учебно-технологических), научных (научно-исследовательских, опытно-конструкторских и опытно-технологических) работ;

2. Координация исследований, проводимых учебными и научными подразделениями университета по определяющим разделам направления;

3. Организация учебной и научной работы в сфере подготовки специалистов высшей квалификации (кандидатов, докторов технических наук);

4. Формирование информационной базы знаний по изучаемым проблемам, реализация принципа удаленного доступа к информации;

5. Организация и проведение тематических конференций, школ, семинаров и выставок;

6. Проведение совместных с российскими и зарубежными научно-образовательными центрами исследований и разработок в области нанотехнологий, нано- и микросистемной техники.

В рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007 – 2012 годы» заключёны государственные контракты на комплексные проекты по темам:

- «Создание микроробототехнического комплекса на основе внутрисосудистого микроробота для осуществления диагностических, терапевтических (доставка лекарственных препаратов), и хирургических процедур при атеросклеротических и других заболеваниях трубчатых органов», в котором МГТУ им. Н.Э. Баумана выступает головным исполнителем.

- «Разработка технологий получения и обработки термоэлектрических материалов на основе твердых растворов теллурида висмута, создание высокоэффективных термоэлементов и организация их опытно-промышленного производства», в котором МГТУ им. Н.Э. Баумана выступает соисполнителем.


ПРОЕКТ III

«Радиоэлектронные системы коротковолновой части миллиметрового диапазона волн»


Один из ведущих учебно-исследовательских центров в МГТУ им. Н.Э. Баумана создан на базе полигона с Радиотелескопом РТ-7,5. Радиотелескоп, построенный в 60-е годы ХХ в. под Москвой на территории Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана, в ходе выполнения проекта инновационной образовательной программы модернизирован. В настоящее время это единственный в России постоянно работающий научно-эксперимен­тальным комплекс с крупноапертурными антеннами, который обеспечивает проведение фундаментальных и прикладных исследований в миллиметровом диапазоне радиоволн (на длине волны до 1 мм).

Основу радиотелескопа составляют две полноповоротные зеркальные параболические антенны диаметром 7,75 м, расположенные друг от друга на расстоянии 250 м по линии запад–восток, которые по своим параметрам входят в десятку лучших в своем классе. Первой строилась западная антенна, среднеквадратическая ошибка ее основного зеркала составляет 100 мкн, второй — восточная, среднеквадратическая ошибка ее основного зеркала равна 70 мкн. Полноповоротные зеркала позволяют навести радиотелескоп в любую точку небесной сферы.

В результате проведенной в 2006-2007 г.г. модернизации синхронно-следящих приводов антенн существенно повысилась точность их наведения (ошибка составляет менее 2,5 угл. с) и расширился диапазон скоростей их вращения (от 2,5 до 5 угл. град/c), за счет чего стало возможным проводить эксперименты наблюдения за небесными телами и спутниками Земли.

Восточная антенна радиотелескопа в рамках проекта оснащена новой многофункциональной приемной аппаратурой (МФПА), которая позволит проводить радиоастрономические наблюдения, радиометрические исследования, изучать вопросы распространения радиоволн на различных трассах, отрабатывать технологии широкополосной передачи информации в миллиметровом диапазоне радиоволн.

На базе западной антенны создан исследовательский радиолокационный комплекс (ИРК) для отработки технологий и высокоточного измерения параметров движения спутников, построения их радиоизображений в поперечной плоскости методом инверсного синтезирования апертуры.

Разработана передвижная отладочная радиолокационная установка (ПОРУ), предназначенная для отработки технологий проектирования аппаратуры генерации и обработки широкополосных сигналов с мгновенной полосой в несколько сот мегагерц 3- и 8-милли­метровом диапазонах радиоволн и построения дальностных портретов объектов наблюдения.

Кроме экспериментальных установок для проведения исследований на площадке Центра расположен комплекс инженерно-тех­нических и вспомогательных сооружений, включающий в себя лаборатории, мастерские, лекционные аудитории, компьютерный класс, а также объекты инфраструктуры, обеспечивающие возможность непрерывных круглогодичных работ: гостиница и другие бытовые помещения.

Основное назначение центра — фундаментальные исследования окружающего мира на основе радиоволн миллиметрового диапазона. К ним можно отнести анализ с помощью МФПА излучения и переизлучения в миллиметровом диапазоне радиоволн различных объектов, окружающей среды и космоса, распространение радиоволн и их искажения. Планируются исследования с использованием Исследовательского радиолокационного комплекса (ИРК) и Передвижной отладочной радиолокационной установки (ПОРУ) характеристик рассеяния радиоволн различными объектами, искажений фазовой структуры сигналов. Самостоятельное значение имеют технологии создания аппаратуры для различных систем миллиметрового диапазона радиоволн.

На Радиотелескопе МГТУ им. Н.Э. Баумана ведутся регулярные наблюдения Солнца в миллиметровом диапазоне радиоволн. Все полученные за двадцатилетний период радиояркостные карты хранятся в цифровом виде и доступны исследователям физики Солнца.

Большое внимание в работе отводится радиоастрономическим наблюдениям интенсивности излучения Солнца. Контроль за вспышками нужен для прогноза состояния людей, для предотвращения фатальных сбоев техники на земле, в море, в воздухе, в космосе.

Исследование Солнца важно для изучения физики плазмы, физики наблюдаемых в ее хромосфере явлений и актуально вследствие сильных солнечно-земных связей. Эти наблюдения проводят в двух диапазонах длин радиоволн,  = 2,2 и 3,2 мм, что дает возможность определить для исследуемой области спектральный индекс, связанный с механизмом излучения Солнца. Созданное специальное программное обеспечение для интерпретации получаемых данных позволяет представлять результаты измерений солнечной активности в различных формах.

Материалы регулярных наблюдений Солнца с помощью антенн радиотелескопа РТ-7,5, дополняются данными, полученными при наблюдении солнечных затмений в различных частях Земли. Для этого используют созданный в МГТУ им. Н.Э. Баумана Передвижной радиотелескоп РТ-0,6, оснащенный системой цифровой регистрации.

26 марта 2006 г. произошло полное солнечное затмение, которое можно было наблюдать на территории России, в том числе в высокогорном спортивном лагере МГТУ им. Н.Э. Баумана «Джан-Туган» (Кабардино-Балкария). В экспедиции приняли участие ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана и Санкт-Петербургского государственного университета. Кривая радиояркости или «затменная кривая», зарегистрированная вблизи полной фазы затмения, позволяет изучать краевые и корональные эффекты, недоступные для наблюдения с земной поверхности в обычных условиях.

С помощью радиометрического исследования радиояркостных контрастов объектов, находящихся на земной поверхности, можно получить данные о состоянии подстилающей поверхности. В основе этого эффекта лежит свойство предметов с различными структурой и электромагнитными свойствами по-разному отражать излучение небесной сферы, имеющей меньшую температуру, чем в целом температура земной поверхности. Это позволяет наблюдать своеобразную карту местности в миллиметровом диапазоне радиоволн, анализ которой в сопоставлении с наблюдениями в других диапазонах электромагнитных волн позволяет выявить особенности окружающей среды.

Свойство радиоволн миллиметрового диапазона активно взаимодействовать с парами воды, молекулами кислорода азота и других газов, содержащихся в атмосфере, широко используют в фундаментальных и прикладных исследованиях. С одной стороны, для контроля состояния атмосферы и тропосферы, жизненно важного для человека. С другой стороны, для изучения характеристик затухания при распространении радиоволн и построения систем связи радиолокации.

Перспективное направление радиофизических исследований связано с дистанционным контролем наличия и концентрации озоноразрушающих молекул оксида хлора в стратосфере над мегаполисами в диапазоне длин радиоволн около 1,5 мм. Одна из научных задач настоящего проекта — экспериментальная проверка предположения о том, что длительные значительно истощенные состояния озонного слоя на высоте 25…45 км, обнаруженные и наблюдавшиеся над Москвой в холодные сезоны, связаны с повышенным содержанием в стратосфере молекул оксида хлора, накапливающегося в результате техногенных выбросов. (Озон разрушается в химических реакциях с участием хлорных соединений.) Отмечаемые в последние десятилетия ухудшение состояния защитного озонного слоя атмосферы, появление неблагоприятных аномальных явлений, таких, как «озонные дыры» и «минидыры» в полярных и приполярных областях обоих полушарий, определяют актуальность разработки аппаратуры и методов измерения пространственно-временного распределения озона и озоносвязанных малых газовых составляющих атмосферы.

В рамках развития проекта намечен ряд и других фундаментальных исследований, прежде всего, это получение информации об искажениях фазовой структуры радиоволн миллиметрового диапазона на различных трассах, что особенно важно для решения задач широкополосной радиосвязи и отработки технологий построения радиоизображения космических аппаратов.

Основные реализованные и подготовленные инновации в научно-исследовательской деятельности в рамках этого проекта инновационной образовательной программы были направлены на создание исследовательских установок миллиметрового диапазона радиоволн.

Многофункциональная приемная
аппаратура радиотелескопа

Создаваемая в рамках проекта МФПА радиотелескопа предназначена, прежде всего, для изучения характеристик прохождения радиоволн миллиметрового диапазона через нижние слои атмосферы, ионосферу, для исследования излучения различных астрономических объектов, отработки технологий построения систем широкополосной связи, в том числе с космическими объектами.

Новые многоканальные высокочувствительные радиометры позволят с лучшим качеством получать информацию об излучении космических объектов. Становится возможным расширение проводимых наблюдений для нужд солнечной сейсмологии (гелиосейсмологии) — науки, изучающей структуру, состав и динамику солнечных недр с помощью анализа осцилляций, наблюдаемых на поверхности Солнца.

Миллиметровый диапазон радиоволн, занимающий полосу частот порядка 300 ГГц играет важную роль в создании различных высокоинформативных РЭС. Однако только сейчас стало возможным подойти к полному использованию этих возможностей.

К преимуществам применения миллиметрового диапазона радиоволн в системах связи следует отнести, прежде всего, увеличение объема и скорости передачи информации при повышенной помехозащищенности и скрытности.

В отличие от более длинных радиоволн при распространении в атмосфере миллиметровых волн происходит значительное ослабление, при этом тенденция такова, что ослабление возрастает с уменьшением длины волны. Для линий связи интерес представляют окна прозрачности на частотах около 35, 94 и 140 ГГц, где наблюдается минимальное затухание по сравнению с соседними участками миллиметрового диапазона радиоволн. При этом на практике основные преимущества этого диапазона могут быть реализованы в линиях связи, обеспечивающих высокую скорость передачи данных порядка 100 Мбит/с и более. Для этих линий связи перспективными являются современные фазовые методы модуляции. В связи с этим большое значение приобретают исследования особенностей прохождения широкополосных сигналов через атмосферу: сохранение фазовой структуры сигнала и его затухание в различных сезонных и погодных условиях. Кроме того, они представляют первостепенный интерес при создании систем радиовидения, т. е. радиолокаторов со сверхширокополосными сигналами и инверсным синтезированием апертуры, обеспечивающими высокую разрешающую способность.

В экспериментальную установку с МФПА может быть включена восточная антенна радиотелескопа с модернизированными приводами и новой системой управления, которая оснащается в рамках проекта набором приемных устройств, способных работать либо в радиометрическом режиме, либо в связном по сигналам передающих устройств. Исследования предполагается проводить на специально организованных приземных трассах: радиотелескоп — передатчик «квазиспутника». Передатчик, расположенный на мачте и на специальной подвижной установке, может перемещаться в окрестностях радиотелескопа. В перспективе планируется передающую аппаратуру разместить на новом спутнике «Бауманец» и других исследовательских космических аппаратах. Модернизированные приводы радиотелескопа могут обеспечить сопровождение всех классов спутников.

Для проведения наиболее точных экспериментов, связанных с исследованием разнообразных радиофизических и технических аспектов использования миллиметрового диапазона радиоволн предусмотрена работа как с гармоническим, так и с ФКМ-сигналом при передаче информации со скоростью не менее 50 Мбит/с. С этой целью разработана установка, которая содержит передатчики 3- и 8-миллиметрового диапазонов, 2-диапазонный приемник и блоки цифровой обработки.

Приемник двухчастотной линии радиосвязи включает в себя каскады:

• частотного разделителя (диплексера);
  
• блока опорных СВЧ-сигналов (БЗГ-н);
  
• гетеродинного устройства 3-миллиметрового диапазона (КВЧ1-н);
  
• гетеродинного устройства 8-миллиметрового диапазона (КВЧ2-н);
  
• смесителя 3-миллиметрового диапазона с ПУПЧ (СМ1);
  
• смесителя 8-миллиметрового диапазона с ПУПЧ (СМ2);
  
• 2-канального УПЧ с квадратурными демодуляторами.
  

Все частоты, вырабатываемые блоком опорных СВЧ-сигналов, когерентны, поскольку синтезируются из сигнала высокоста­биль­ного кварцевого генератора. Этот же сигнал используется в блоках цифровой обработки.

Схемы передатчиков 3- и 8-миллиметрового диапазонов радиоволн также полностью унифицированы. Конструктивное исполнение рассчитано на эксплуатацию в сложных условиях, в том числе на борту космического аппарата.

Исследовательский радиолокационный комплекс


Исследовательский радиолокационный комплекс оснащен передатчиком, приемным устройством, средствами регистрации и обработки информации. ИРК вместе с передвижной отладочной радиолокационной установкой предназначен для экспериментальной отработки технологии построения радиолокационных изображений космических объектов методом инверсного синтезирования апертуры. До настоящего времени работы по созданию таких систем преимущественно велись в сантиметровом диапазоне рабочих длин радиоволн. В случае применения миллиметрового диапазона радиоволн есть основания считать, что можно получить лучшие характеристики при прочих равных условиях.

Проектирование РЛС такого класса затрагивает широкий спектр научных, технологических и технических аспектов:

• исследование характеристик распространения радиоволн миллиметрового диапазона с учетом возможных амплитудных и фазовых нестабильностей сигнала, вызванных самыми разнообразными факторами;
  
• исследование механизмов рассеяния радиоволн миллиметрового диапазона в широкой полосе сигналов подвижными структурно-не­однородными объектами со сложной геометрией;
  
• создание принципиально новых алгоритмов обработки радиолокационной информации, обеспечивающих устойчивость к воз­действию различных возмущающих факторов, связанных с осо­бенностями динамики лоцируемых объектов и среды распространения радиоволн;
  
• освоение и совершенствование технологий создания высокоточных силовых следящих приводов, их синхронизации и сопряжения с системой обработки радиолокационной информации;
  
• создание многофункциональных вычислительных систем в режиме реального времени для решения задач высокоскоростной регистрации и обработки информации, ведения баз данных в режиме реального времени и синхронного управления разнородными техническими системами;
  
• разработка, изготовление и макетирование широкого спектра цифровых и аналоговых электронных устройств работающих в широком диапазоне частот.
  

Спектр решаемых задач в ИРК настолько широк и сложен, что требует проведения отдельных исследований практически по каждому из перечисленных вопросов. В настоящее время создается комплекс, работающий в 8-миллиметровом диапазоне радиоволн со сравнительно узкополосным сигналом шириной 10…20 Мгц и длительным когерентным сигналом, что достаточно для изучения вопросов, связанных с построением радиоизображений спутников в поперечной плоскости. Для учета фазовых искажений сигналов при распространении применена разработанная параметрическая модель атмосферы, подстраиваемая по данным МФПА и радиолокационных установок более длинноволновых диапазонов.

Западная антенна Радиотелескопа РТ-7,5 МГТУ им. Н.Э. Баумана оборудована новым силовым следящим приводом и специализированной системой облучения, приемопередающим модулем, реализующим функции формирования и генерации зондирующего сигнала, его цифровой прием и регистрацию, а также вычислительным комплексом обработки информации.

Антенная система построена в соответствии со схемой Кассегрена и оснащена 4-канальным облучателем, позволяющим реализовать цифровой моноимпульсный дискриминатор как в азимутальной, так и в угломестной плоскости. Ширина диаграммы направленности антенной системы составляет 4 угл. мин. Управление положением диаграммы направленности антенной системы обеспечивается следящим приводом с использованием в качестве исполнительных механизмов мотор-редукторов и высокоточными датчиками угла. При испытаниях системы привода угловая скорость составляла более 5 град/с при точности пеленгации цели порядка нескольких угловых секунд. Привод синхронизируется с приемопередающим модулем с тактом 100 мкс, что позволяет сопровождать космические объекты с требуемой точностью.

Приемопередающий модуль изготовлен одной из ведущих радиотехнических фирм Российской Федерации ООО «Радиофизика». Он включает в себя возбудитель и мощный каскад усиления сигнала до импульсной мощности порядка 3 кВт, 4-канальное приемное устройство, 4-канальный цифровой приемник с контрольным каналом сигнала передатчика, цифровой формирователь сигнала и коммутационные устройства передачи данных. Контейнер с приемопередающей аппаратурой монтируется на опорно-поворот­ном устройстве и вращается вместе с ней.

Программное обеспечение приемопередающего модуля позволяет реализовать цикл командного сопровождения наблюдаемого космического аппарата и формирование потока отметок для входа вторичной обработки информации.

Программно-вычислительный комплекс строится на основе двух высокопроизводительных многоядерных серверов.

Программное обеспечение реализует систему управления комплексом, систему траекторной обработки космического аппарата и систему его сопровождения, частный каталог космических аппаратов, систему управления следящим приводом, специализированное программное обеспечение построения радиоизображений космических аппаратов. Весь комплекс программного обеспечения работает под управлением операционной системы Linux. Вычислительная аппаратура ИРК стыкуется со всеми установками, размещенными в Учебно-исследо­ва­тель­с­ком центре.