«Умная» обшивка для самолетов

Материал обшивки — это тоже «умная» субстанция, способная к самовосстановлению, а главное, она в состоянии самостоятельно реагировать на внешнее воздействие. Подобные материалы умеют диагностировать себя, они «чувствуют», где могут возникнуть неприятности, и адаптируются к ним». Такие материалы получаются на основе искусственных наноструктурированных композитов и метаматериалов, имеющих внутреннюю структуру нанометрового масштаба. В этих структурах используются наночастицы разных химических элементов: металлов, кремния и др. В качестве полимерной основы композита можно применить полиэтилен, полипропилен, полиэтиленгликоль, тефлон и др. Таким образом, smart skin — это серьезная программа создания совокупности прорывных технологий, в которую вовлечены многие организации и фирмы развитых стран мира.

Считается, что ИО будет использовать многие свойства кожного покрова человека и животных, и не только в плане защиты от внешней среды. Эта «кожа» обеспечит осведомленность обо всем, что есть вокруг ЛА, снабдит его необходимой информацией для выполнения целевой задачи — в частности, для обнаружения и идентификации цели, прицеливания и пуска оружия. Она также будет использована для принятия мер противодействия при возникновении опасности и прямых угроз ЛА. В ИО, как и в коже, будут сенсоры (рецепторы), настроенные на выполнение специфических функций. Конечно, для управления ИО будет применен искусственный интеллект, обеспечен высокий уровень роботизации, будет учитываться «поведение» материала обшивки.

Еще одну интересную аналогию можно провести с феноменом так называемой кожно-гальванической реакции. Смысл этого феномена в изменении электрического сопротивления кожи человека в зависимости от разного рода эмоциональных всплесков. Этой темой еще с позапрошлого века интересовались в основном не инженеры, а психологи, которые пытались увязать изменения электрических свойств кожного покрова с конкретными реакциями нервной системы. Но сама идея постоянного мониторинга свойств кожи/обшивки ради своевременного обнаружения проблем может оказаться продуктивной и в области техники.

Это не так давно продемонстрировала американская компания TARDEC. Она провела испытания нового типа брони танка, которая не только фиксирует показания, но и оценивает степень разрушения, размер пробоины и даже тип прилетевшего боеприпаса. Такой эффект обеспечивается встроенными в броню вибродатчиками, образующими связанные информационные пары, которые реагируют на характер разрушения брони. Датчик-излучатель генерирует вибросигналы, а те распространяются в броне и поступают на датчик-приемник. Если параметры принимаемого вибросигнала не отличаются от нормы, то все хорошо: пробоин пока нет. Если же приема нет или сигнал ослаблен, скорее всего, броня получила дырку. Бортовой компьютер анализирует данные сенсоров и сообщает результаты анализа экипажу, который должен принять необходимые меры.

В позапрошлом году появилось сообщение о том, что инженеры Стэнфордского университета работают над обшивкой для самолета, пронизанной сетью связанных между собой сенсоров, которые могли бы собирать информацию со всей поверхности летательного аппарата, начиная с аэродинамических данных и кончая данными локации окружающего пространства — с целью предупреждения столкновений. В основе этого проекта, как нетрудно заметить, биомиметика, или бионика, то есть подражание природе, создавшей усеянный рецепторами кожный покров.

Напрашивается и еще одна аналогия — с непроизвольными, на уровне рефлекса, реакциями живого организма. При ярком свете рефлекторно закрываются глаза, рука самопроизвольно отдергивается от горячего. Подобные рефлексы можно привить «умным материалам (например, с памятью формы) и также использовать их в интеллектуальной обшивке.

История ИО началась с конформных антенн, которые названы так потому, что повторяют обводы корпуса самолета. Первоначальная задача состояла в том, чтобы эти элементы не выступали наружу, увеличивая лобовое сопротивление ЛА. Переход на технологии конформных антенных решеток, содержащих большое количество приемопередающих модулей многих бортовых радиосистем (их на современном ЛА уже не один десяток), позволяет создать единый антенный блок многофункциональной интегрированной радиосистемы (МИРС), охватывающей разные рабочие частотные диапазоны. Антенные решетки оказались весьма технологичными для конформной компоновки в корпусе самолета, так как небольшие габариты приемопередающих модулей позволяли лучше отследить кривизну поверхности бортовой обшивки.

Первоначально антенны крепились к корпусу с помощью механических резьбовых или заклепочных соединений, что, вообще говоря, не очень технологично. В конце прошлого века появились конформные антенные решетки с гибкой подложкой из специального полимерного материала, в который вживлялись приемопередающие модули. Толщина антенны оказывалась, таким образом, небольшой, и она достаточно просто «приклеивалась» к корпусу наподобие переводной картинки. А это уже было очень серьезным шагом на пути к будущим полноразмерным ИО, которые смогут не только решать стандартные задачи обнаружения целей, но и определять, какой конкретно ущерб должен быть им нанесен. Например, в случае противоракетной обороны это может быть ослепление головки самонаведения, кибератака с целью вывода из строя бортовых систем или просто уничтожение перехваченной ракеты противника.

На Западе и в нашей стране приняты очень похожие оценки уровня готовности технологий для применения в военной технике. Всего таких уровней девять, и по ним определяется состояние разработки технологий и оценивается вероятность ее получения на каждом уровне. Также имеется представление о наступлении критического уровня, на котором должно быть принято кардинальное решение об остановке работы или ее продолжении. Например, «мозговой трест» Пентагона — агентство DARPA — считает критическим уровень 6, на котором вероятность успеха составляет 0,55−0,65. Именно на этом уровне 6 и находятся сегодняшние разработки ИО. К 2020 году ожидается выход на уровень 8 (вероятность успеха 0,75−0,85), а к 2025-му выход на последний уровень 9 с завершением разработок. DARPA считает, что полноразмерная ИО сможет появиться в 2030 году на истребителях 6-го поколения. Чтобы перейти от абстрактных цифр к конкретике, стоит пояснить, что именно подразумевается под уровнями 6−9.

6-й уровень предполагает создание прототипа — демонстратора технологии. Поскольку этот уровень является критическим, от успеха испытаний демонстратора зависит судьба проекта в целом. На 7-м уровне требуется успешный показ работоспособности прототипа в реальных условиях или при их имитации. 8-й уровень предполагает демонстрацию предсерийного образца, и, наконец, 9-й уровень ознаменуется принятием на вооружение и боевым применением новой техники в реальных условиях.

С мнением американцев в целом солидарны и наши специалисты. По оценкам представителей НИИП им. В.В. Тихомирова — разработчика МИРС для ПАК ФА Т-50, ИО в полноразмерном варианте появится на отечественных самолетах поколения 6. Комплекс ИО будет содержать приемопередающие модули радиолокации, оптические сенсоры, а также модули для ведения кибератак. В нем будет присутствовать программное обеспечение для управления ИО в качестве децентрализованной роботизированной распределенной системы.

Было заявлено, что ряд элементов ИО уже разработан и конкретно для Т-50, а их применение позволит увеличить зону обзора вокруг самолета. На поверхности корпуса Т-50 может быть распределено порядка 1500 миниатюрных приемопередающих модулей антенны с фазированной решеткой. Модули будут устанавливаться поэтапно.

Разработчики считают, что технологии ИО требуют ее закладки в конструкцию самолета уже на этапе проектирования и реализации совместно с изготовлением корпуса ЛА. По этой причине ИО не может быть использована в качестве новой разработки для модернизации серийных самолетов, так как ее принципиально невозможно встроить в их корпус.

Сейчас обычные бортовые радиолокационные станции работают по алгоритмам пространственно-временной адаптивной обработки сигналов с учетом влияния интерференции волн. Такая технология может быть привязана и к одномерным плоским антенным решеткам, результирующий сигнал с которых будет простой суперпозицией сигналов точечных излучателей без учета их взаимовлияния. Для БРЛС с конформными антенными решетками многие допущения, используемые в моделях адаптивной обработки информации с плоских антенных решеток, попросту не работают: в них отсутствуют уравнения поверхности конформной решетки, а она нередко имеет очень сложную пространственную архитектуру.

Сложная архитектура — это также и проблема компоновки антенны на корпусе ЛА, особенно, если речь идет об интеллектуальной обшивке, которая должна выступать в роли объединенного бортового локатора. Приходится иметь дело с большим числом встроенных в обшивку приемопередающих модулей (их может быть 103−104 штук), образующих распределенную систему со специфической топологией. Иначе не решить проблему согласования диаграмм направленности и электромагнитной совместимости.

И все это должно быть заложено в алгоритмическое обеспечение работы обшивки. Для подобных конформных антенных систем не годится традиционная математика с представлением сигналов в пространстве целочисленной размерности и гладких функций. Нужна совсем другая математика, но изобретать ее не придется: ее основы уже созданы Лейбницем, Риманом, Абелем, Лагранжем, Летниковым, Хевисайдом. Она применяется в расчетах процессов теплообмена, диффузии, вязкой упругости, в космогонии, ядерной физике, где приходится иметь дело со сложными пространственными флуктуациями фазовых переходов, с неустойчивостью в критических точках, с областями существования на «изрезанных» поверхностных структурах.

В связи с этим можно сделать два предположения. Первое — о том, что эта другая, «дробная» математика найдет свое применение в разработках интеллектуальных обшивок. Второе предположение касается возможности появления фрактальных технологий, которые, кстати, очень хорошо используют аппарат «дробной» математики с дробными операторами.

В ИО будущего мы увидим фрактальные антенны, фрактальные многослойные сэндвичи, фрактальные частотно-избирательные поверхности и в перспективе целые фрактальные радиосистемы и устройства. Этими интереснейшими вещами занимаются в Институте радиотехники и электроники (ИРЭ) им. В.А. Котельникова РАН, в котором уже получены многообещающие теоретические и практические результаты. Благодаря способности фрактальных структур к масштабированию могут быть созданы легкие и малогабаритные рабочие элементы радиосистем, легко встраиваемые в обшивку со сложной пространственной архитектурой поверхности.