Диагностика диэлектрических материалов и конструкций объектов аэрокосмической техники с помощью голографических подповерхностных радиолокаторов
Руководитель проекта: Ивашов С.И., sivashov@rslab.ru.

Аннотация:

Аварии при запуске космических аппаратов достаточно часто происходят в различных странах. Они вызывают ощутимые прямые материальные потери. Кроме того, страны с высокой аварийностью несут и косвенные потери в виде увеличенных страховых платежей при страховке последующих запусков, а многие заказчики начинают отказываться от запуска своих спутников на ненадежных ракетах. Одним из средств, позволяющих повысить надежность продукции ракетно-космической отрасли, является неразрушающий контроль выпускаемых изделий.

Данный проект посвящен разработке и внедрению новой технологии голографических подповерхностных радиолокаторов как средства неразрушающего контроля диэлектрических изделий и покрытий.

Катастрофа космического челнока Space Shuttle Columbia произошедшая в 2003 году, а также еще несколько других инцидентов, которые, к счастью, не привели к столь же печальным последствиям, вызвали повышенный интерес к разработке новых методов и устройств для неразрушающего контроля криогенной теплоизоляции и теплозащиты различных элементов конструкции изделий ракетно-космической техники.

По мнению специалистов NASA, опубликованном в авторитетном издании Aviation Week & Space Technology, одной из причин, приведших к катастрофе, были дефекты в теплоизоляции внешнего топливного бака космического аппарата (КА). Эта теплоизоляция представляла собой слой пенополиуретановой пены (external tank insulation foam), толщиной 2.5–5.0 сантиметров, нанесенной на внешнюю поверхность бака для уменьшения выкипания криогенных компонентов топлива (жидких водорода и кислорода) на стартовом столе. При подготовке к старту, которая продолжалась несколько суток, влага из воздуха проникала в эти пустоты и из-за разницы температур конденсировалась в них. При взлете челнока с увеличением высоты полета происходило быстрое понижение внешнего давления, в результате чего вода, накопленная в полостях, взрывообразно вскипала, создавая повышенное давление в полости, что привело к отрыву слоя теплоизоляционной пены, которая набегающим потоком была отброшена вниз и вызвала повреждение ведущей кромки крыла спускаемого аппарата. При спуске с орбиты в атмосфере Земли через образовавшееся отверстие проникла плазма, которая привела к полному разрушению аппарата и гибели всего экипажа.

Плиточное теплозащитное покрытие возвращаемых аппаратов Space Shuttle и отечественного «Бурана», которое подвергается высоким механическим и особенно тепловым нагрузкам при спуске с орбиты, также является фактором риска при использовании КА многоразового действия. Известно, что после первого полета Space Shuttle 12 апреля 1981 года, который выполняла погибшая в катастрофе 2003 года Columbia, было потеряно 16 теплозащитных плиток и 148 плиток были повреждены. Аналогичные проблемы с более серьезными последствиями возникли после первого и единственного полета КА «Буран» 15 ноября 1988 года. Послеполетный осмотр показал как полное разрушение плиток теплозащиты, так и их частичное повреждение. В большинстве случаев это не приводило к заметным последствиям для конструкции КА. Однако серьезные последствия вызвало разрушение трех теплозащитных плиток непосредственно за 21-й секцией носка крыла. Здесь из-за более высоких тепловых нагрузок произошло разрушение несущей конструкции, и через образовавшийся проем были видны нервюры крыла. Потенциально, такого рода разрушения могли бы привести к повторению катастрофы, которая случилась со Space Shuttle Columbia.

В Лаборатории дистанционного зондирования МГТУ им. Н. Э. Баумана разрабатывается принципиально новая технология голографических подповерхностных радиолокаторов, не имеющая аналогов в мире. За разработку основ данной технологии и запуск на ее базе в производство голографических подповерхностных радиолокаторов типа «Раскан» сотрудникам лаборатории была присуждена премия правительства РФ в области науки и техники. Конструкция приборов защищена несколькими патентами РФ, а сами приборы поставляются как отечественным потребителям, так и во многие страны мира. Основное назначение радиолокаторов «Раскан» — диагностика строительных конструкций. В связи с этим используемый частотный диапазон радиолокаторов, в зависимости от модификации, лежит в пределах от 1.6 до 6.8 ГГц http://www.rslab.ru/russian/product/. Дальнейшее повышение частоты нецелесообразно из-за нелинейного роста затухания радиоволн в строительных конструкциях и помех, возникающих при ручном сканировании.

Отметим, что в течение длительного времени считалось, что из-за ограничений, связанных с сильным поглощением в зондируемых средах, данный тип радиолокаторов вряд ли найдет сколько-нибудь заметное применение на практике. Однако разработка голографических подповерхностных радиолокаторов серии «Раскан», их серийное производство и достаточно широкое практическое применение показали, что при обследовании приповерхностных слоев зондируемой среды данный тип приборов обладает целым рядом преимуществ, в частности, высоким разрешением в плоскости зондирования. Принципиальным отличием теплозащитных и теплоизоляционных материалов, используемых в ракетно-космической технике, таких как полиуретановая пена или спеченное кварцевое волокно, является низкий уровень поглощения радиоволн различных диапазонов. Это позволяет использовать более высокий частотный диапазон для повышения пространственного разрешения и чувствительности к неоднородностям и дефектам. Еще одной особенностью при диагностике покрытий является то, что они, как правило, наклеены на металлическую поверхность космического аппарата, которая представляет собой идеальное зеркало для радиоволн. Это обстоятельство необходимо особенно учитывать при восстановлении зарегистрированных радиоголограмм.

Предварительные исследования показали, что частотный диапазон серийных радиолокаторов «Раскан» не обеспечивает необходимую чувствительность и разрешающую способность, необходимую для обнаружения типичных дефектов встречаемых в полиуретановых покрытиях. Требовалось повысить частотный диапазон и перейти от ручного сканирования к электромеханияескому. Был сконструирован экспериментальный стенд в составе векторного анализатора цепей Rohde & Schwarz ZVA 24 с рабочим диапазоном частот от 10 МГц до 24 ГГц, электромеханического сканера и набора антенн, работающих в различных диапазонах частот. Затем по согласованию с ФГУП «НПО «Техномаш» (Роскосмос) был разработан экспериментальный малогабаритный прибор с частотным диапазоном 22.6-26.4 ГГц, который позволил повысить чувствительность измерений и получить удовлетворительные результаты. Эксперименты по определению дефектов покрытий производились с образцами, предоставленными ФГУП «НПО «Техномаш», ФГУП «ГКНПЦ имени М. В. Хруничева», РКК «Энергия» и Vikram Sarabhai Space Centre, Индия.

При выполнении проекта был усовершенствован прибор с целью повышения его чувствительности и обеспечения беспроводной связи с компьютером обработки информации, а также разработано новое матобеспечение, позволяющее автоматизировать процесс обработки регистрируемой информации и выявления дефектов конструкций.

Особое внимание уделяется проведению экспериментов на одинаковых образцах по выявлению дефектов различными методами: радиоголографическим, рентгеновским, ультразвуковым и инфракрасным. Это позволяет сравнить эффективность данных методов, выявить их преимущества и недостатки, и предпочтительные области применении. Исследуется возможность совместного использования различных методов диагностики для повышения вероятности обнаружения дефектов. Эта задача ранее не была рассмотрена.

Одной из задач проекта было исследование возможности обнаружения влаги, проникшей в композиционные конструкции, что может привести к их разрушению особенно при колебаниях температуры около нуля градусов Цельсия. Эта задача особенно актуальна при послеполетном осмотре многоразовых спускаемых аппаратов.

Работы выполняются совместно с Московским вертолетным заводом им. М.Л. Миля на образцах лопастей несущего винта вертолета. Отрабатывается технология водной интрузии в сотовую конструкцию лопасти.

Учитывая сложность возникающих задач, в выполнении проекта также участвуют коллеги из Болгарии, США и Италии.

Результатом проекта станет разработка компактного голографического подповерхностного радара, который может использоваться на реальных производственных линиях. Работы будут выполняться при содействии и консультациях с российскими предприятиями:

• ФГУП «НПО «Техномаш», Роскосмос
• Ракетно-космическая корпорация «ЭНЕРГИЯ» им. С.П. Королёва
• Московский вертолетный завод им. М.Л. Миля

Отдельно будет исследована возможность обследования пирамиды Хеопса, Египет, в радиодиапазоне с помощью разрабатываемых методов неразрушающего контроля. Эта задача стала актуальной после появления 2017 г. сообщений международной коллаборации о возможном обнаружении ранее неизвестных пустот в Великой пирамиде с помощью мюонных датчиков. Использование независимого метода, предложенного в проекте, позволит подтвердить или опровергнуть наличие неизвестных пустот в пирамиде.

Список публикаций, подготовленных в рамках проекта:

1. Бугаев А.С., Ивашов С.И., Разевиг В.В., Чиж М.А. Сравнение СВЧ-диагностики с другими методами неразрушающего контроля композиционных изделий // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 4–5. С. 19–38. DOI: 10.18127/j20700784-202004-02
2. V.V. Chapurskii, V.I. Kalinin, A.S. Bugaev, and V.V. Razevig, Method for Recirculation of Signals in the Problem of Observation of a Point Object above a Metal Surface // Technical Physics, 2019, Vol. 64, No. 8, pp. 1189–1193. DOI: 10.1134/S1063784219080048
3. В.В. Чапурский, В.И. Калинин, А.С. Бугаев, В.В. Разевиг, Метод рециркуляции сигналов в задаче наблюдения точечного объекта над металлической поверхностью // Журнал технической физики, том 89, №8, 2019, стр. 1265–1270. DOI: 10.21883/JTF.2019.08.47901.272-18
4. Vladimir Razevig, Sergey Ivashov, Margarita Chizh, Andrey Zhuravlev, Lorenzo Capineri, Influence of Electrical Properties of Media on Reconstruction of Microwave Holograms Recorded by a Subsurface Radar, 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2019), Tel-Aviv, Israel, 4-6 November 2019.
5. Lorenzo Capineri, Margarita Chizh, Andrey Zhuravlev, Vladimir Razevig, Sergey Ivashov, Pierluigi Falorni, Defects investigation in thermal insulation coatings with microwave imaging based on a 22 GHz holographic radar, NDT and E International 2019,109 (2020) 102191, pp. 1-8. DOI: 10.1016/j.ndteint.2019.102191, ISSN: 0963-8695
6. Margarita Chizh, Andrey Zhuravlev, Vladimir Razevig, and Sergey Ivashov, Detection of Water Inclusions in Honeycomb Composite Products by a Holographic Radar, 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2019), Tel-Aviv, Israel, 4-6 November 2019.
7. S. Ivashov, L. Capineri, T. Bechtel, V. Razevig, A. Zhuravlev, and P. Falorni, Use of holographic subsurface radar analysis in the preservation and restoration of cultural heritage objects, Surface Topography: Metrology and Properties, 2019, 7 045017, pp. 1-11. DOI: 10.1088/2051-672X/ab4fa2, ISSN 2051-672X
8. Sergey I. Ivashov, Vladimir V. Razevig, Andrey V. Zhuravlev, Timothy Bechtel, and Margarita A. Chizh, Comparison of Different NDT Methods in Diagnostics of Rocket Cryogenic Tanks Thermal Protection Coating, 2019 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2019), Tel-Aviv, Israel, 4-6 November 2019.
9. Sergey Ivashov, Andrey Zhuravlev, Vladimir Razevig, Margarita Chizh, Timothy Bechtel, Lorenzo Capineri, Binu Thomas, "Frequency Influence in Microwave Subsurface Holography for Composite Materials Testing," Proceedings of the 17th International Conference on Ground Penetrating Radar, GPR 2018, Rapperswil, Switzerland, June 18–21, 2018, pp. 98-103. DOI: 10.1109/ICGPR.2018.8441592
10. С.И. Ивашов, А.С. Бугаев, А.В. Журавлев, В.В. Разевиг, М.А. Чиж, А.И. Ивашов, Использование методов голографической подповерхностной радиолокации для неразрушающего контроля диэлектрических конструкций, Журнал технической физики. №2, том 88, 2018, стр. 268-275. ISSN: 1063-7842, DOI: 10.21883/JTF.2018.02.45420.2330
11. S. I. Ivashov, A. S. Bugaev, A. V. Zhuravlev, V. V. Razevig, M. A. Chizh, and A. I. Ivashov, Holographic Subsurface Radar Technique for Nondestructive Testing of Dielectric Structures, Technical Physics, 2018, Vol. 63, No. 2, pp. 260-267. ISSN: 1063-7842 (Print), 1090-6525 (Online), DOI: 10.1134/S1063784218020184
12. Andrey Zhuravlev, Vladimir Razevig, Margarita Chizh, and Sergey Ivashov, Non-Destructive Testing of Foam Insulation by Holographic Subsurface Radar, 9th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar, IWAGPR 2017, Edinburgh, UK, 28-30 June 2017, DOI: 10.1109/IWAGPR.2017.7996087
13. С. И. Ивашов, М. А. Чиж, А. В. Журавлев, В. В. Разевиг, А. А. Мильяченко, А. В. Кологов, Выбор частоты при СВЧ диагностике композиционных изделий с помощью голографических радиолокаторов, Контроль. Диагностика. №1, 2017, стр. 16-23. DOI: 10.14489/td.2017.01.pp.016-023
14. L. Capineri, P. Falorni , T. Becthel, S. Ivashov , V. Razevig and A. Zhuravlev, Water detection in thermal insulating materials by high resolution imaging with holographic radar, Measurement Science and Technology, Special Issue, Vol. 28, No. 1, 2017, pp. 1-6. doi:10.1088/1361-6501/28/1/014008
    (PDF, 1.7 Mb)
15. Margarita A. Chizh, Andrey V. Zhuravlev, Vladimir V. Razevig, and Sergey I. Ivashov, Experimental validation of sparse sensing technique in subsurface microwave holography, Proceedings of Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2016), Shanghai, China, 8-11 August, 2016.
    (PDF, 1.5 Mb)
16. S. Ivashov, A. Zhuravlev, M. Chizh, and V. Razevig, High Resolution MW Holographic System for NDT of Dielectric Materials and Details, Proceedings of the 16th International Conference of Ground Penetrating Radar 2016, Session # 9.5 Material properties, Hong Kong, Polytechnic University, 13-16 June 2016.
    (PDF, 300 Kb)
17. A. Zhuravlev, V. Razevig, M. Chizh, S. Ivashov, and A. Bugaev, Non-destructive Testing at Microwaves Using a Vector Network Analyzer and a Two-coordinate Mechanical Scanner, Proceedings of the 16th International Conference of Ground Penetrating Radar 2016, Session 4D System and Antenna Design, Hong Kong, Polytechnic University, 13-16 June 2016.
    (PDF, 600 Kb)
18. Sergey I. Ivashov, Vladimir V. Razevig, Timothy D. Bechtel, Igor A. Vasiliev, Lorenzo Capineri, and Andrey V. Zhuravlev, Microwave Holography for NDT of Dielectric Structures, Proceedings of the IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2015), Tel-Aviv, Israel, 2-4 November 2015, 978-1-4799-7473-3/15/$31.00 ©2015 IEEE, DOI: 10.1109/COMCAS.2015.7360372
    (PDF, 600 Kb)

19. Andrey V. Zhuravlev, Vladimir V. Razevig, Sergey I. Ivashov, and Alexander S. Bugaev, Experimental Comparison of Multi-Static and Mono-Static Antenna Arrays for Subsurface Radar Imaging, Proceedings of the IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS 2015), Tel-Aviv, Israel, 2-4 November 2015, pp. 1-4, 978-1-4799-7473-3/15/$31.00 ©2015 IEEE. DOI: 10.1109/COMCAS.2015.7360380
    (PDF, 2.3 Mb)

20. S. Ivashov, V. Razevig, I. Vasiliev, T. Bechtel, L. Capineri, Holographic subsurface radar for diagnostics of cryogenic fuel tank thermal insulation of space vehicles, NDT & E International, Vol. 69, January 2015, Pages 48-54.
    (PDF, 2 Mb)

21. С.И. Ивашов, В.В. Разевиг, И.А. Васильев, B.C. Шитиков, Диагностика теплозащитных покрытий изделий ракетно-космической техники с помощью голографического подповерхностного радиолокатора «РАСКАН-5», Контроль. Диагностика. 2014, №12, стр. 52-61.
    (PDF, 700 Kb)
    
22. S. Ivashov's presentation at the IEEE COMCAS 2015, Tel Aviv, Israel, 2-4 November, 2015, Holographic Subsurface Radar for NDT Diagnostics in Aerospace Industry.
    (PPT, 22 Mb)
    
23. T. Lu, C. Snapp, T.-H. Chao, A. Thakoor, T. Bechtel, S. Ivashov, I. Vasiliev. Evaluation of holographic subsurface radar for NDE of space shuttle thermal protection tiles, Sensors and Systems for Space Applications. Proceedings of SPIE, Volume 6555, 2007.
24. S.I. Ivashov, I.A. Vasiliev, T.D. Bechtel, C. Snapp, Comparison between Impulse and Holographic Subsurface Radar for NDT of Space Vehicle Structural Materials, Progress in Electromagnetics Research Symposium 2007, Beijing, China, March 26-30, 2007, pp. 1816-1819.
25. Экспериментальный стенд для неразрушающего контроля и диагностики диэлектрических материалов и конструкций.