Разработка функционального ряда наносистем, управляющих наносхем и устройств на их основе для применения на борту КА и смка

Дата: 2025-05-01; Просмотры: 1

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

УДК.546.28

РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОГО РЯДА НАНОСИСТЕМ, УПРАВЛЯЮЩИХ НАНОСХЕМ И УСТРОЙСТВ НА ИХ ОСНОВЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ НА БОРТУ КА И СМКА

Дубовой А.Н., Пушкарский С.В.¹⁾, Егоров С.Д., Мазур С.Н., Пустовалов Е.В., Плеханов С.И., Соколова Ж.В., Степанов М.В. ²⁾ ,

1) «НИИ КС имени А.А.Максимова» - филиал ФГУП «ГКНПЦ им. М.В.Хруничева», 2) Центр инновационных технологий (ЦИТ) ОАО «НПП «Квант»

В настоящее время одной из актуальных проблем, сдерживающих развитие ракетно-космической техники, является невозможность дальнейшего снижения габаритно-массовых характеристик изделий, создаваемых с использованием традиционных материалов и технологий. Одним из возможных путей минимизации габаритно-массовых характеристик КА является создание новых облегченных наносистем, управляющих наносхем и устройств, а также материалов и покрытий с заданными характеристиками на основе нанотехнологий.

Анализ показал, что применение на борту КА элементной базы, материалов и устройств, созданных на основе нанотехнологий, может привести к следующему:

· снижению энергопотребления КА и СМКА;

· уменьшению габаритно-массовых характеристик КА и СМКА;

· повышению эффективности использования бортовой аппаратуры для видеонаблюдения, ДЗЗ (дистанционное зондирование Земли), связи и ретрансляции, локации – определения дальности и скорости других КА и СМКА, ориентации и астронавигации;

· повышению производительности бортовых компьютеров для решения в режиме реального времени (РРВ) задач обнаружения объектов, определения дальности до объектов, идентификации объектов, целеуказания;

· повышению КПД энергогенерации солнечных батарей;

· повышению энергоёмкомкости аккумуляторов;

· повышению надёжности, общей живучести и срока активного существования КА и СМКА и их аппаратуры и систем.

В рамках работ над технологией создания датчиковой аппаратуры, элементной базы, материалов и покрытий с заданными характеристиками на основе нанотехнологий в ЦИТ ОАО «НПП «Квант» разрабатывается многокластерная нанотехнологическая установка (МКНТУ) на которой планируется разработка ряда функциональных наносистем, управляющих информационных наносхем и устройств на их основе для применения на борту КА и СМКА. Наличие в МКНТУ модуля «Суперкомпьютер», являющегося массивно параллельным вычислителем (NVIDIA Tesla S1070×2: 960×2=1920 CUDA-kernel, 64-х разрядные загрузочные серверы на базе 2×Intel Xeon E5520, RAM 2×36GB, 64-bit Red Hat Enterprise Linux Server 5.5/6.0, GNOME, GCC, GTK+, CUDA), позволит при изготовлении тестовых образцов функциональных наносистем, управляющих информационных наносхем и устройств на их основе проводить оптимизацию их электрофизических, квантовомеханических, термодинамических и топологических параметров.

На МКНТУ планируется разработка, изготовление и исследование следующих тестовых образцов функциональных наносистем, управляющих информационных наносхем и устройств на их основе.

1. Разработка на базе наноантенн и 2D градиентных концентраторов (2D ГК) функциональных рядов 2D/3D матриц широкополосных фотоэлектронных наноэлементов и функциональных наносистем на их основе для радиотехнического детектирования электромагнитных волн оптического диапазона (УФ, видимый, ИК: 0,1—30,0 мкм; 2,997×10¹⁵—0,999×10¹⁵ Гц) на борту КА и СМКА для средств широкодиапазонного видеонаблюдения целевой обстановки. Функциональные наносистемы включают встроенные распределённые средства первичной аналогово-цифровой обработки и фильтрации динамичных 1D сигналов и 2D изображений (рис.1—4).

2. Разработка на базе наноантенн и 2D ГК функциональных рядов 2D/3D матриц широкополосных оптоэлектронных наноэлементов и функциональных наносистем на их основе для радиотехнического детектирования и излучения (монохроматического когерентного и/или в заданном диапазоне) электромагнитных волн оптического диапазона на борту КА и СМКА для средств широкополосной помехоустойчивой оптической связи и ретрансляции. Функциональные наносистемы включают встроенные распределённые средства первичной аналогово-цифровой обработки и формирования динамичных 1D сигналов и 2D изображений (рис.1—4).

3. Разработка на базе наноантенн и 2D ГК функциональных рядов 2D/3D матриц широкополосных оптоэлектронных наноэлементов и функциональных наносистем на их основе для радиотехнического излучения (монохроматического когерентного и/или в заданном диапазоне) и детектирования электромагнитных волн оптического диапазона на борту КА и СМКА для средств локации целей. Функциональные наносистемы включают встроенные распределённые средства первичной аналогово-цифровой формирования динамичных локационных сканирующих 1D сигналов и обработки сигналов отклика (2D изображений) от целей (рис.1—4).

4. Разработка на базе наноантенн и 2D ГК функциональных рядов 2D/3D матриц широкополосных мультиспектральных фотоэлектронных наноэлементов и функциональных наносистем на их основе для радиотехнического детектирования электромагнитных волн оптического диапазона на борту КА и СМКА для генерации электроэнергии с КПД η≈40—60%, удельной мощностью P≈400—600 Вт/м², удельной массой к единице мощности m≈0,5 г/Вт (рис.1—4).

5. Разработка функциональных рядов аккумуляторов с развитой площадью внутренней поверхности на базе наноструктур массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ), в том числе, суперконденсаторов и топливных элементов, и функциональных наносистем на их основе для накопления, хранения и обеспечения расходования электроэнергии бортовыми системами и агрегатами КА и СМКА. Распределенная система размещения аккумуляторов на базе УНТ позволит размещать их рядом с потребителями электроэнергии – функциональными наносистемами и управляющими информационными наносхемами, обеспечивая максимально возможный уровень живучести и устойчивости к сбоям (рис.6, рис.7).

6. Разработка на базе квантовых клеточных автоматов (ККА: QCA – quantum cellular automata) функциональных рядов встраиваемых в бортовые системы и агрегаты КА и СМКА управляющих информационных бестранзисторных наносхем аналогово-цифровой обработки информации для адаптивного распределённого управления бортовым оборудованием. Управляющие информационные наносхемы аппаратно реализуют однородные вычислительные среды с максимально возможным уровнем живучести и устойчивости к сбоям и поражениям (рис.5).

В ходе выполнения НИОКР на МКНТУ должны быть получены следующие результаты.

1. Разработаны 2D/3D топологии наноантенных систем для радиотехнического детектирования электромагнитных волн оптического диапазона. Функциональные наносистемы включают встроенные распределённые средства первичной аналогово-цифровой обработки и фильтрации динамичных 1D сигналов и 2D изображений и обеспечивают (рис.1—4):

• инвариантность к уровню принимаемого 2D сигнала (освещенности) за счёт рецептивных полей;
• выполнение операции 2D дифференцирования для выделения контуров на принимаемом 2D сигнале (изображении) для сжатия информации;
• выполнение операции обработки пакета кадров для выделения движущихся целей в заданном диапазоне скоростей относительно скорости КА и СМКА – фильтр новизны – нелинейное (с насыщением) усиление различающихся элементов 2D кадров с подавлением совпадающих элементов 2D кадров;
• выполнение операции селекции целей по спектральным характеристикам их излучения;
• выполнение операции оценки расстоянии до цели методами синтезированной апертуры.

2. Разработаны 2D/3D топологии наноантенных систем для радиотехнического детектирования и излучения электромагнитных волн оптического диапазона. Функциональные наносистемы включают встроенные распределённые средства первичной аналогово-цифровой обработки и формирования динамичных 1D сигналов (рис.1—4) и обеспечивают:

• частотное уплотнение ЧМ-каналов для малоканальных систем связи;
• временное уплотнение КИМ-каналов для многоканальных систем связи;
• скорость передачи двоичных данных до 0,5×10¹⁰ бит/с = 5Гбод;
• помехоустойчивое корректирующее кодирование передаваемых, получаемых и ретранслируемых 1D сигналов.

3. Разработаны 2D/3D топологии наноантенных систем для радиотехнического детектирования электромагнитных волн оптического диапазона и прямого преобразования их энергии в электрический ток (рис.1—4), обеспечивающие следующие характеристики:

• КПД η≈40—60%.%,
• удельная мощностью P≈400—600 Вт/м²,
• удельная масса к единице мощности m≈0,5 г/Вт.

Рис.1. Пример 2D решётка наноантенн, напечатанная золотом (Au) и показанная сканирующим электронным микроскопом (СЭМ). Распределительный провод – толщиной примерно тысяча атомов. Гибкая панель наноантенн может заменить тяжелые, дорогие солнечные панели (Idaho National Laboratory, https://inlportal.inl.gov/, www.inl.gov/pdfs/nantenna.pdf; MicroContinuum Inc, University of Missouri).

Рис.2. 2D матрица широкополосного ФП на базе наноантенн и диодного моста из 2D ГК.

Рис.3. 2D матрица сверхширокополосного ФП на базе наноантенн и диодного моста из 2D ГК.

Рис.4. Итерационное численное решение уравнения Шрёдингера – решение 2D барьерной задачи определения вероятности туннелирования электрона, описываемого Гауссовым волновым пакетом ψ-функции, через барьер с 2D топологией типа «остриё—антиостриё».

Рис.5. Численное решение 2D стационарного уравнения Шрёдингера. Большие подробные диалоговые панели. 2D топология библиотечного элемента 8-ми битной памяти. Показан график энергии ошибки нейронной сети, графический и численный результат расчетов текущих значений поляризаций ККА на основе нейронной сети, которая аппроксимирует динамическое поведение проектируемой наносхемы на основе ККА (QCA). Это поведение – текущее значение поляризации каждого ККА, определяется электростатическим взаимодействием каждого отдельного ККА со всеми другими ККА – Кулоновской блокадой. Электростатическое взаимодействие сильно зависит от расстояния между отдельными ККА – резко убывает с ростом расстояния в соответствии с законом Кулона. Стабильное состояние поляризации ККА в наносхеме, аппроксимируемое эквивалентной сходящейся нейронной сетью, полностью определяется 2D/3D топологией наносхемы и законом Кулона, примененным к топологии электростатически взаимодействующих ККА (QCA).

Рис.6. Пример селективного роста массивов вертикально ориентированных УНТ при применении летучего катализатора для суперконденсаторов на борту КА и СМКА (МИЭТ).

Рис.7. Пример селективного роста массивов вертикально ориентированных УНТ при применении локализованного катализатора для суперконденсаторов на борту КА и СМКА (МИЭТ).