Радіолокаційні станції (РЛС) сьогодні дуже потрібні нашій країні. З допомогою РЛС можна провести геологічну розвідку, отримати зображення земної поверхні, оцінити масштаби природної катастрофи та виконати багато інших важливих завдань. В ідеалі вони повинні «бачити» якнайдалі і найдетальніше.
Для того, щоб РЛС «бачила» якнайдалі, її сигнал має бути дуже потужним. Але при посиленні сигналу випромінювання нагріваються напівпровідникові мікросхеми приймально-передавальних модулів. Це призводить до погіршення їхніх робочих характеристик, зниження надійності та терміну використання.
Для зниження температури мікросхем використовують повітряні або рідинні системи охолодження. Повітряні системи простіші, але не надто ефективні, рідинні значно дорожчі, але можуть протікати.
Виходить дилема: потужність приймально-передавальних модулів потрібно значно збільшити, але в конструкціях, які вже існують, зробити це неможливо. Як же охолодити модулі?
Розв’язати цю проблему вирішили науковці НТУУ «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського». За кошти грантового фінансування Національного фонду досліджень України вчені виконують проєкт «Розвиток теплофізичних та конструктивно-технологічних основ підвищення ефективності охолодження приймально-передавальних модулів радіолокаційних станцій».
– Ми вирішили створити нову ефективну систему повітряного охолодження, для підвищення ефективності якої не потрібно додаткових витрат електроенергії. Важливо, щоб цю систему можна було легко «вмонтувати» у станції, які вже працюють, а виготовлення коштувало відносно недорого – розповів керівник проєкту, провідний науковий співробітник університету Юрій Ніколаєнко. – І нам вдалося! Ми придумали систему охолодження, у якій, образно кажучи, «працюють» сили природи.
Як же працює нова система?
Вчений пояснив, що «секрет» – у застосуванні нової конструкції пласкої гравітаційної теплової труби. Цю трубочку можна легко вмонтувати в основу радіатора, під мікросхемами.
Конструкція «класичної» теплової труби була винайдена ще в минулому столітті. Її внутрішня поверхня покрита капілярно-пористою структурою, а пори просочені рідиною. «Теплова труба – це герметична замкнена випаровувально-конденсаційна система. Якщо нагріти її з одного кінця, то рідина випаровується, поглинає підведену теплоту, яка швидко передається по всій поверхні та довжині труби. Потім сконденсована рідина з прохолоднішої частини по капілярам знову повертається в зону нагріву», – пояснив співрозмовник.
Капілярно-пористу структуру за кордоном виготовляють, як правило, з дрібнопористого спеченого металевого порошку. Важливо, що капілярно-пориста структура дозволяє збільшити кількість центрів утворення парових бульбашок та інтенсифікувати процес кипіння.
– У Київській політехніці ще в 70-х роках минулого століття під керівництвом професора Михайла Григоровича Семени створили власну капілярно-пористу структуру зі спечених волокон металевої повсті, – продовжив розповідь науковець. – Мідні волокна діаметром 50 мікронів і довжиною в три міліметри спікали у тоненький шар. Потім цей шар припікався до внутрішньої поверхні мідної трубочки.
Винахід був чудовий, але складний у виготовленні. Щоб «спекти» з мідних волокон чи порошків капілярну структуру, потрібна спеціальна піч з температурою близько тисячі градусів та відновним або захисним середовищем всередині (воднем, вакуумом або азотом)…
Ідея створити просту й ефективну теплову трубу з’явилася, коли науковець вивчав нові закордонні публікації про особливості побудови РЛС та систем охолодження. «Звернув увагу на нахилені полотна антенних решіток і подумав: а якщо відмовитися від спеченої капілярно-пористої структури на внутрішній поверхні труби? Якщо конденсат, який утворюється в прохолоднішій частині, стікатиме вниз за допомогою гравітації? Для того ж, щоб у зоні нагріву легко утворювалися бульбашки кипіння, можна створити різьбову капілярну структуру», – згадує науковець.
Створити нову плоску теплову трубу з різьбовою структурою науковці встигли до початку повномасштабного вторгнення.
– Виготовити таку структуру дуже просто, 5 хвилин – і готово. Для виготовлення теплової труби з різьбовою структурою беремо мідну трубку діаметром 12 міліметрів, всередині з одного кінця нарізаємо різьбу з дрібним кроком, від 0,2 мм до 0,5 мм, – пояснює Юрій Ніколаєнко. – Запаюємо кінці, вакуумуємо, наповнюємо трубку теплоносієм, герметизуємо заправну трубочку і сплюскуємо. Потім монтуємо пласкі теплові труби в основу радіатора модуля РЛС. Антена станції в робочому положенні нахилена, тому більш прохолодна частина теплової труби знаходиться вище зони нагріву. Конденсат стікає сам!
Завдяки цій ідеї нові теплові труби в рази дешевші за «класичні», а потужність мікросхем – зростає.
Нову систему охолодження вже запатентовано. Науковці отримали патент України на винахід, що означає, що розробка має світову новизну, та два патенти на корисні моделі.
Оціночні підрахунки ефективності винаходу показали, що якщо в РЛС встановлено тисячу модулів, то економія на одній станції складе в Україні 663 тисячі гривен (за довоєнними цінами). В Німеччині вдасться зекономити 171 тисячу євро, в США – 122 тисячі доларів. Економії вдасться досягти за рахунок того, що не потрібно багато годин «спікати» капілярно-пористі структури у високотемпературних печах, купувати дорогі матеріали тощо. Для виготовлення різьбової структури витрачається лише електроенергія, потрібна для токарного станка. На виготовлені тисячі модулів можна зекономити 28 400 кВт⋅год електроенергії.
У 2023 році команда ставить перед собою завдання дослідити теплові характеристики нової системи охолодження. А також – випробувати ще простіші пульсаційні теплові труби. Після закінчення роботи науковці планують передати результати досліджень зацікавленим підприємствам для впровадження винаходу у виробництво.
За час виконання проєкту надруковано три статті у авторитетних закордонних журналах першого і другого квартилів (Q1 і Q2), ще дві знаходяться на рецензуванні. У 2022 році вчені представили свою розробку на Міжнародній науково-технічній конференції з електроніки «ELNANO-2022».
Команда виконавців складається з двох провідних і п’яти молодих учених. Усі вони, попри війну, працюють в Києві.
– Під час роботи в проєкті молоді науковці отримали блискучі результати, які знадобилися їм для наукового професійного зростання, – підсумовує Юрій Ніколаєнко. – А найважливіше – вони зрозуміли, що можуть робити важливу справу і отримувати за це гідну нагороду, за що ми щиро вдячні Національному фонду досліджень України.
Інтерв’ю підготувала Світлана ГАЛАТА
