Главная Pentagonus Регистрация

Вход




Приветствую Вас Гость | RSS Суббота, 10.12.2016, 21:35
Ключевые слова
П. Выборнов, НИОКР

Ключевой партнёр
Академия военных наук РФ
Академия военных наук РФ

Категории каталога
Структура и организация [233]
Боевые операции [67]
Личный состав [122]
Вооружение [213]
Законы, Уставы [52]
Подготовка [150]
НИОКР [133]
Техническое обеспечение [200]
Форма, знаки различия, награды [20]
Кадры [14]
Информационное противоборство [78]
Тактика и стратегия [148]
ЗВО [1]
ТТХ [9]
ВУС [11]

Поиск


Наш опрос
Who is more wise President of the United States?
Всего ответов: 407
Статистика

Rambler's Top100

Онлайн всего: 8
Гостей: 8
Пользователей: 0

Top secret


Translate.Ru PROMT©
Главная » Статьи » Армия (Сухопутные войска) » НИОКР

Современное состояние нанотехнологической программы МО США

Современное состояние нанотехнологической программы МО США

П. Выборнов

Министерство обороны США уже довольно продолжительное время проводит научные исследования в области нанотехнологий, которые в настоящее время находят применение при создании вооружения. В середине 1990-х годов военное ведомство включило нанотехнологий в список шести стратегических областей фундаментальных исследований, что предопределило стабильное финансирование данной научной области на долгосрочный период.
В соответствии с Актом нанотехнологических исследований и разработок XXI века (общественный закон 108-153) национальный научно-технологический совет подготовил стратегический план для федеральной программы НИОКР в области нанотехнологий. Согласно ему подкомитет по нанонауке и технике (NSET) совета при непосредственном участии представителей МО в декабре 2004 года составил обновленный стратегический план национальной нанотехнологической инициативы (ННИ)*, рассчитанный на период до 2015 года. Предусматривается финансирование следующих семи областей исследований, или программных подразделов:
- фундаментальные нанометрические явления и процессы;
- наноматериалы;
- нанометрические устройства и системы;
- исследование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехнологические стандарты;
- производство наноизделий;
- создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры;
- общественные аспекты.
Финансирование работ в области нанотехнологий в министерстве обороны возложено на управление перспективных исследований МО США (DARPA), министерств ВВС, СВ и ВМС. В процессе распределения финансовых средств участвует
управление МО по снижению угроз совместно с командованием медицинских исследований и материалов министерства сухопутных войск.
В табл. 1 представлены объемы финансирования в период, с 2006 по 2008 год по каждому из семи программных подразделов.
Бюджет МО по нанотехнологиям в 2007 году включает увеличенные на 21 млн долларов расходы на НИОКР в области перспективного литографического оборудования, необходимого для мелкосерийного производства быстродействующих специализированных интегральных схем, наноэлектромеханических систем (НЭМС-технология) и нанофотонных устройств (шестой программный подраздел).
В табл. 2 приведено распределение бюджета нанотехнологических программ МО по категориям НИОКР 6-й главной программы МО США.
В табл. 3 дается распределение бюджетных средств по министерствам и управлениям МО.
Следует отметить, что нанотехнологические программы МО отличаются от программ других федеральных ведомств тем, что работы по ним фокусируются одновременно как на достижении экстремальных технических характеристик, так и на оценке их потенциальной значимости для МО. Общей технической целью этих программ является выработка базы знаний и способности управлять процессами по объектам, размер которых находится в диапазоне 1-100 нм, где физические, химические и биологические свойства могут иметь существенные отличия от свойств отдельных атомов, молекул или макроколичеств вещества в целом. Общая цель программ, представляющих значимость для МО, заключается в изучении и использовании явлений, возникающих в данном масштабе величин, для создания новых технических средств, совершенствующих боевые возможности вооружения.

Таблица 1 Инвестиции в нанотехнологии по программным подразделам млн долларов
Название подраздела 2006 г. (выделенные средства) 2007 г. (оценка) 2008 г. (запрос)
Фундаментальные нанометрические явления и процессы 184,597 180,998 179,124
Наноматериалы 109,709 84,776 91,683
Нанометрические устройства и системы 110,447 107,535 70,638
Исследование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехнологические стандарты 10,772 9,513 8,259
Производство наноизделий 3,120 4,839 1
Создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры 4,313 28,606 22,978
Общественные аспекты 1 1 1
Всего 423,958 417,267 374,682


Ниже представлены характерные долгосрочные задачи и программные цели для каждого из семи программных подразделов.
Долгосрочными задачами нанонаучных исследований (ННИ) в рамках программного подраздела «Фундаментальные нанометрические явления и процессы» являются:
- разработка базы фундаментальных знаний по новым явлениям физического, биологического и технического характера, которые возникают на нанометрическом уровне, а также объяснение научных и технических принципов, касающихся наноструктур, нанопроцессов и наномеханизмов.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- изучение новых явлений и процессов, которые позволят совершить качественный прорыв в области повышения боевых возможностей вооружения;
- разработка воспроизводимых методов синтеза, определения параметров и сборки отдельных наноструктур;
- изучение возможностей применения наноструктур для катализа, в очистителях, средствах маркировки, сенсорах, термоэлектрике, термоионике и фотоэлектрической энергетике.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- обнаружен новый вид клеточной неста-
бильности при использовании алюминиевых наночастиц в наноэнергетике;
- продемонстрирована токовая спиновая поляризация при комнатной температуре для применения в наноэлектронике;
-разработаны новые однослойные самособранные мономолекулярные слои и продемонстрирована их эффективность при пассивировании реактивных наночастиц для применения в наноэнергетике;
- получены соединения двух квантовых точек арсенида индия (InAs, которые в отдельности ведут себя как псевдоатомы) для формирования «молекулы» квантовых точек с рядом оптически доступных основных и возбужденных состояний для применения в наноэлектронике, в том числе в средствах распознавания.
К числу долгосрочных задач ННИ в рамках программного подраздела «Наноматериалы» относятся следующие:
- выявление новейших наноматериалов и наноструктур;
- разработка всеобъемлющей базы знаний о свойствах наноматериалов (с варьированием по масштабу длин и с учетом взаимодействия границ раздела);
- обеспечение возможности конструирования и управляемого синтеза нано-структурных материалов с требуемыми свойствами.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- разработка методов синтеза прецизионных наноструктур, предназначенных для обеспечения управления характеристиками переноса квантов в устройствах, использующих наноструктурные материалы;
- использование биологических процессов для малозатратного синтеза и шаблонирования образованных структур;
- контроль и использование взаимодействия между синтетическими и при-
родными (биологическими) материалами;
- разработка нанометрической архитектуры для улучшения характера протекания процесса локальной диффузии, кинетики реакции, совершенствования оптических и электрических свойств.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- разработаны оптоэлектронные волокна с нанометрическими структурными признаками, а также продемонстрировано их применение для обнаружения света и тепла в любом осевом положении;
- осуществлено присоединение биомолекулярных рецепторов к нановолокнам с большой площадью поверхности для применения в многофункциональных волокнах и чувствительных элементах;
- произведен синтез нанокристаллических квантовых точек и продемонстрирована возможность обнаружения ими инфракрасного излучения без необходимости охлаждения ниже комнатной температуры;
- произведены синтез наномагнитных материалов и их демонстрация при высокочувствительном обнаружении и определении характеристик ДНК и контроле внутриклеточных биохимических сигнальных путей;
- изготовлены наноструктурные материалы с электрооптическими коэффициентами более 450 пм/В;
- разработаны наномагнитные и трехмерные тканевые структуры с нанопроволокой.
Отмечается, что особую роль при достижении целей данного подраздела играет созданный на базе Массачусетского технологического института институт военно-прикладных нанотехнологий. Институт занимается разработкой экипировки и вооружения в рамках семи проектов, каждый из которых посвящен повышению возможностей «солдата будущего». Среди первых опытных образцов, созданных в рамках одного из проектов, следует выделить боевой бронежилет толщиной несколько миллиметров. Такая «динами-
ческая броня» будет содержать сложные наномолекулярные соединения, и в результате этого новая форма будет одновременно совмещать в себе бронежилет, а также экзоскелет и универсальное медицинское оборудование. Датчики, встроенные в форму, позволят определять все жизненно важные параметры военнослужащего (пульс, температуру тела, кровяное давление и др.), а данные об его общем состоянии будут выводиться как на нашлемную или нарукавную систему отображения, так и в портативный компьютер, который будет принимать решения о трансформации костюма в экзоскелет или броню независимо от солдата. Полимерные наноактюаторы, встроенные в форму, по сигналу от компьютера призваны упрочнять или смягчать его определенные участки.

Таблица 2 распределение бюджета нанотехнологических программ МО по категориям НИОКР 6-1 главной программы МО США млн долларов
Категория НИОКР 2006 г. (выделенные средства) 2007 г. (оценка) 2008 г. (запрос)
6.1. Фундаментальные исследования 199,781 211,064 197,245
6.2. Прикладные исследования 191,574 152,817 125,384
6.3. Демонстрация перспективных технологий 32,603 53,386 52,053
Всего 423,958 417,267 374,682
Таблица 3 Распределение бюджетных средств по министерствам и управлениям МО млн долларов
Министерство / управление МО 2006 г. (выделенные средства) 2007 г. (оценка) 2008 г. (запрос)
СВ США 64,012 66,984 34,136
ВМС США 45,46 45,188 27,14
ВВС США 89,907 70,855 63,817
DARPA 195,377 219,32 212,458
Аппарат начальника управления военных НИОКР 5,8 5 7,2
Химическая и биологическая программа МО 19,882 9,65 29,801
Агентство ПРО 3,52 0,27 0,13
Всего 423,958 417,267 374,682

Для повышения жесткости костюма к нановолокнам добавляются наночастицы, которые соединяются между собой и упрочняют общую структуру. Кроме того, добавление различных наночастиц к нановолокнам позволит изменить электропроводность. Таким образом, существует возможность создания отдельных проводящих участков костюма, обеспечивающих связь расположенных внутри него сенсоров с управляющей системой и передачу энергии к наноактюаторам экзоскелета.
Новые материалы на основе нескольких полимеров позволят защитить военнослужащего от пуль и осколков. В настоящее время ведутся разработки в направлении создания энергопоглощающих полимеров на основе жидких кристаллов.
Ключевыми материалами для перспективного костюма военнослужащего будут нановолокна на основе полиуретана, а также нанополимеры (рис. 1).
Кроме того, ведутся НИОКР в области создания нанокерамических материалов, которые могут применяться в приводных валах, телескопических перископах и др. В частности, при использовании наноструктур из карбида кремния удалось в 3 раза повысить жесткость материалов по сравнению с обычными изделиями из этого материала. На их основе выпускаются различные покрытия, в частности NanoTuf, которое состоит из наночастиц в растворе и в несколько раз увеличивает прочность пластика. На рис. 2 приведен пример защитного стекла для шлема военнослужащего с данным покрытием.
Долгосрочными задачами
ННИ в рамках программного подраздела «Нанометрические устройства и системы» являются:
- применение принципов нанонауки и нанотехники для создания новейших или улучшения существующих устройств и систем;
- внедрение нанометрических и наноструктурных материалов для повышения рабочих характеристик либо получения новых функциональных возможностей (при этом размеры самих систем или устройств не ограничиваются).
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- использование прорывов в нанотехнологиях в ходе НИОКР по созданию революционных устройств и систем для повышения боевых возможностей военнослужащих и систем ВВТ;
- определение механизмов функционирования элементов в наномасштабе при их применении в источниках энергии (батареях со сниженными током разряда и повышенной плотностью энергии, конденсаторах), катализаторах топливных элементов и электродных структурах;
- подключение подразделений прикладных исследований и разработок МО для ускорения внедрения научных открытий в ключевые военные технологии;
- работа по изучению возможностей и координации технических требований к перспективному вооружению между специалистами управления НИОКР министерства обороны и видов ВС.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- разработан новейший детектор посредством введения туннельного перехода в детектор квантовых точек, у которого в результате проверки выявлена способность
выборочно понижать шумовой ток при значительном повышении соотношения «сигнал/шум»;
- проведена демонстрация структурированной струйной печати нанокомпозиционных фотогальванических кристаллов на плоской подложке для изготовления двухцветных фотогальванических элементов;
- разработаны нанопористые кристаллические матрицы для стабилизации и опознавания белковых ионных каналов и их демонстрации при обнаружении передающихся через воду токсинов;
- изготовлен органический светодиод наименьших размеров посредством заполнения канала диаметром 60 нм и глубиной 100 нм светоизлучающим (электролюминесцентным) полимером;
- разработаны механические резонаторы с наивысшей добротностью на основе нанокристаллического алмаза.
Долгосрочными задачами ННИ в рамках программного подраздела «Исследование контрольно-измерительных приборов, метрология и нанотехнологические стандарты» являются:
- разработка инструментальных средств, необходимых для усовершенствования методов модернизации нанотехнологических исследований и промышленного внедрения, включая инструментальные средства нового поколения для определения параметров, проведения измерений и синтеза, разработки материалов, структур, устройств и систем;
- выработка стандартов, в том числе по номенклатуре, материалам, определению параметров и контролю, производству.

Рис 1. Материалы, построенные на основе нанополимеров
Рис 2. Образец пуленепробиваемого стекла с покрытием NanoTuf
Рис. 3. Принцип действия перьевой нанолитографии
Рис 4. Модель LEAP-микроскопа с атомным зондом

К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- разработка передовых инструментальных средств нового поколения для создания перспективных нанотехнологических материалов и устройств;
- распространение магнитно-силовой микроскопии наночастиц;
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- произведен оптический захват наноструктур посредством манипулирования наночастицами размером 10 нм лазером мощностью менее 1 мВт;
- проведена демонстрация производства и обнаружения отдельных фотонов в клетках щелочных паров;
- осуществлено рамановское формирование изображения скрытых углеродных нанотрубок;
- создана новая метрологическая система непосредственного измерения характеристик термоэлектрических материалов, построенная на основе модели спектроскопии импеданса.
Долгосрочными задачами ННИ в рамках программного подраздела «Производство наноизделий» являются:
- запуск надежного экономичного производства нанометрических материалов, структур, устройств и систем;
- разработка и интеграция сверхминиатюрных нисходящих процессов и более сложных восходящих или процессов самосборки.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- управление и контроль над внедрением
нанотехнологий в оборудование военного назначения;
- выявление реальных возможностей для включения нанопроизводства в такие программы МО, как программы новаторских НИР малых предприятий (SBIR), передачи технологий малых предприятий (STTR) и производственных технологий (MANTECH);
- обеспечение возможности синтеза, формирования и сборки отдельных наноструктур с использованием фундаментальных биологических ресурсов, включая использование вирусов и родственных структур в качестве шаблонов для нанопроводов и массивов неорганических веществ, представляющих особый интерес;
-разработка доступных по цене методов производства наноструктурных материалов.
В ходе программной деятельности были достигнуты следующие результаты:
- проведена демонстрация нового метода изготовления наночастиц, построенного на использовании надкритической подвижной фазы при сверхвысоком давлении (метод быстрого расширения сверхкритических растворов - RESS);
- разработан уникальный непрерывный процесс изготовления наноматериалов с заданными свойствами с узким распределением по размерам;
- разработана опытная партия и проведена демонстрация нанокомпозиционных сумок для ношения готовой пищи, в которых в качестве материала используются силикаты со слоями полиэтилена и монтмориллонита;
- создан новый метод тепловой перьевой нанолитографии для непосредственного нанесения металлических нанонитей на подложку в атмосфере или вакууме. Принцип действия перьевой нанолитографии схематично представлен на рис. 3.
Долгосрочными задачам ННИ в рамках программного подраздела «Создание специализированных лабораторий для проведения исследований и приобретение контрольно-измерительной аппаратуры» являются:
- создание оборудования для проведения исследований, приобретение важной контрольно-измерительной аппаратуры и другая деятельность, заключающаяся в разработке, поддержке или модернизации национальной научной инфраструктуры для проведения НИОКР в области нанотехнологий;
- постоянное функционирование основных лабораторий и сетей.
Программной целью МО в данном подразделе является адаптация лабораторий и контрольно-измерительной аппаратуры к проведению нанонаучных исследований.
В ходе проводимых работ были достигнуты следующие результаты:
- создано оборудование для проведения литографии без шаблона и при непосредственном формировании рисунка для производства экономичных быстродействующих интегральных схем в масштабах мелкосерийного производства.
- образована лаборатория по наноэлектронике научно-исследовательской лаборатории министерства армии, имеющая следующую аппаратуру: турбонасосный наноманипулятор/наноэлектронный зонд на основе сканирующего электронного микроскопа, электронно-лучевой генератор изображения, оптический микроскоп с большой рабочей дистанцией, спин-процессор, вакуумную криогенную зондовую установку DC-40 ГГц шестью манипуляторами и возможностями атмосферного контроля и оптического зондирования, печь для выращивания углеродных на-нотрубок, программное обеспечение формирования изображения и анализа углеродных нанотрубок, микроскоп со сканирующей головкой, позволяющей проводить перьевую нанолитографию и определять электрические характеристики, электромагнит с регулировкой возбуждения и комплект высокоточной электронной оснастки для наноэлектронного контроля, включая анализатор спектра в диапазоне
3-50 ГГц и параметрическую систему определения характеристик полупроводников. Целью исследований лаборатории по наноэлектронике является разработка маломощных нанометрических датчиков и устройств связи, предназначенных для индивидуальной защиты военнослужащих.
- приобретены LEAP-микроскоп с атомным зондом и дополнительный импульсный лазер с разрешением 80 нм и скоростью сбора данных до 1,2 млн атомов в минуту для проведения количественной трехмерной томографии структуры материала. На рис. 4 представлена модель LEAP-микроскопа.
Долгосрочными задачами ННИ в рамках программного подраздела «Общественные аспекты» являются:
-определение и снижение возможных рисков здоровью и окружающей среде, которые будут связаны с деятельностью в области нанотехнологий (включая риски, связанные с воздействием людей, животных, факторов окружающей среды на разработанные нанометрические материалы, наноструктурные вещества и устройства, построенные на основе нанотехнологий и их сопутствующих продуктах);
- разработка нанотехнологических материалов для школ, студенческих программ, технической подготовки и общественных социально-ориентированных программ.
К программным целям МО в данном подразделе относятся:
- предоставление гарантий военнослужащим, использующим средства, изготовленные на основе нанотехнологий, в плане сохранения здоровья и обеспечения безопасности;
- обеспечение возможности проведения анализа физико-химического состава воды и воздуха;
- поддержка инвестиционной политики, направленной на создание многофункциональной системы обучения и подготовки квалифицированных кадров;
- оценка и ослабление отрицательного воздействия на окружающую среду или здоровье человека нанотехнологических материалов, используемых при производстве вооружения и военной техники.
В поддержку национальной нанотех-нологической инициативы МО активно сотрудничает с другими министерствами
и ведомствами, среди которых следует отметить бюро по определению научно-технической политики, административно-бюджетное управление, национальный научный фонд, национальный институт стандартов и технологии, министерства торговли, энергетики, юстиции, национальной безопасности, транспорта, финансов, сельского хозяйства, управление по охране окружающей среды, НАСА, национальные институты здравоохранения, государственный департамент, национальный институт охраны труда, службу патентов и торговых знаков, а также комиссии по национальному регулированию и международной торговле.
В табл. 4 представлены примеры работ, проводимых в настоящее время отдельными управлениями и министерствами совместно в рамках национальной нано-технологической инициативы.
В министерствах каждого вида ВС были образованы научно-исследовательские группы по изучению нанотехнологий и выявлению быстрых и эффективных путей их внедрения (в частности, рабочая группа ВМС по нанонауке, стратегическая технологическая группа по нанонауке и технологиям научно-исследовательской лаборатории ВВС, объединенная целевая группа по нанотехнологиям министерства сухопутных войск RDECOM).
В дополнение к этому ежегодно при финансовой поддержке МО проводятся конференции на такие темы, например, как «Наноматериалы для применения в военных целях», которые способствуют установлению связей между НИОКР, финансируемыми МО, и разработчиками как со стороны этого министерства, так и со стороны коммерческих промышленных предприятий.
Нанотехнологические исследования продолжают оставаться основной национальной инициативой, в которой с самого начала главную роль играет МО. В ходе них должны быть достигнуты прочные научные знания, а руководящая функция оборонного ведомства важна для обеспечения эффективности проводимых НИОКР, а также для оптимального использования полученных результатов этих работ и приобретенных знаний при создании перспективных боевых систем вооружения.
Таким образом, научные прорывы, произошедшие в последние годы, демонстрируют высокий потенциал нанотехнологий, которые могут оказать влияние на боевые возможности в будущем, в частности: обеспечить защиту от ОМП, снижение массы боевого снаряжения, создание материалов с высокими технологическими и эксплуатационными показателями для платформ и систем ВВТ, а также средств выработки энергии и энергетических материалов, БЛА и космических микроаппаратов.

Таблица 4
Работы, проводимые в рамках национальной нанотехнологической инициативы
Участники работ Название работы
МО, министерство энергетики, НАСА, национальный институт стандартов и технологий, национальный научный фонд(ННФ) НИР, направленные на реализацию трудоемких квантовых вычислений
МО, НАСА, министерство энергетики НИР в области прямого преобразования энергии
МО, НАСА, национальный научный фонд НИОКР по созданию средств имитационного моделирования для прогнозирования свойств нанометрических материалов, а также для разработки и оптимизации процессов производства наноматериалов
МО, министерство энергетики, НАСА Разработка и моделирование материалов и устройств прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию (термоэлектрика, термоионика, термофотоэлектричество)
МО, национальный научный фонд, национальный институт стандартов и технологий Координация планов и обзоров программ НИОКР в области нанопроизводства, в том числе по линии четырех центров нанонауки и техники (NSEC) национального научного фонда, а также проведения многофункциональных исследований МО по инициативе университетских исследований (MURI) и развитие сотрудничества по НИОКР
МО, ННФ, НАСА, министерство энергетики Координация планов и деятельности национальной нанотехнологической инфраструктурной сети (NNIN) и сети вычислительных нанотехнологий (NCN) национального научного фонда с дополнительно образованными центрами в составе МО, НАСА и министерства энергетики
МО, национальные институты здравоохранения Синтез нанометрических материалов с оптическим откликом с настройкой по длинам волны в видимом и инфракрасном спектре и НИОКР в области бесконтактного разрушения опухолей
МО, министерство энергетики, НАСА, ННФ Программа НИОКР наноструктурных электродов и катализаторов для топливных элементов и батарей
МО, министерство энергетики Химическая и биологическая программы МО функционируют в соответствии с меморандумом о взаимопонимании с центром интегральных нанотехнологий (CINT), пользовательским объектом министерства энергетики под управлением двух национальных лабораторий: в городах Сандия и Лос-Аламос
МО, НАСА Совместные работы и обмен информацией в области нанокомпозитных фотогальванических волокон и волоконных батарей

Зарубежное военное обозрение №5 2007 с. 21-27

Категория: НИОКР | Добавил: pentagonus (21.12.2007) | Автор: П. Выборнов

Просмотров: 3818 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 4.0/1 |
Всего комментариев: 1
avatar
1
прикольно

avatar


Copyright MyCorp © 2016

Рейтинг Военных Ресурсов