Міждисциплінарне дослідження впливу лазерного випромінювання на полімер армований вуглецевим волокном, в контексті протидії безпілотним літальним апаратам
Анотація
Ця стаття представляє міждисциплінарне дослідження, яке поєднує історичний аналіз та експериментальні дослідження для вивчення вразливості військових дронів, виготовлених з полімеру, армованого вуглецевим волокном, до руйнування лазерним випромінюванням. Робота структурована навколо двох взаємопов'язаних областей: історичної еволюції використання полімеру, армованого вуглецевим волокном, у будівництві військових дронів та паралельного розвитку високоенергетичних лазерних систем як високоточних контрзаходів. В історичному розділі простежується траєкторія розвитку композитів з вуглецевого волокна від їх початкового застосування в аерокосмічній та оборонній промисловості наприкінці 20 століття до їх широкого впровадження у військових безпілотних літальних апаратах, що було зумовлено потребою в легких, міцних та радіолокаційно-ізолюючих матеріалах. Особлива увага приділяється геополітичним, технологічним та стратегічним факторам, які вплинули на зростаючу залежність від полімеру, армованого вуглецевим волокном, для підвищення продуктивності дронів з точки зору дальності польоту, корисного навантаження та живучості. Паралельно у статті розглядається поява зброї спрямованої енергії, зосереджуючись на лазерних системах, як відповідь на обмеження звичайних кінетичних контрзаходів у нейтралізації швидких, малих та малопомітних дронів. У дослідженні окреслюється, як зростаюча стурбованість військових щодо ройових атак та малопомітних безпілотних літальних апаратів прискорила інвестиції в лазерні системи протиповітряної оборони, здатні вражати повітряні цілі з високою точністю та низькими експлуатаційними витратами. Експериментальний компонент досліджує механізми лазерного пошкодження в полімерних матеріалах, армованих вуглецевим волокном, за допомогою контрольованих лабораторних випробувань, під час яких зразки піддаються впливу лазерного випромінювання різної інтенсивності та тривалості. Результати аналізуються для визначення енергетичних порогів та умов впливу, що призводять до ефективного руйнування матеріалу. Синтезуючи історичні та експериментальні дані, стаття забезпечує всебічне розуміння того, як минулий вибір матеріалів сформував сучасні вразливості в технології дронів та як сучасні лазерні системи спеціально адаптовані для використання цих слабких місць. Цей інтегрований підхід не лише усуває розрив між історією та прикладною наукою, але й сприяє розробці більш ефективних та обґрунтованих стратегій боротьби з дронами в сучасних та майбутніх військових операціях.
Завантаження
Посилання
Allheily, V., Lacroix, F., Eichhorn, A., Merlat, L., L'Hostis, G., & Durand, B. (2016). An experimental method to assess the thermo-mechanical damage of CFRP subjected to a highly energetic 1.07 μm-wavelength laser irradiation. Composites Part B: Engineering, 92, 326‒331. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.02.024
Berdnikova, O., Kushnarova, O., Bernatskyi, A., Polovetskyi, Ye., Kostin, V., & Khokhlov, M. (2021). Structure features of surface layers in structural steel after laser-plasma alloying with 48(WC–W2C)+ 48Cr+ 4Al powder. In 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), (pp. 1‒4). Odessa, Ukraine: IEEE. https://doi.org/10.1109/NAP51885.2021.9568516
Bernatskyi, A., Lukashenko, V., Siora, O., & Sokolovskyi, M. (2024). Analysis of the application of lasers for counter-UAV purposes. History of Science and Technology, 14(2), 487-512. https://doi.org/10.32703/2415-7422-2024-14-2-487-512
Björck, M., Svedbrand, D., Sjöqvist, L., & Edström, S. (2022). Laser damage experiments on fiber-reinforced plastic. In High-Power Lasers and Technologies for Optical Countermeasures (Vol. 12273, pp. 138‒147). Berlin, Germany: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2637915
Castrillo, V. U., Manco, A., Pascarella, D., & Gigante, G. (2022). A review of counter-UAS technologies for cooperative defensive teams of drones. Drones, 6(3), 65. https://doi.org/10.3390/drones6030065
Demchenko, V., Rybalchenko, N., Zahorodnia, S., Naumenko, K., Riabov, S., Kobylinskyi, S., ... & Kowalczuk, M. (2022). Preparation, characterization, and antimicrobial and antiviral properties of silver-containing nanocomposites based on polylactic acid–chitosan. ACS Applied Bio Materials, 5(6), 2576‒2585. https://doi.org/10.1021/acsabm.2c00034
Goncharuk, O., Zhuk, R., Kaglyak, O., Dzhemelinskyi, V., & Lesyk, D. (2018). Laser sintering of abrasive layers with inclusions of cubic boron nitride grains. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 5, 298‒316. https://doi.org/10.1007/s40516-018-0068-0
Kim, J., Choi, J., & Kwon, H. (2024). A study on the development directions of a smart counter-drone defense system based on the future technological environment. KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS), 18(7), 1929‒1952. http://doi.org/10.3837/tiis.2024.07.011
Korzhyk, V., Khaskin, V., Grynyuk, A., Peleshenko, S., Kvasnytskyi, V., Fialko, N., … & Yao, Y. (2022). Comparison of the features of the formation of joints of aluminum alloy 7075 (Al-Zn-Mg-Cu) by laser, microplasma, and laser-microplasma welding. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12(115), 38–47. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.253378
Kritskiy, D., Pohudina, O., Kovalevskyi, M., Tsegelnyk, Ye., & Kombarov, V. (2022). Powder mixtures analysis for laser cladding using OpenCV library. In M. Nechyporuk, V. Pavlikov, D. Kritskiy (Eds.), Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering ‒ 2021, ICTM 2021, Lecture Notes in Networks and Systems (Vol. 367, pp. 924–937). Cham: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-94259-5_72
Kujawinska, M., Kustron, K., Siedlecki, K., & Malesa, M. (2017). Investigations of high power laser beam interaction with composite materials by means of digital image correlation and thermography. In High-power lasers: Technology and systems, platforms, and effects (Vol. 10436, pp. 66‒76). Warsaw, Poland: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2281119
Kumar, M. R., Tomashchuk, I., Jouvard, J., & Duband, M. (2024). The investigation of laser beam interaction with aluminum/titanium overlap joint. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 238(12), 2430‒2459. https://doi.org/10.1177/14644207241246914
Lesyk, D., Mordyuk, B., Alnusirat, W., Martinez, S., Dzhemelinskyi, V., Kondrashev, P., ... & Lamikiz, A. (2024). Nanostructuring and hardening of subsurface layers in structural steels by laser heat treatment followed by high-frequency mechanical impact treatment: Effects of carbon content and alloying scheme. In 2024 IEEE 14th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP) (pp. 1‒5). Riga, Latvia: IEEE. https://doi.org/10.1109/NAP62956.2024.10739720
Liao, L., Huang, X., & Xie, F. (2023). Development status and operation analysis of laser weapon in anti-drone warfare. In 2023 IEEE International Conference on Unmanned Systems (ICUS) (pp. 305-310). Hefei, China: IEEE. https://doi.org/10.1109/ICUS58632.2023.10318249
Masiuchok, O., Iurzhenko, M., Kolisnyk, R., Mamunya, Y., Godzierz, M., Demchenko, V., ... & Shadrin, A. (2022). Polylactide/Carbon black segregated composites for 3D printing of conductive products. Polymers, 14(19), 4022. https://doi.org/10.3390/polym14194022
Nallamalli, R., Singh, K., & Kumar, I. D. (2023). Technological perspectives of countering UAV swarms. Defence Science Journal, 73(4), 420-428. https://doi.org/10.14429/dsj.73.18695
Nan, P., Shen, Z., Han, B., & Ni, X. (2019). The influences of laminated structure on the ablation characteristics of carbon fiber composites under CW laser irradiation. Optics & Laser Technology, 116, 224‒231. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.015
Nugraha, A., Nuryanta, M., Sean, L., Budiman, K., Kusni, M., & Muflikhun, M. (2022). Recent progress on natural fibers mixed with CFRP and GFRP: properties, characteristics, and failure behaviour. Polymers, 14(23), 5138. https://doi.org/10.3390/polym14235138
Schäffer, S., Reich, S., Heunoske, D., Lueck, M., Wolfrum, J., & Osterholz, J. (2024). Laser-induced decomposition and mechanical degradation of carbon fiber-reinforced polymer subjected to a high-energy laser with continuous wave power up to 120 kW. Journal of Composites Science, 8(11), 471. https://doi.org/10.3390/jcs8110471
Schäffer, S., Wolfrum, J., Lueck, M., & Osterholz, J. (2024). Decomposition and vulnerability of CFRP under laser impact with powers of up to 120 kW. In High-Power Lasers and Technologies for Optical Countermeasures II (Vol. 13201, pp. 28‒32). Edinburgh, United Kingdom: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.3031480
Schleijpen, R., Van Binsbergen, S., Geljon, M., Meuken, D., Deiana, D., & van Leeuwen, B. (2020). 30kW laser experiments against drones. In Technologies for Optical Countermeasures XVII; and High-Power Lasers: Technology and Systems, Platforms, Effects IV (Vol. 11539, pp. 34‒44). SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2574461
Shelyagin, V., Krivtsun, I., Borisov, Yu., Khaskin, V., Nabok, T., Siora, A., … & Nedej, T. (2005). Laser-arc and laser-plasma welding and coating technologies. Avtomaticheskaya Svarka – Automatic Welding, (8), 49‒54.
Sokolovskyi, M., & Bernatskyi, A. (2023). Developmental review of metal additive manufacturing processes. History of Science and Technology, 13(2), 334‒356. https://doi.org/10.32703/2415-7422-2023-13-2-334-356
Taillandier, M., Peiffer, R., Colomer, B., Ortiz, R., Chalumeau, E., & Pommies, M. (2022). High-energy laser experiments for vulnerability studies in the context of the European TALOS program. In High-Power Lasers and Technologies for Optical Countermeasures (Vol. 12273, pp. 68-79). Berlin, Germany: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2635076
Taillandier, M., Peiffer, R., Darut, G., Verdy, C., Regnault, C., & Pommies, M. (2023). Duality safety/efficiency for laser directed energy weapon applications. In High Power Lasers: Technology and Systems, Platforms, Effects VI (Vol. 12739, pp. 60‒74). Amsterdam, Netherlands: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.3001871
Taillandier, M., Regnault, C., Beaumadier, A., Beigbeder, A., & Pasquier, G. (2024). High-energy lasers for C-UAS applications. In High-Power Lasers and Technologies for Optical Countermeasures II (Vol. 13201, pp. 154‒168). Edinburgh, United Kingdom: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.3031435
Tresansky, A. C., Joyce, P., Radice, J., & Watkins, J. (2014). Numerical modeling of high-energy laser effects in polymer and composite materials. Journal of Directed Energy, 5(2), 137‒158.
Wolfrum, J., Eibl, S., Oeltjen, E., Osterholz, J., & Wickert, M. (2021). High-energy laser effects on carbon fiber reinforced polymer composites with a focus on perforation time. Journal of Composite Materials, 55(16), 2249‒2262. https://doi.org/10.1177/0021998320988885
Yang, C. P., Zhang, M. Z., Li, W., Chen, M. H., Peng, Z. M., & He, Y. M. (2020). Damage technology of carbon fiber composites by high-power laser. Journal of Physics: Conference Series, 1507(7), 072027. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1507/7/072027
Zavdoveev, A., Pozniakov, V., Baudin, T., Kim, H. S., Klochkov, I., Motrunich, S., ... & Skoryk, M. (2022). Optimization of the pulsed arc welding parameters for wire arc additive manufacturing in austenitic steel applications. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 119(7‒8), 5175‒5193. https://doi.org/10.1007/s00170-022-08704-4
Zhang, W., Zhang, L., Yang, B., Gu, H., Wang, D., & Yang, K. (2018). The development of counter-unmanned aerial vehicle technologies. In Global Intelligence Industry Conference (GIIC 2018) (Vol. 10835, pp. 370‒373). Beijing, China: SPIE. https://doi.org/10.1117/12.2505628
Кількість переглядів: 1015 Кількість завантажень PDF: 466
Авторські права та ліцензування
Ліцензійні умови: автори зберігають авторське право, а також надають право журналу публікувати оригінальні наукові статті, що містять результати експериментальних і теоретичних досліджень і не знаходяться на розгляді для опублікування в інших віданнях. Всі матеріали поширюється на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License International CC-BY, яка дозволяє іншим розповсюджувати роботу з визнанням авторства цієї роботи і першої публікації в цьому журналі.
До рукопису статті додається підписана авторами відсканована копія «Угоди» про передачу авторами прав на публікацію рукопису і подальше розміщення статті в інтернеті (у форматі * .pdf або * .jpg).
Цією угодою автор засвідчує, що поданий матеріал:
- не порушує авторських прав інших осіб або організацій;
- не був опублікований раніше у інших видавництвах та не був поданий до публікації у інші видання.
Автор передає редколегії журналу "Історія науки і техніки" права на:
- публікацію статті українською (англійською та російською) мовою та розповсюдження її друкованої версії.
- переклад статті англійською мовою (для статей українською та російською мовою) та розповсюдження друкованої версії перекладу.
- розповсюдження електронної версії статті, а також електронної версії англомовного перекладу статті (для статей українською та російською мовою), через будь-які електронні засоби (розміщення на офіційному web-сайті журналу, в електронних базах даних, репозитаріях тощо).
Автор зберігає за собою право без узгодження з редколегією та засновниками:
- Використовувати матеріали статті повністю або частково з освітньою метою.
- Використовувати матеріали статті повністю або частково для написання власних дисертацій.
- Використовувати матеріали статті для підготовки тез, доповідей конференцій, а також усних презентацій.
- Розміщувати електронні копії статті (у тому числі кінцеву електронну версію, завантажену з офіційного web-сайту журналу) на:
- персональних web-ресурсах усіх авторів (web-сайти, web-сторінки, блоги тощо);
- web-ресурсах установ, де працюють автори (включно з електронними інституційними репозитаріями);
- некомерційних web-ресурсах відкритого доступу (наприклад, arXiv.org).
В усіх випадках наявність бібліографічного посилання на статтю або гіперпосилання на її електронну копію на офіційному сайті журналу є обов’язковим.
