Оптические волокна являются основой интернета, авиационной навигации и спутниковых систем.
Тем не менее, их полимерная оболочка может непредсказуемо изменяться при колебаниях температуры, что может привести к потере данных в дата-центрах, ошибкам в курсе самолета или сбоям в работе спутников. Решение данной проблемы было предложено учеными Пермского Политеха, которые создали первый в мире цифровой двойник оптоволокна.
Оптическое волокно представляет собой стеклянную нить, передающую сигнал с помощью света. В телекоммуникациях используются относительно простые конструкции, тогда как в датчиках, гироскопах и медицинских лазерах применяются более сложные структуры. Они функционируют в температурном диапазоне от -60 °C до +60 °C и выше, а в космосе — от -100 °C до +120 °C.
Для защиты стеклянного центра его покрывают полимерной оболочкой: мягкой внутренней и жесткой внешней. В условиях космоса добавляется металлический слой. Однако полимер теряет свою прочность на жаре и становится твердым на холоде. При резких температурных скачках слои расширяются и сжимаются по-разному, создавая внутренние напряжения, которые искажают сигнал.
Инженеры вынуждены либо увеличивать защиту на 50-100%, что ведет к утяжелению изделия на 20-40% и повышению стоимости, либо рисковать отказами. Особенно критично это для авиационных и космических технологий, где важен каждый грамм.
Пермские ученые предложили альтернативный подход — разработать точную цифровую модель поведения покрытия. В течение нескольких лет они проводили испытания двух типов полимеров в диапазоне от -110 до +120 °C, растягивали их с различной частотой, охлаждали жидким азотом и фиксировали параметры деформации и накопления энергии.
«Мы учитываем не только экстремальные температуры, но и скорость их изменения, а также переход материала в разные механические состояния. Это значительно повышает точность прогноза», — пояснила Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующий лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, кандидат технических наук.
На основании экспериментальных данных был создан цифровой двойник, который с точностью до 90% прогнозирует поведение волокна при резких перепадах температур. Модель позволяет виртуально воспроизвести экстремальные условия — например, скачок от +60 °C до -60 °C — и увидеть, как стекло и полимерные слои взаимодействуют и создают напряжения.
По словам Александра Труфанова, проректора по информатизации, профессора кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», доктора технических наук, цифровая «карта эксплуатации» демонстрирует, как меняется сигнал в зависимости от температуры и скорости нагрева или охлаждения. Это предоставляет возможность оптимизировать конструкцию покрытия еще на этапе проектирования.
Разработка способствует повышению надежности волоконно-оптических датчиков на 25-40%, снижению массы изделий и сокращению издержек. Вместо перестраховки инженеры получают инструмент точного расчета — от условий дата-центров до орбитальных температурных циклов.
Фото: hi-tech.mail.ru