Ученые Пермского Политеха научились предсказывать разрушение оптоволокна при резкой смене температуры

Статья опубликована в журнале «Polymers».

Оптическое волокно — это тончайшая нить из сверхчистого стекла, способная передавать информацию с помощью света. Именно эта технология, проложенная гигантской сетью под землей и океанами, лежит в основе глобального интернета. Для линий связи используются относительно простые оптические волокна. Однако развитие технологий позволило создавать сложные стеклянные структуры, которые превращают волокно не просто в «световод», а в высокоточный чувствительный элемент. На его основе работают датчики навигационные системы транспорта (например, гироскопы) и даже медицинские лазеры.

Такие устройства функционируют в широком диапазоне температур (от —60 °С до +60 °С и выше). Чтобы защитить хрупкую сердцевину, ее заключают в специальные покрытия: в пределах земной атмосферы — в двуслойную полимерную оболочку (мягкую внутри и жесткую снаружи), а в космосе — добавляют еще металлический слой.

Проблема в том, что полимер — пластик, который размягчается на жаре и твердеет на морозе. Предсказать, как это повлияет на сигнал в реальных условиях, невозможно, а любое отклонение от расчетной температуры может нарушить работу всей системы.

Например, в дата-центре, обеспечивающем непрерывную видеотрансляцию, перегрев оболочки волокна из-за сбоя системы охлаждения может вызвать не просто кратковременные помехи, а полную потерю пакетов данных, что приведет к техническому сбою в эфире.

В авиации волокно оптического гироскопа, резко охлажденное после теплого ангара (закрытого помещения для стоянки и обслуживания самолетов) во время набора высоты, может исказить показания навигационного прибора, что напрямую угрожает точности курса. В космосе же один орбитальный виток означает десятки циклов нагрева до +120 °C на солнце и охлаждения до —100 °C в тени — такое воздействие может привести к накоплению ошибки навигационных приборов, что выведет из строя критически важную систему ориентации спутника.

Из-за этой неопределенности инженеры оказываются в непростом положении. Они вынуждены подбирать толщину покрытий, достаточную для защиты стеклянных нитей оптического волокна от внешних факторов, при этом обеспечивать минимальное влияние оболочки на точность оптоволоконных датчиков. На практике это приводит к тому, что нужно либо перестраховываться, увеличивая толщину защитных слоев на 50–100%, что утяжеляет изделие на 20–40%, повышает его стоимость и может снижать точность приборов, либо рисковать отказами. Для таких отраслей, как авиация или космос, где важны каждый грамм и рубль, оба варианта неприемлемы.

Поэтому для решения проблемы нужны точные цифровые модели, но их создание — сложная задача. Существующие методы работают с грубыми упрощениями. Например, они тестируют полимер отдельно, а стекло — отдельно, и только в узких, фиксированных температурных диапазонах. Это все равно что проверять надежность целого автомобиля, испытывая отдельно двигатель в гараже, а колеса — на полигоне, но никогда — вместе и в реальной дорожной обстановке.

Кроме того, в этих тестах полностью игнорируется самое главное — скорость изменения температуры. Материалы проверяют при стабильных −20°C или +40°C, но не моделируют резкий скачок между ними, который и создает максимальную нагрузку. Также не учитывается сложная геометрия волокна и то, как его защитные слои по-разному реагируют на нагрев и охлаждение, «давя» друг на друга. Причина таких ограничений — фундаментальный недостаток экспериментальных данных для динамичных, реальных условий эксплуатации.

Решение предложили ученые Пермского Политеха. Они впервые в мире создали цифровой двойник, который на 90% предсказывает, как поведет себя оптическое волокно в широком диапазоне температур, при разных скоростях его изменения.

— Суть разработки заключается в создании «цифрового двойника» полимерного покрытия. Для этого мы на протяжении нескольких лет проводили экспериментальную работу. Образцы двух ключевых типов покрытий — внутреннего мягкого и внешнего жесткого — подвергались множеству испытаний в экстремальном диапазоне от —110 до +120 °C. Их растягивали с разной частотой, нагревали и охлаждали жидким азотом, фиксируя тысячи параметров: как материал деформируется, накапливает упругую энергию и рассеивает ее в виде тепла, — рассказал Александр Труфанов, первый проректор — проректор по информатизации, профессор кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», доктор технических наук.

На основе этих данных и был создан цифровой аналог двух полимеров защитного покрытия — математическая модель, описывающая поведение материалов. Чтобы всесторонне оценить ее точность, ученые провели серию параллельных экспериментов: натурных — на реальных образцах в лаборатории, и виртуальных — с цифровой моделью в программе. В обоих случаях они меняли ключевые параметры: температуру в широком диапазоне, частоту механических воздействий и тип нагрузок (от циклических до постоянных).

Например, одним из таких стал эксперимент с готовым изделием на основе оптоволокна, которое используется в критически важных датчиках — гироскопах (приборах, определяющих ориентацию и угловую скорость) для навигации беспилотников, самолетов и космических аппаратов. Защитное покрытие из-за температурных перепадов оказывает влияние на чувствительный элемент, который начинает выдавать неверные данные, что может приводить к потере ориентации и управляемости.

Для его проверки ученые создали в программе точную виртуальную копию волокна. В нее они загрузили уже готовые и проверенные настройки защитных оболочек — те самые «цифровые двойники» материалов.

Затем они смоделировали подобный экстремальный режим работы — резкий перепад температур от +60°C до —60°C. Именно такой контраст сильнее всего растягивает и сжимает материал изнутри, создавая критические нагрузки. Далее программа рассчитала, как при этом разные слои волокна — стекло и полимеры — давят друг на друга, деформируются и создают внутренние напряжения. Результатом стала «карта эксплуатации системы» — зависимость рабочих характеристик волокна от температуры и скорости нагрева и охлаждения.

Получив такую схему, инженер четко видит, как перепады температуры влияют на сигнал в разных частях датчика. Это позволяет на этапе проектирования усовершенствовать как форму защитных слоев или учесть такие особенности при обработке сигнала прибором, чтобы обеспечить максимальную эффективность и надежность готового изделия.

— В отличие от многих существующих подходов, которые оценивают свойства материалов лишь в упругой области, в узком диапазоне температур и используют сильно упрощенные модели, — наша методика работает принципиально иначе. Мы учитываем не просто экстремальные значения, а также скорость перехода между ними и изменение механического состояния материала под действием температуры, что радикально повышает точность прогноза, — дополнила Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующий лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, кандидат технических наук.

Благодаря этому разработка ученых позволяет перейти от косвенных оценок к точному цифровому проектированию. Инженеры теперь могут использовать «цифровые двойники» материалов, чтобы оперативно смоделировать любой сценарий эксплуатации: от космического холода до разных скоростей изменения температуры при взлете и посадке самолетов. Модель сразу покажет характер изменения сигнала волокна и работу полимерного покрытия, а также выявит возможные искажения сигналов в процессе эксплуатации.

Это позволяет повысить точность работы волоконно-оптических датчиков, работающих в экстремальных условиях, на 25–40% и оптимально подбирать конструкцию защитных покрытий под требования области их использования.

Для индустрии это значительный прогресс, который напрямую влияет на экономику проектов. Точный расчет позволяет не переплачивать за избыточную защиту и избегать катастрофических затрат на ликвидацию аварий. Теперь можно создавать более надежные, легкие и экономичные изделия, усиливая защиту только там, где это необходимо.