Тем не менее, их полимерная оболочка непредсказуемо меняет форму при колебаниях температуры, что может привести к утрате информации в дата-центрах, ошибкам навигации самолета или сбоям в функционировании спутников. Решение данной проблемы предложили исследователи Пермского Политеха, создавшие первый в мире цифровой двойник оптоволокна. Об этом «Газете.Ru» рассказали в пресс-службе высшего учебного заведения.
Оптоволокно — это стеклянная нить, передающая сигнал с помощью света. В телекоммуникациях используются относительно простые схемы, однако в датчиках, гироскопах и медицинских лазерах применяются более сложные конструкции. Они функционируют в диапазоне от −60 °C до +60 °C и выше, в то время как в космосе — от −100 °C до +120 °C.
Для защиты стеклянной сердцевины, ее оборачивают полимерной оболочкой: мягкой внутренней и жесткой внешней. В условиях космического пространства добавляется металлический слой. Однако полимер начинает размягчаться при повышении температуры и затвердевает на холоде. При резких температурных перепадах слои расширяются и сжимаются по-разному, вызывая внутренние напряжения, которые искажают сигнал.
Инженеры вынуждены либо увеличивать толщину защиты на 50−100%, что приводит к увеличению веса изделия на 20−40% и возрастанию стоимости, либо подвергать себя риску отказов. Это особенно критично для авиационной и космической продукции, где важен каждый грамм.
Пермские ученые предложили альтернативный метод — разработать точную цифровую модель поведения покрытия. В течение нескольких лет они проводили эксперименты с двумя типами полимеров в диапазоне от −110 до +120 °C, растягивая их с разной частотой, охлаждая до жидкого азота и фиксируя 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 предсказаний», — отметила Анна Каменских, доцент кафедры «Вычислительная математика, механика и биомеханика», заведующий лабораторией цифрового инжиниринга машиностроительных процессов и производств, кандидат технических наук.
На основе собранных экспериментальных данных был создан цифровой двойник, который с точностью до 90% предсказывает поведение волокна при резких температурных колебаниях. Модель позволяет виртуально смоделировать экстремальные условия — например, переход от +60 °C до −60 °C — и наблюдать, 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 изменяется сигнал в зависимости от температуры и скорости нагрева или охлаждения. Это предоставляет возможность оптимизировать конструкцию покрытия еще на этапе проектирования.
Данная разработка позволяет повысить надежность волоконно-оптических датчиков на 25−40%, уменьшить вес изделий и сократить затраты. Вместо перестраховок инженеры получают инструмент для точного расчета — от условий в дата-центрах до орбитальных температурных циклов.