Однако их полимерная оболочка непредсказуемо деформируется при перепадах температуры, что может привести к потере данных в дата-центрах, ошибкам курса самолета или сбоям в работе спутников. Решение этой проблемы предложили ученые Пермского Политеха, создав первый в мире цифровой двойник оптоволокна. Об этом «Газете.Ru» сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Оптическое волокно — это стеклянная нить, передающая сигнал светом. В телекоммуникациях используются относительно простые конструкции, но в датчиках, гироскопах и медицинских лазерах применяются сложные структуры. Они работают в диапазоне от −60 °C до +60 °C и выше, а в космосе — от −100 °C до +120 °C.
Чтобы защитить стеклянную сердцевину, ее покрывают полимерной оболочкой: мягкой внутренней и жесткой внешней. В космических условиях добавляется металлический слой. Однако полимер размягчается на жаре и твердеет на морозе. При резких температурных скачках слои по-разному расширяются и сжимаются, создавая внутренние напряжения, которые искажают сигнал.
Инженеры вынуждены либо утолщать защиту на 50−100%, утяжеляя изделие на 20−40% и увеличивая стоимость, либо рисковать отказами. Особенно критично это для авиации и космоса, где важен каждый грамм.
Пермские ученые предложили иной подход — создать точную цифровую модель поведения покрытия. В течение нескольких лет они испытывали два типа полимеров в диапазоне от −110 до +120 °C, растягивали их с разной 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 радикально 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 основе экспериментальных данных создан цифровой двойник, который с точностью до 90% предсказывает поведение волокна при резких перепадах температур. Модель позволяет виртуально воспроизвести экстремальные режимы — 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» показывает, как меняется сигнал в зависимости от температуры и скорости нагрева или охлаждения. Это дает возможность оптимизировать конструкцию покрытия еще на этапе проектирования.
Разработка позволяет повысить надежность волоконно-оптических датчиков на 25−40%, снизить массу изделий и сократить издержки. Вместо перестраховки инженеры получают инструмент точного расчета — от условий дата-центров до орбитальных температурных циклов.