Оптоволокно

В нефтегазовой и химической промышленности, металлургии, электроэнергетике, медицине и машиностроении используют оптоволоконные технологии как современный способ передачи информации на дальние расстояния. Прочность и долговечность волоконных световодов во многом зависят от защитного покрытия, в качестве которого используют акрилат, полиимид и металлы. Например, оптоволокно в алюминиевом покрытии позволяет работать в жестких промышленных условиях при высоких температурах и давлении. Однако применение алюминия эффективно лишь до 350°С. Альтернативой может стать использование меди. Ученые Пермского Политеха, ПАО «Пермской научно-производственной приборостроительной компании» и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН впервые детально исследовали термическую стойкость волоконных световодов в медном покрытии и определили их срок службы в зависимости от температуры эксплуатации. Полученные результаты дают возможность прогнозировать стабильность работы оптоволокна в отечественной промышленности.

Статья опубликована в журнале «Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки», 2024 год. Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 22-29-00795): «Прогнозирование работоспособности и деградации волоконных световодов в экстремальных условиях эксплуатации».

Волоконный световод, выполненный в виде тонкой нити из кварцевого стекла, позволяет передавать большие объемы информации на дальние расстояния, используя свет как основной источник сигнала. Он состоит из сердцевины, по которой распространяется большая часть мощности оптического сигнала, оболочки и защитного покрытия.

Стойкость последнего – важнейший фактор, ограничивающий применение световодов в экстремальных условиях эксплуатации. К таким условиям можно отнести, например, ионизирующие излучение, повышенную (свыше 300°С) и пониженную температуру (ниже -70°С), водосодержащую среду и др. В большинстве случаев используют стандартные акрилатные покрытия на основе силиконовой резины или полиимидные лаковые, но они допускаются только при температуре до 85 и 350°С, соответственно. Металлические покрытия существенно расширяют область применения волоконных световодов.

Наиболее изученным металлом для покрытия оптоволокна является алюминий. Температура его плавления равна 660°С, однако в некоторых случаях (из-за химической реакции между металлом и кварцевым стеклом) возможно разрушение поверхности при более низких значениях (приблизительно 300°С), из-за чего падает прочность самого световода. Скорость деградации алюминиевого покрытия сильно зависит от температуры, например, начальная прочность снижается в 3 раза в течение 10 часов при 500°С, а при 400°С такое же ухудшение происходит через 5 месяцев.

Перспективным и подходящим материалом может стать медь, которая не вступает в реакцию с кварцевым стеклом и допускается к использованию при более высоких температурах, чем алюминий. Ученые Пермского Политеха, ПАО «ПНППК» и ИОФ РАН впервые исследовали прочность оптоволокна в медном покрытии и экспериментально выявили продолжительность его стабильной работы без образования дефектов на поверхности.

– В отличие от алюминия, на воздухе медь окисляется после нагрева при температуре 300°С, из-за чего страдает ее механическая стойкость. Однако есть ряд важных применений, где медное покрытие нельзя заменить алюминиевым. Такие условия встречаются, например, в распределительных датчиках на атомных электростанциях, в космических аппаратах с длительным сроком пребывания в вакууме при наличии радиационного излучения и в волоконно-оптических устройствах, работающих в водородосодержащей среде в нефтегазовой промышленности. Поэтому вопрос о стойкости меди при температуре на воздухе имеет серьезное практическое значение, – объясняет Максим Булатов, доцент кафедры общей физики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Образцы испытывали в специальной камере при температурах от 500 до 600°С, после измеряли их прочность. Эксперименты показали, что с течением времени она резко снижается. Это означает появление и рост дефектов на стеклянной поверхности световода. Особенно на это влияет проникновение кислорода в структуру стекла при окислении меди на открытом воздухе.

– Мы выяснили, что возможна кратковременная эксплуатация волоконного световода в медном покрытии при температуре 600°С в течение 1,5 часов или при 500°С в течение 16 часов. В долговременной перспективе его использование при температуре 300°С возможно в течение 1,5 лет, а при температуре 250°С – в течение 17 лет, – рассказывает Максим Булатов.

Политехники отмечают, что создание на медной поверхности дополнительного защитного слоя, предотвращающего ее взаимодействие с кислородом, и испытания в бескислородной атмосфере позволят радикально повысить срок службы, а также существенно увеличить диапазон применимости таких световодов вплоть до 1000°С.

Медное покрытие при эксплуатации оптоволокна на воздухе уступает по термостойкости алюминиевому при температурах до 300°С. Однако результаты исследования ученых Пермского Политеха, ПАО «ПНППК» и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН подтвердили возможность его кратковременной эксплуатации при более высоких значениях. В таких случаях медное покрытие не имеет альтернативы.

В ходе текущей Спецоперации по защите Донбасса самое широкое распространение получили одноразовые ударные FPV-беспилотники. Они показывают высокую эффективность, и для её роста предлагаются новые решения. Так, активно внедряются новые типы БПЛА с управлением по оптоволоконному кабелю. Такой способ связи с оператором даёт ряд важных преимуществ и повышает боевые качества аппарата.

Радио и кабель

Беспилотные авиационные системы большинства типов используют радиосвязь. Операторский пульт и БПЛА оснащаются радиостанциями, при помощи которых передают друг другу команды, видеосигнал и данные. При всей простоте и иных преимуществах, такой способ связи не лишен недостатков. Ему могут мешать помехи естественного происхождения, а также работа средств радиоэлектронной борьбы.
Альтернативой является использование проводной связи. Применение металлического кабеля нецелесообразно и не позволяет получить все желаемые преимущества перед радиосвязью. Более эффективное решение заключается в использовании оптического волокна. Кабель такого рода имеет ряд важных преимуществ перед традиционным медным.
Прежде всего, оптоволоконный кабель и обеспечивает высокую скорость передачи данных. Эта скорость позволяет пересылать видеосигнал высокого разрешения и иные данные. Кроме того, кабель является достаточно легким и прочным, а также не предъявляет особых требований к беспилотнику-носителю.

Оптоволоконная связь может использоваться практически на любом БПЛА, при условии некоторой его доработки. Для этого аппарат должен получить вместо радиостанции новый модем для работы с оптоволокном.
Кроме того, на беспилотник следует установить специальную катушку с кабелем. Большинство таких катушек выглядят как цилиндрическая емкость с отверстием или раструбом на одном из торцов. Внутри корпуса находится смотанный кабель, который без сопротивления выдаётся наружу. В зависимости от размера катушки, на борту БПЛА может находиться от сотен метров до десятков километров кабеля.
Такие средства связи могут быть использованы как при модернизации БПЛА существующих типов, так и внедряться в проекты на стадии разработки. В настоящее время российская промышленность уже разработала и начала производство нескольких типов беспилотников с оптоволоконной связью. Наиболее успешные образцы уже дошли до эксплуатации и боевого применения.

«Князь» на проводе

Первым из отечественных FPV-беспилотников с оптоволоконной связью до эксплуатации дошёл «Князь Вандал Новгородский» («КВН») от научно-производственного центра «Ушкуйник» (г. Новгород). Такие аппараты пошли в серию и начали массово поступать в войска не позднее лета текущего года. Вскоре после этого началась публикация видеороликов, показывающих процесс и результаты атак.

«КВН» представляет собой типичный квадрокоптер лёгкого класса, отличающийся небольшими размерами и способный нести противотанковый боеприпас по типу гранаты ПГ-7В. Его электрическая силовая установка обеспечивает высокие лётные и маневренные характеристики. На борту беспилотника установлена курсовая видеокамера, которая позволяет осуществлять навигацию, поиск цели и наведение на неё.
«Князь Вандал Новгородский» оснащается штатной катушкой с оптоволоконным кабелем длиной до 18-20 км. Длина кабеля определяет возможную дальность полёта, но ограничивает боевой радиус беспилотника. Однако, несмотря на эти ограничения, БПЛА «КВН» по основным лётным характеристикам не уступает распространённым FPV-беспилотникам с радиосвязью.

Помехозащищенные «Пираньи»

Развитием линейки БПЛА с оптоволоконной связью также занимается Симбирское конструкторское бюро (СКБ) «Пиранья» из г. Ульяновск. Оно разрабатывает одноименную серию беспилотников разного назначения и с широким диапазоном характеристик. При создании таких БПЛА внедряются средства связи и иные приборы, соответствующие целям конкретного проекта.

Первым катушку с кабелем получил ударный FPV-беспилотник «Пиранья-10». Это небольшой БПЛА коптерного типа с возможностью установки боевой нагрузки для поражения цели прямым попаданием. Такие аппараты активно используются на фронте и показывают большие успехи. В частности, именно с помощью такого БПЛА поразили первый из украинских ОБТ M1 Abrams.
Вес «Пираньи-10» не превышает 2 кг, а полезная нагрузка достигает 4-4,5 кг. По своим лётным характеристикам такой БПЛА не уступает иным квадрокоптерам, а его боевой радиус составляет 10-12 км. Бортовая электроника включает курсовую камеру, средства управления моторами и систему связи. В зависимости от требований заказчика, возможна установка как оптоволоконной связи, так и радиостанции.
Недавно СКБ «Пиранья» завершило разработку тяжелого многоцелевого БПЛА «Пиранья-13». Этот беспилотник предназначен для перевозки различных грузов как на передовой, так и в тылу. Он штатно оснащается помехозащищённой радиостанцией для обеспечения полноценного обмена данными. Разработчики также упоминают возможность установки оптоволоконной связи.

Большое будущее

БПЛА со связью по кабелю массово производятся, активно поставляются в войска и достаточно широко применяются на фронте. По своему количеству и интенсивности боевой работы они пока не могут сравниться с «традиционными» беспилотными системами, использующими радиосвязь. Однако внедрение такой техники продолжается, и с нею армия получает желаемые возможности.

В открытых источниках регулярно появляются свидетельства успешного применения «оптоволоконных» БПЛА. С их помощью поражают как стационарные, так и подвижные цели в различных условиях. Благодаря проводной связи оператор может получать высококачественное видео и контролировать действия беспилотника вплоть до момента его попадания в цель.
Одним из главных преимуществ такой техники является её невосприимчивость к воздействию РЭБ. Недавно в интернете появилось любопытное видео на эту тему. Оно было снято камерой российского БПЛА, который преследовал украинский танк. Во время этой погони на дороге появился вражеский автомобиль со станцией РЭБ. Однако беспилотник, не зависящий от радиоканала, проигнорировал его и продолжил атаку без каких-либо затруднений.
Тем не менее, оптоволоконная связь не лишена недостатков. Приборы и кабель для неё значительно дороже компактных радиостанций для беспилотников. Кроме того, подвесная катушка с кабелем является достаточно крупным и тяжёлым устройством, которое занимает часть грузоподъёмности и ухудшает лётные характеристики.
Несмотря на все меры и решения, оптоволоконный кабель остаётся достаточно хрупким. Это накладывает ограничения на скорость полёта, маневрирование, выбор маршрута и т.д. Любая ошибка в пилотировании может привести к обрыву кабеля и потере беспилотника без выполнения боевой задачи.

Следует отметить, что БПЛА с оптоволоконной связью есть не только у нашей армии. Противник тоже получает или разрабатывает такую технику. Это означает, что российской ПВО приходится реагировать на ещё одну воздушную угрозу, которая обладает своими уникальными особенностями, сильными и слабыми сторонами.

Перспективное направление

Таким образом, российская промышленность не прошла мимо многообещающей концепции, занялась ею и успешно довела реальные образцы до применения на практике. К настоящему времени войска успели получить большое количество ударных БПЛА, освоить их и приступить к самому активному применению.
Появление и внедрение в практику оптоволоконной связи существенно улучшило показатели ударной беспилотной авиации. Однако новые БПЛА не вытеснили существующие системы, а дополнили их. Совместное применение техники с разными техническими возможностями и экономическими показателями позволяет получать дополнительные преимущества.

Взято тут https://topwar.ru/253973-otechestvennye-bpla-s-upravleniem-p...