Оптические волокна лежат в основе интернета, авиационной навигации и спутниковых систем. 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.
