Изменения температуры значительно влияют на свойства полимерных композитных конструкций, например, аэрокосмической техники. Если не отслеживать показатели, то время эксплуатации деталей может сильно сократиться из-за перегрева или обледенения, а поломки застанут врасплох. Эффективный способ преодолеть проблему — устанавливать температурные датчики. Есть датчики, которые передают информацию в виде оптических сигналов, быстро преодолевая большие расстояния. Это помогает в удаленном мониторинге и управлении техникой. Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель полимерного покрытия со встроенным оптоволоконным датчиком для отслеживания температуры, локации и самоочистки участков обледенения аэродинамических поверхностей.
Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030». На исследование выдан патент № 2766425, статья опубликована в научном журнале «Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика» №64 за 2023 год.
Ученые ПНИПУ предлагают наносить на поверхностьаэрокосмической техники, например, на крылья самолетов,индикаторное покрытие, определяющее температуру. Оно представляет собой полимер со встроенными датчиками в виде оптоволокна с расположенными вокруг него электролюминесцентным и пьезоэлектрическим слоями.Электролюминесцентный слой содержит вещество, которое излучает свет под действием энергии. Пьезоэлектрический– создает эту энергию при деформациях (изменениях температуры). В датчике есть два электрода, которыеотвечают за передачу управляющих электрических импульсов на эти слои.
— Световой эффект в виде спектра свечения возникает в результате взаимодействия электролюминесцентного и пьезоэлектрического слоев датчика при заданном контролируемом спектре вибраций покрытия, при этом осуществляется измерение «частотного сдвига» спектра свечения в зависимости от изменений температуры. Колебания покрытия создаются переменным управляющим электрическим напряжением на электродах датчика. Световые сигналы с «градусной» информацией появляютсяв электролюминесцентном слое и далее проникают внутрь оптоволокна. Затем распространяются по нему к приемнику-анализатору, где преобразуются в числовую форму и обрабатываются по специально разработанному алгоритму, — рассказывает профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор физико-математических наук Андрей Паньков.
Математическое моделирование термоиндикаторного покрытия осуществлено на его фрагменте в виде композитной ячейки, так как структура покрытияаналогична пчелиным сотам — это большое число одинаковых повторяющихся ячеек. Каждая из них преобразует напряжение на электродах датчика в свечениеэлектролюминофора в зависимости от температуры. В математическую модель ячейки необходимо подставить известные параметры датчика – геометрические размеры и свойства его элементов и начальный спектр свечения люминофора, например, при комнатной температуре, а на «выходе» модели (в результате компьютерных вычислений) находится коэффициент «частотного сдвига» спектра свечения в зависимости от нагрева или охлаждения.
С помощью формул ученые Пермского Политеха подробно описали математический алгоритм, по которому качественно «извлекается» информация о температурном спектре и его зависимости от спектра интенсивностисветовых сигналов на выходе из оптоволокна датчика.Полученная модель дает новые знания о происходящих сложных процессах и различных физических эффектах при работе термоиндикаторного покрытия.
Разработка ученых Пермского Политеха повышает эффективность удаленного мониторинга температурных изменений аэрокосмической техники. Это позволит более точно контролировать механические характеристики летательных аппаратов при их эксплуатации и вовремя принимать меры при обнаружении, например, обледенелых участков. Изготовление термоиндикаторных полимерных покрытий уже планируется в одной из лабораторий аэрокосмического факультета ПНИПУ.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн. рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны.