Волоконно-оптические решетки брэгга для системы мониторинга целостности конструкции композиционных авиакосмических конструкций: ограничения и инженерные решения. Обзор

Авиационно-космическая отрасль активно переходит к полимерным композиционным материалам (ПКМ): если в лайнерах нового поколения их доля в массе планера достигает 50 % [1], то в конструкции космических аппаратов (КА), особенно тяжелого класса, доля ПКМ в массе силовых конструкций КА уже приближается к 70–80 %. Такое расширение применения ПКМ, с одной стороны, увеличивает ресурс, уменьшает вес новых изделий, а с другой – ужесточает требования к контро-

лю скрытых дефектов и оценке остаточных свойств из-за сложного процесса разрушения ПКМ [2]. В последнее десятилетие активное развитие получило обслуживание по техническому состоянию (CBM – Condition-based maintenance) [3], опирающееся на системы мониторинга состояния конструкций (МСК) [4]: в отличие от регламентного периодического технического обслуживания, CBM проводится по результатам оценки состояния встроенными в конструкцию датчиками при обнаружении признаков повреждения, сокращая объем плановых проверок (рисунок 1).

На фоне широкого спектра сенсорных решений для МСК авиакосмических конструкций наиболее распространены тензорезистивные датчики, часто

ломления света изменяется в продольном направлении. Работа таких решеток по принципу сравнима с дифракционной решеткой, отражающей световую волну Φ₀(λ) с определенной длиной волны и пропускающей остальной проходящий через нее спектр (рисунок 2). Отраженная от ВБР длина волны ( λ _b) оптического сигнала, называемая резонансной длиной волны отраженного спектра, прямо зависит от эффективного показателя преломления и периода решетки и определяется условием Брэгга, которое приведено в (1).

= 2 , где neff – эффективный показатель преломления решетки; Λ – геометрическая длина периода решетки.

Механическая деформация или температурное воздействие, влияя на ОВ, способны вызывать изменение периода и показатель преломления решетки, следовательно, изменять длину волны отраженного спектра. При деформации материала, окружающего ВБР, период решетки изменяется вследствие продольной деформации оптического волокна, вызывающей его растяжение или сжатие (рисунок 2). Изменение температуры окружающего материала также приво- дит к изменению периода решетки, зависящему от коэффициента теплового расширения (КТР). Кроме того, на показатель преломления волокна может влиять термооптический эффект, характеризуемый термооптическим коэффициентом. При совместном воздействии деформации и температуры на решетку Брэгга длина отраженной волны изменяется в соответствии с (2).

--- = ( +   )   + 1 -      E, где Δλb/λb – относительное изменение резонансной длины волны отраженного спектра; peff – редуцированный деформационно-оптический коэффициент первого порядка; ԑ – относительное изменение геометрической длины периода решетки (ԑ = ΔΛ/Λ); αλ – КТР оптического волокна; αn – термооптический коэффициент преломления; ΔT – абсолютное изменение температуры.

Таким образом, ВБР может функционировать как тензометрический датчик и как датчик температуры, что имеет ключевое значение для их применения в системах МСК. В настоящее время существует ряд практических примеров использования ВБР в конструкциях различных летательных аппаратов, которые будут рассмотрены в следующем разделе.

Рисунок 2. Структура волоконной брэгговской решетки и влияние деформации на изменение периода решетки

• 2.    Применение ВБР в летательных аппаратах

• 3.    Инженерные вызовы внедрения ВБРв композитные элементы ЛА

• 3.1.    Перекрестная чувствительность датчиков к деформации и температуре Перекрестная чувствительность ВБР остается одной из ключевых проблем их применения в системах МСК. Уже в ранних исследованиях [5–7] показано, что как температура, так и механические деформации материала вокруг датчика одновременно вызывают сдвиг длины отраженной волны Брэгга, причем величина этого сдвига определяется чувствительностью датчика. Так, для ВБР, записанных в оптическое волокно SMF-28 на длине волны 1550 нм без оболочки, чувствительность к деформации составляет около 1,2 пм/με, тогда как температурная чувствительность достигает 10 пм/°C [8]. В условиях эксплуатации летательного аппарата конструкция испытывает совокупное воздействие механических и тепловых нагрузок, что затрудняет раздельную оценку деформации и температуры. При этом температурное поле определяется не только внешними факторами, но и внутренними источниками тепла (агрегаты, силовая установка и др.), формируя значимые пространственные градиенты. В результате несколько ВБР, расположенные вдоль одного оптического волокна, могут находиться в зонах с различной температурой, что снижает точность измерений и требует применения программных алгоритмов разделения температурной и деформационной составляющих сигнала либо использования дополнительных технических решений для компенсации и корректировки показаний.

Применение ВБР вместо тензометрических датчиков получило наибольшее распространение в системах МСК беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), что объясняется менее жесткими эксплуатационными требованиями по сравнению с гражданскими воздушными суднами. Одним из первых примеров использования встроенной системы МСК можно считать тяжелый американский БПЛА MQ-9 Reaper, в ходе 18-летных испытаний которого была отмечена высокая согласованность показаний отклонения формы крыла, полученных от тензодатчиков и ВБР. Аналогичные системы применялись на X-56, испанских SIVA UAV, MILANO UAV, DIANA UAV, UAS Locomove, израильском Heron MALE, южнокорейском Ultralight JARIBU UL-D, индийском Nishant, а также австралийском DJI S 900 Hexacopter UAV.

Системы МСК на основе ВБР также применялись в планере пилотируемых аппаратов: двухместного ультралегкого планера Phoenix Air S-LSA Motorglider, бизнес-джета Cessna Citation Sovereign, а также ряда военных самолетов (американских F/A-18, X-33, F-22, F-35 и немецкого X-38). Среди гражданских самолетов известны проекты по интеграции ВБР-систем на Boeing 767–300ER, C-27J, Airbus A340–600, Airbus A380 и Boeing 787.

В России также ведутся активные исследования в этой области, однако в открытых источниках преобладают результаты стендовых и лабораторных испытаний элементов ракетной техники и авиационных конструкций, что может быть связано как с закрытостью новых разработок в этой области, так и с действительно небольшим в настоящий момент применением ВБР в реальных конструкциях.

На основе приведенных примеров можно отметить ключевые функции ВБР в составе систем мониторинга: контроль геометрии летательного аппарата в полете для дальнейшего анализа статической прочности и долговечности (датчики перемещений), измерение локальных деформаций в критических зонах (датчики деформаций), обнаружение ударных воздействий с применением ультразвуковых методов (датчики структурной целостности), а также измерение локальной температуры конструкции и внутренних систем (датчики температуры). Таким образом, ВБР продемонстрировали потенциал применения в качестве многопараметрических сенсоров, совмещающих функции деформационных, температурных и датчиков состояния, что делает их перспективными для формирования мультифункциональных конструкций планера летательных аппаратов нового поколения. Однако сохраняется ряд нерешенных проблем, ограничивающих широкое внедрение оптических сенсоров в авиакосмические конструкции, которые будут рассмотрены в следующем разделе.

Несмотря на зрелость технологии ВБР, их эксплуатационная интеграция в авиакосмические конструкции из ПКМ остается ограниченной.

В данном разделе систематизированы ключе- ¹⁹ вые проблемы – перекрестная чувствительность, сложности встраивания и вывода, ограниченная масштабируемость сенсорных сетей, влияние на структуру материала и задачи по выявлению повреждений. Также приведены возможные решения и дана критическая оценка степени их проработанности.

Одним из наиболее простых и распространенных методов компенсации перекрестной чувствительности является использование пары параллельных массивов ВБР, записанных на двух оптических волокнах: одно механически связано с конструкцией и воспринимает как деформацию,

так и температуру, другое изолировано от матрицы и регистрирует лишь температурное воздействие. Такой подход известен как метод парных датчиков [8]. В простейшей реализации (рисунок 3) нагруженное и ненагруженное волокна располагают рядом, что обеспечивает более точную компенсацию температурного влияния. Определяя разницу длин волн двух параллельных ВБР, метод позволяет получить значения локальной деформации, свободные от температурной составляющей. По данным экспериментов [8–10], при корректной калибровке погрешность оценки деформации не превышает 4 %.

температуры. Использование капилляров и КП перспективно для композиционных конструкций, но имеет существенный недостаток: их диаметр 130–200 мкм сопоставим с толщиной единичного слоя ряда конструктивных ПКМ, что может вызывать локальное отклонение армирующих волокон в соседних слоях и приводить к концентрации напряжений.

Вариантом дифференцированного метода без опорного ненагруженного канала волокна является использование пары оптических волокон с ВБР с различными чувствительностями к деформации и температуре. В этом случае все решетки воспри-

Рисунок 3. Схематическое представление метода парных датчиков с массивом ненагруженных ВБР на поверхности материала и массив нагруженных ВБР, интегрированных в материал

С другой стороны, использование ненагружен-ного оптического волокна требует детальной проработки технологии его закрепления в материале, поскольку она напрямую влияет на его долговечность и точность температурной компенсации показаний нагруженного датчика. В настоящее время распространены два конструктивных подхода: (а) размещение опорного волокна в зоне, практически свободной от механических деформаций, и (б) поверхностное нежесткое крепление с применением защитного капилляра/капсулы. В первом случае опорный массив ВБР располагают, например, у ребра жесткости или на кромке панели; однако температурное поле в такой зоне может отличаться от поля в рабочей области нагруженного датчика, что вносит систематическую погрешность в температурную компенсацию. Этот вариант уместен преимущественно в лабораторных исследованиях на простых образцах и ограниченно применим в реальных конструкциях. Во втором случае используются защитные устройства, минимизирующие передачу деформаций от матрицы к ВБР: волокно с массивом решеток вводят в капилляр из тефлона, стекла, полиэфирэфиркетона (PEEK), где оно механически не связано с окружающим материалом и, следовательно, регистрирует в основном температуру. В качестве альтернативы капилляру используется компенсационный пакет (КП), представляющий собой трубку из двух и более материалов с различными коэффициентами теплового расширения, обеспечивающую близкий к нулю суммарный отклик ВБР на изменение нимают деформацию (ԑ) и изменение температуры (ΔТ), но с разными коэффициентами чувствительности к деформации (Kԑ) и температуре (KT), обусловленными материалом/толщиной оболочки, типом покрытия и/или легированием сердцевины [11].

Тогда:

1 /   1  _   £1      1    E            £11

=                    ,* 0,

2/   2        £2      2                  £22

и ԑ , ΔТ восстанавливаются из пары измерений. Практически это реализуют через модификацию оболочки (ВБР с полимерными покрытиями, комбинированные оболочки с жидкостью, имеющей низкий показатель преломления, и металлизированные) [12].

Альтернативно используют оптические волокна с различным легированием сердцевины (на основе Ge, B, P), формируя дискретно отличающиеся K _ԑ и K _T на разных участках волокна [13]. Пары ВБР могут располагаться каскадно (последовательно с минимальным интервалом на одном ОВ) или на параллельных разнолегированных ОВ.

Помимо модификации свойств оболочки и световода применяются последовательности ВБР различных типов: чирпированные (Chirped) [14], наклонные [15], суперструктурированные [16], ми-кроструктурированные [17], а также комбинации решеток типов I, IA и IIA [18]. Эти сенсоры основаны на более сложных структурах – с изменяемым периодом, наклоном к оси волокна, амплитудной модуляцией и другими параметрами, что позволя- ет регулировать чувствительность к деформации и температуре вдоль оптического волокна. Однако высокая стоимость и технологическая сложность их изготовления ограничивают применение таких ВБР преимущественно экспериментальными исследованиями, тогда как для масштабных сенсорных систем они пока малопригодны.

Во многих исследованиях предложены многопараметрические (комбинированные) системы ВБР, позволяющие по одному оптическому волокну одновременно определять деформацию и температуру, разделяя их вклад в смещение длины отраженной волны. Для этого ВБР сочетают с интерферометрическими элементами: резонатором Фабри–Перо (ФП) [19], интерферометром Саньяка [20] или Микельсона [21]. Наибольший интерес получило совместное использование ВБР и ФП. В работе [22] описана модифицированная решетка с воздушным зазором (менее диаметра сердцевины), формирующим резонатор Фабри– Перо; по его интерференционному спектру отдельно определяется локальная температура вблизи ВБР. Тем не менее такие системы нуждаются в сложных устройствах опроса, а также в проверке влияния воздушных полостей на прочностные и усталостные свойства волокна. Для систематизации рассмотренных подходов и их ограничений приведено сравнение методов компенсации перекрестной чувствительности ВБР (таблица 1).

В настоящее время в композиционных конструкциях наибольшее распространение получили методы с парными ВБР благодаря простоте их интеграции в материал и низкой себестоимости по сравнению с альтернативными технологиями, что особенно важно при большом числе датчиков в сенсорных авиационных систе- мах. Использование различных условий записи и легирования остается перспективным направлением, однако требует дополнительных исследований, связанных с долговременной стабильностью работы в условиях влажности, вибрации и циклических нагрузок.

• 3.2.    Локальное воздействие датчика

на структуру материала

Интеграция оптического волокна в композиционный материал может приводить к локальным искажениям его структуры. Это связано с тем, что диаметр волновода вместе с защитной оболочкой ²¹ составляет 50–125 мкм [23], что на порядок превышает диаметр высокопрочных волокон углепластика или стеклопластика (5–20 мкм). При больших диаметрах ОВ искажения структуры могут вызывать образование смоляных карманов в процессе формования изделия [24] (рисунок 4 а ). Однако такое опасное влияние практически нивелируется вследствие того, что в композиционном материале не применяются элементарные угольные, органические или стеклянные волокна. Их применение происходит в виде жгутов и пучков волокон, с количеством элементарных волокон от 3 до 12К (тысяч штук) в одном жгуте. Технологический размер толщины жгута при этом становится близким к диаметру волновода 100–125 мкм.

Изначально интеграция оптических волокон в композит вызывала опасения, что такие включения снизят прочность материала или станут инициаторами трещин. Однако применение тонких волокон диаметром 50–80 мкм и их укладка параллельно армирующим волокнам позволяют минимизировать искажения внутренней струк-

Таблица 1

Метод	Эффективность подавления ԑ-T	Сложность интеграции	Уровень технологической готовности	Ключевые ограничения
Парных датчиков	Высокий	Средний	Высокий	Требуется ненагруженный массив ВБР; использование капилляров, компенсационных пакетов
Покрытия/легирование	Средний	Низкий	Средний	Требуется совместимость с режимами отверждения изделия и высокотехнологическая сварка
Модифицированные ВБР (PS-FBG/чирпирован-ные/ наклонные и т.д.)	Средний	Средний	Средний	Сложный процесс производства; чувствительность к настройке интеррогатора
Гибридные системы (ВБР + интерферометры, ФП)	Высокий	Высокий	Средний	Сложность системы опроса и обработки; межканальная калибровка

Сравнение методов решения проблемы перекрестной чувствительности ВБР

б

Рисунок 4. Схематическое представление расположения оптического волокна поперек армирующих волокон (а); вдоль волокон (б)

туры (рисунок 4 б ) [25]. Экспериментально установлено, что стандартное волокно диаметром 125 мкм не снижает прочность композита при укладке вдоль направления армирования [26], а использование ультратонких волокон предотвращает образование заметных смоляных карманов [27]. Кроме того, в ряде работ [28–30] показано, что оптимальное расположение оптического волокна – вблизи срединной плоскости слоя, что связано с минимизацией остаточных напряжений и деформаций при изгибе, а также с сохранением симметрии геометрических и термомеханических свойств.

С другой стороны, рекомендация по укладке ВБР вдоль армирующих волокон ограничивает возможность их изгиба для оценки различных компонентов деформации с помощью одного ОВ. Это особенно критично при анализе комплексного напряженно-деформированного состояния материала. Теоретически данную задачу можно решить за счет интеграции дополнительных опти- ческих волокон в слоях, ориентированных вдоль искомых компонент деформации. Однако увеличение плотности ОВ способно негативно повлиять на механические свойства материала. Так, в работе [31] показано, что при ударном нагружении увеличение плотности оптических волокон по ширине приводит к снижению энергии рассеяния при низкоскоростном ударе на 5–10 % и к уменьшению жесткости материала на 20 % по сравнению с материалом без ОВ.

Таким образом, задача оптимизации расположения датчиков должна решаться уже на стадии проектирования конструкции. В настоящее время эта проблема считается в существенной степени проработанной, поскольку сформулированы ключевые рекомендации (таблица 2), позволяющие минимизировать влияние встроенных оптических волокон на структуру и свойства материала. Однако большинство рекомендаций основаны на эмпирических данных, полученных для ограни-

Таблица 2

Негативные эффекты из-за интеграции ОВ	Рекомендации по устранению
1.    Смоляные карманы 2.    Локальное отклонение армирующих волокон	1.    Использование тонких ОВ (50–80 мкм вместо стандартных 125 мкм) 2.    Укладка параллельно армирующим волокнам для равномерного распределения связующего 3.    Выравнивание и фиксация ОВ при укладке слоев
3. Концентрация напряжений и снижение прочности вблизи волокна	1.    Укладка вблизи срединной плоскости слоя 2.    Оптимизация схемы расположения
4. Снижение ударной вязкости	1.    Ограничение плотности укладки 2.    Использование только в критических зонах конструкции
5. Риск возникновения трещин вблизи ВО	1.    Использование волокон с совместимыми покрытиями (полиимид, PEEK) 2.    Контроль адгезии между волокном и матрицей 3.    Минимизация перегибов и пересечений ОВ
6. Остаточные напряжения при отверждении	1. Учет коэффициентов теплового расширения оболочки ОВ и матрицы

Рекомендации по интеграции ОВ в ПКМ

ченного числа матричных систем и армирующих волокон. В условиях появления новых поколений полимерных композитов с иными термомеханическими характеристиками и сложной многослойной архитектурой необходимость уточнения и валидации существующих подходов остается актуальной.

• 3.3.    Проблема точек ввода/вывода ОВ

из материала

При интеграции оптических волокон особое внимание следует уделять формированию точек их ввода и вывода, поскольку именно эти зоны наиболее уязвимы на стадиях изготовления, механической обработки и последующей эксплуатации изделия. Неправильно сформированные точки ввода/вывода могут стать источником дефектов, включая микротрещины и расслоения. Способы реализации данного процесса включают три основных варианта:

• 1)    вывод незащищенного волокна с локальной защитой на кромке изделия (рисунок 5 а );

• 2)    использование краевых разъемов с применением коннекторов (рисунок 5 б );

• 3)    использование поверхностных разъемов (рисунок 5 в ).

В первом случае для защиты используются втулки из термопласта или силиконовые трубки в зоне выхода волокна. Такое решение снижает вероятность его повреждения за счет уменьшения концентрации напряжений и предотвращает попадание смолы при автоклавном формовании. Преимуществом метода является прямое соединение волокна с устройством опроса, что минимизирует потери отраженного от ВБР сигнала. Однако отсутствие полноценной механической защиты, ограничения при обработке кромки и низкая ремонтопригодность существенно ограничивают его применимость в авиационных конструкциях, хотя данный подход широко используется в лабораторных образцах.

Во втором и третьем случаях применяются специальные коннекторы с керамическими сердечниками (ферулами) и вклеенным оптическим волокном. Современные коннекторы позволяют подключать несколько каналов. Поверхностное крепление коннектора предпочтительно для авиационных конструкций, поскольку не ограничивает обработку кромок и может быть реализовано практически в любой зоне конструкции, за исключением сильно нагруженных. Следует учитывать, что оптические потери при использовании таких коннекторов могут составлять до 1,5–5 дБ на терминал, что требует компенсации при калибровке сенсоров. Метод поверхностного крепления был исследован в работе [32] на примере силовых элементов крыла Airbus A350 и оценен как перспективный для систем мониторинга. Вместе с тем его реализация предполагает соблюдение ряда условий:

• а)    материал коннектора должен выдерживать температурный диапазон 180–220 °C при отверждении композита и сохранять работоспособность при эксплуатационных температурах до –60 °C;

• б)    КТР коннектора должен быть совместим с КТР КМ как на стадии отверждения изделия, так и при эксплуатации;

• в)    устройство должно иметь минимальные габариты, обтекаемую форму и герметичность, исключающую попадание смолы;

• г)    соединение с оптическим волокном должно обеспечивать высокую надежность и минимальные потери сигнала;

• д)    конструкция ввода и вывода должна быть устойчива к статическим и динамическим нагрузкам, изменениям влажности, вибрациям, ударам и коррозионной среде;

• е)    механизм фиксации должен обеспечивать ограниченное число подключений при сохранении стабильности параметров.

Использование коннекторов облегчает эксплуатацию сенсорной системы, позволяя быстро переключать устройство опроса между разными каналами и оперативно исключать поврежденные линии.

Попытки создания бесконтактных решений, например в рамках проекта FP7 SMARTFIBER [33], оказались малоэффективными вследствие сложности реализации, недостаточной надежности и значительных оптических потерь при пере-

а  бв

Рисунок 5. Схематическое изображение типов выводов интегрированных датчиков

даче данных по беспроводному каналу. Поэтому в настоящее время такие технологии остаются на экспериментальном уровне и не получили практического применения.

• 3.4.    Оценка поврежденности материала

с помощью ВБР

Измерение деформации само по себе недостаточно для полноценного применения в системах МСК. Основная задача SHM заключается в диагностике состояния, что реализуется через оценку остаточной прочности и жесткости либо через выявление повреждений и внутренних дефектов. Так как при нормальных эксплуатационных режимах ПКМ работают преимущественно в упругой области, ключевая задача МСК сводится к обнаружению повреждений в таких материалах.

Наибольшее развитие получили два класса методов обнаружения повреждений: (1) квазиста-тические – на основе анализа локальных полей деформации и (2) динамические – на основе волн Лэмба и акустической эмиссии.

Основным регистрируемым параметром ВБР является деформация, что позволяет использовать их для диагностики повреждений (рисунок 6 а ). Было установлено, что развитие дефекта вызывает локальные изменения в поле деформации конструкции, которые могут фиксироваться ВБР. Вблизи расслоений или микротрещин отраженный спектр решетки искажается: наблюдается расщепление пика или его двухвершинная форма, а при пересечении трещиной зоны решетки – резкое изменение спектральной формы [34]. Для количественной оценки повреждений применяются методы многопиковой аппроксимации, а также корреляционные и фазокорреляционные алгоритмы. Повышение чувствительности к малым дефектам достигается за счет уменьшения длины решетки до 1–5 мм [35], что снижает спектральные искажения. При этом возникает необходимость в более высокой плотности датчиков и строгом контроле перекрестной чувствительности к температуре, что предъявляет дополнительные требования к мультиплексируемости оптоволокна. Для улучшения метода применяются чирпированные решетки с переменным периодом, которые формируют квазираспределенный отклик вдоль своей длины и позволяют фиксировать протяженные дефекты, в том числе определять размеры и направление распространения расслоений. Наибольшее внимание при использовании данного метода уделяется клеевым соединениям, склонным к деградации вследствие концентраторов напряжений (болтовые стыки) и усталости клея. В этих задачах ВБР применялись как для анализа спектральных искажений [36], так и в сочетании с методом обратных конечных элементов (iFEM) [37].

Динамические методы позволяют выявлять повреждения по изменению параметров упругих волн. Наиболее распространен подход с использованием волн Лэмба (рисунок 6 б ), возбуждаемых пьезоактюаторами. При распространении в тонкой пластине такие волны вызывают микродеформации, регистрируемые ВБР. Параметры сигнала (амплитуда, фаза, частота) зависят от состояния материала: при прохождении через расслоения или зоны ударного повреждения характеристики волны изменяются, что дает возможность идентифицировать дефект по сравнению с эталонным состоянием конструкции. Изменение деформации вблизи ВБР, вызванное распространяющейся волной Лэмба, описывается аналитически (3):

2 e() = e cos — - , где ԑm – ультразвуковая амплитуда деформации; λs – длина волны; ωs – угловая частота.

Колебания деформаций происходят в пределах очень коротких временных интервалов, что требует от системы датчиков повышенной чувствительности и использования устройств опроса с частотой до сотен кГц и единиц МГц. В настоящее время опубликовано значительное число экспериментальных исследований, в которых данный метод применялся для обнаружения как прогрессирующих дефектов, так и ударных повреждений [38].

Для практической реализации технологии МСК ключевым требованием является возможность локализации источника повреждения. Наиболее распространенным методом остается триангуляция, однако ее применение в сочетании с ВБР ограничено. Это связано, с одной стороны, с направленной зависимостью демпфирования волн в анизотропных композиционных материалах, обусловленной различиями их упругих свойств, а с другой – с выраженной направленной чувствительностью самих ВБР: в работе [39] показано, что отклик решетки на волны, приходящие перпендикулярно оси волокна, близок к нулю. Для повышения чувствительности предлагаются различные подходы, включая распределенное размещение датчиков и использование фазированных решеток [40]. В последнем случае массив датчиков располагается параллельно, а обработка сигналов выполняется методом суммирования с введением временных задержек (TDM – TimeDomain multiplexing). Другим направлением является применение модифицированных решеток со смещенной фазой (PS-FBG – phase-shifted fiber bragg gratings), обладающих повышенной направленной чувствительностью, хотя ее эффективность может снижаться при увеличении длины решетки.

Существенным недостатком активных методов на основе волн Лэмба является необходимость применения дополнительных актюаторов, что повышает массу и усложняет архитектуру сенсорной системы самолета. Поэтому такие решения на сегодняшний день применяются преимущественно в лабораторных исследованиях. В то же время повреждения сами по себе генерируют низкоэнергетические широкополосные упругие волны (акустическую эмиссию), что позволяет реализовать пассивный метод SHM (рисунок 6 в ). Испытания образцов и конструктивных элементов [41] показали, что при высокоскоростном опросе ВБР способны эффективно регистрировать акустическую эмиссию, демонстрируя чувствительность, сопоставимую с пьезоэлектрическими датчиками. Для фиксации коротких всплесков требуется частота опроса свыше 1 МГц. В исследовании [42] применение PS-FBG позволило не только регистрировать сигналы акустической эмиссии, но и классифицировать тип повреждения.

Использование ВБР в качестве датчиков структурной целостности рассматривается как перспективное направление для авиационных систем SHM. По сравнению с пьезоэлектрическими сенсорами они отличаются компактностью и устойчивостью к электромагнитным помехам. Вместе с тем их широкое внедрение ограничено рядом нерешенных задач: направленная чувствительность решеток требует либо их модификации (например, PS-FBG), либо разработки оптимальных топологий размещения в конструкции; динамические методы особенно уязвимы к перекрестной чувствительности к температуре и деформации; распространение волн в многослойных структурах сопровождается отражениями и интерференцией, вызывающими фантомные сигналы и усложняющими обработку; наличие адгезионного слоя между волокном и матрицей ограничивает частотный диапазон пропускаемых волн. Сравнение описанных методов регистрации повреждения материала с помощью ВБР представлено в таблице 3.

актюатор а  бв

Рисунок 6. Схематическое представление метода нахождения повреждений с применением ВБР, где: а – измерение локального изменения поля деформации; б – детектирование повреждения с помощью волн Лэмба; в – детектирование повреждения с помощью акустической эмиссии

Таблица 3

Метод	Точность локализации	Необходимость использования актюаторов	Плотность датчиков	Уровень технологической готовности	Примечания
На основе изменения поля деформации	Средняя	-	Высокая	Высокий	Требуется высокая плотность датчиков
На основе волн Лэмба	Высокая	+	Низкая	Средний	Необходимость использования пьезоактюаторов; чувствительность к анизотропии материала
Акустическая эмиссия	Средняя	-	Средняя	Средний	Пассивная диагностика ударов; невозможность находить повреждения в ненагруженном состоянии конструкции; чувствительность к анизотропии материала

3.5. Ограниченность мультиплексирования и масштабируемость сенсорных сетей для крупногабаритных конструкций

Использование дополнительных линий оптического волокна для компенсации перекрестной чувствительности и построения сложных сенсорных сетей для диагностики повреждений в крупногабаритных авиакосмических конструкциях (корпуса КА, крыло, фюзеляж, оперение) неизбежно приводит к увеличению числа датчиков на одном волокне или необходимости применения нескольких волокон. Несмотря на высокую муль- ²⁶ типлексируемость ВБР, спектральные ограничения не позволяют интегрировать неограниченное

reflectometry). В другой работе использовался метод TDM [44], однако он сопровождается значительными потерями сигнала. Перспективным направлением стали «сверхслабые» решетки (WFBG – Weak Fiber Bragg grating) с отражательной способностью порядка –40 дБ [45]. Экспериментально показана возможность интеграции сети из 843 WFBG [46] на одном волокне при использовании TDM. Дальнейшие исследования подтвердили, что комбинация WFBG с OFDR позволяет интегрировать свыше 1000 датчиков на одном волокне [47], что делает данный подход применимым для мониторинга крупногабаритных авиакосмических конструкций (таблица 4).

Таблица 4

Сравнение использования ВБР с методом опроса WDM и WFBG с методом опроса OFDR

	ВБР + WDM	WFBG + OFDR
Тип сенсора	Квазираспределенный	Распределенный
Количество ВБР на волокне	до 50	больше 1000
Частота опроса	до 100 кГц	10–200 Гц
Отношение «сигнал–шум»	Высокое	Высокое
Максимальная длина опроса	Несколько километров	13 метров на 1 канал
Применение	Лабораторные испытания для измерения температуры и деформации	Использование в системах мониторинга состояния, где требуется большой массив ВБР

Сравнение технологий оценки поврежденности материала с помощью ВБР

число решеток в стандартной схеме опроса на основе разделения по длине волны (WDM – Wavelet domain multiplexing). Каждая решетка занимает часть спектра, и с учетом температурных погрешностей требуемый диапазон для одного датчика увеличивается. В результате максимальное число ВБР на одном волокне обычно не превышает нескольких десятков, что недостаточно для мониторинга крупногабаритных конструкций. Использование нескольких волокон частично снимает проблему, но повышает массу системы и количество устройств опроса.

Решения данной задачи активно разрабатываются как на уровне сенсорных технологий, так и алгоритмов оптимизации. Среди технических подходов можно выделить:

– модернизированные сети ВБР, обеспечивающие повышенную степень мультиплексирования;

– оптимизацию топологии размещения датчиков на стадии проектирования.

В ряде исследований продемонстрирована возможность интеграции крупных массивов ВБР с применением улучшенных методов опроса. Так, в работе [43] реализована сеть из ~3000 ВБР с применением оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR – Optical Frequency Domain

Тем не менее рост числа датчиков усложняет систему опроса и увеличивает объем бортового оборудования. Поэтому полное покрытие агрегатов летательного аппарата, такого как КА или самолет, плотной сетью ВБР остается технологически и экономически нецелесообразным. Решением является оптимальное размещение датчиков в зависимости от контролируемого параметра (температура, деформация, повреждение). На ранних этапах проектирования для этого применяются методы обратного МКЭ [48] в сочетании с алгоритмами оптимизации роя частиц (PSO) [49], генетическими алгоритмами [50] и информационной матрицей Фишера [51]. На последующих итерациях расположение уточняется для критических зон конструкции (технологические отверстия, сбеги слоев, болтовые соединения, потенциальные места ударов), при этом используются статистические данные (на примере [52]) или усовершенствованные алгоритмы оптимизации [53]. Таким образом, увеличение числа ВБР на волокне и оптимизация их расположения представляют собой два взаимодополняющих направления: первое обеспечивает масштабируемость сенсорных систем, второе – простоту и надежность их интеграции в авиакосмические конструкции.

Заключение

Проведенный обзор показывает, что волоконные брэгговские решетки остаются технологически перспективными датчиками для МСК авиакосмических конструкций из ПКМ. При этом уровень системной готовности определяется не столько свойствами отдельных решеток, сколько архитектурой и стандартизированным проектированием сенсорной сети с учетом ограничений интеграции и эксплуатации.

Снижение перекрестной чувствительности «деформация–температура» наиболее надежно обеспечивается методом парных датчиков (нагруженный и референсный каналы) как наиболее зрелым и простым для использования в планере. Дополнительный потенциал демонстрируют модифицированные ВБР (наклонные, чирпирован-ные, суперструктурированные и др.) в каскадных и параллельных конфигурациях, по мере их промышленной доступности.

Оптимальное встраивание оптоволокна связано с размещением вблизи срединной плоскости слоя в направлении армирующих волокон, использованием волокон уменьшенного диаметра, избеганием локально высокой плотности укладки, а также применением миниатюрных и совмести-