Геологи предсказывают извержения вулканов и землетрясения по изменениям лазерного «эха», которое проходит по оптоволоконным кабелям с медным покрытием. Однако в процессе изготовления и остывания волокна медь сжимается активнее стекла, порождая микроизгибы. Это деформирует сигнал: смещаются временные задержки и снижается мощность луча, из-за чего специалист рискует не заметить ранние симптомы приближающейся катастрофы. Причина подобных искажений кроется в недостоверных компьютерных симуляциях, которые не учитывают разницу в температурах отвердевания кварца и металла.
Для устранения этой проблемы сотрудники Пермского Политеха создали объемную трехмерную модель, которая впервые принимает во внимание различные тепловые условия остывания слоев. Данные обнародованы в журнале «Вестник ПНИПУ. Механика».
Оптоволоконный кабель в медной оболочке размещают в самых опасных зонах — раскаленных скважинах, жерлах вулканов, кипящих источниках. Лазерный импульс пробегает по стеклянной нити вниз, часть света рассеивается и возвращается обратно наподобие эха. По переменам интенсивности, частоты или времени прихода отражения геологи определяют, что происходит в недрах: трещит ли порода, поднимается ли магма или прорывается пар.
Скрытая проблема возникает на этапе изготовления: при охлаждении медная оболочка сдавливает стеклянную сердцевину сильнее необходимого, вызывая микроизгибы. Это искажает световой сигнал, и специалист получает ошибочные данные либо пропускает начало извержения. Предыдущие плоские компьютерные модели имели два серьезных изъяна: они предполагали одновременное застывание кварца и меди при одинаковой температуре, хотя кварцевое стекло твердеет при 1350–1450°C, а медь начинает плавиться лишь при 1080°C. К тому же плоский алгоритм не показывает распределение напряжений по длине волокна.
Ученые ПНИПУ разработали трехмерную компьютерную копию — объемный цилиндр, для каждого слоя которого задали собственную начальную температуру. Аспирант Михаил Напарин пояснил: «Для кварцевого стекла — это 1350–1450°C, интервал, где оно перестает быть вязкотекучим и начинает накапливать напряжения». Он также рассказал, что исследователи рассчитали остывание волокна до комнатных +25°C, повторили вычисления с разным дроблением области и получили расхождение не выше 1,5%. Заведующий кафедрой Анатолий Перминов прокомментировал: «Если увеличить толщину кварцевого слоя... со 125 до 200 микрон, то радиальные деформации сердцевины снижаются на 36%». Он добавил, что более толстый кварцевый слой действует как амортизатор, а новая модель позволит в будущем учитывать неравномерность медного покрытия и влияние микроизгибов на светопроводящие свойства.
В пресс-службе ПНИПУ отмечают, что благодаря этой разработке инженеры смогут еще до запуска в производство подбирать оптимальную конструкцию оптоволокна для экстремальных условий — высоких температур, радиации или агрессивной среды. Модель поможет просчитать разную толщину оболочки, диаметр волокна и материалы покрытия. В перспективе это обеспечит создание более надежных датчиков для нефтегазовой отрасли, геотермальной энергетики, атомных реакторов и космической техники.
Подписывайтесь на наши Max, Телеграм, ВКонтакте, Одноклассники
Если вы стали очевидцем ЧП или чего-то необычного, сообщите об этом в редакцию: boris.merkushev@phkp.ru