Александр РЕПИН

Здесь все иначе: новые образцы авиатехники и модернизируемые старые оснащаются оптоволоконными шинами данных. При этом датчики в большинстве остаются прежними, не позволяя в полной мере воспользоваться всеми преимуществами волоконной оптики перед медью. Но так будет не всегда: переход на волоконно-оптические датчики снимет многие вопросы. О нынешнем состоянии в отрасли и о дне завтрашнем – в этой статье.

Для полного перехода от разрозненных волоконно-оптических (ВО) каналов к полностью оптоволоконному борту самолета есть немало предпосылок. Это объективные преимущества оптического волокна как среды передачи информации на борту, мнение специалистов ведущих мировых фирм-производителей авиатехники, благоприятные условия для продвижения (создаваемые теми же производителями), конкретные шаги на всех уровнях по внедрению волоконной оптики в авиацию (обо всем этом – в предыдущей статье «Волоконная оптика в авиации: наступившее завтра», №1/2016).

А для военной авиации с появлением боевых систем на основе электромагнитного  излучения волоконные сети становятся чуть ли не единственной возможностью выживания, поскольку в них не наводится электрический ток, способный вывести из строя всю электронику летательного аппарата.

Но и переход на волоконную оптику многих пугает или просто не устраивает.

Кто-то вспоминает опыт 1980-х: «Я один раз попробовал, и мне не понравилось!» Неудивительно: 30 лет назад волоконная оптика делала первые шаги, и потери в 2-3 дБ в соединителях считались хорошим результатом, тогда как сейчас норма – 0,2-0,3 дБ. Но и тогда в СССР были специалисты, способные создавать изделия, не уступающие разработкам потенциального противника. В российском ВМФ волоконная оптика – давно уже реальность. Технические условия ряда российских предприятий, изготавливающих волоконно-оптические соединители и другие пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), изначально соответствуют жестким требованиям, предъявляемым к изделиям и комплектующим для военного применения (комплекс государственных военных стандартов «Мороз-6», ГОСТ РВ 20.39). Требования к этим изделиям уже при разработке были ориентированы на возможность их использования в военной технике, компоненты создавались именно как продукция двойного применения.

Кто-то из руководителей, принимающих решения, понимает логику происходящего, но сетует на то, что ВОЛС требуют двойного преобразования сигнала из электрического в оптический и обратно: в системе управления и на конечных электрических и электромагнитных датчиках. И если блоки управления могут быть вынесены в отсек с комфортными температурными параметрами, то не всякая оптоэлектроника способна выдержать жесткие условия эксплуатации в зоне измерений (например, высокие температуры вблизи двигателя или вследствие нагрева обшивки от трения о воздух на высоких скоростях).

Сегодня изготовители не гарантируют работу излучателей и приемников излучения в диапазоне от -60 до свыше +150°С, в котором зачастую работают, например, расходомеры.

У таких специалистов напрашивается немедленный «логичный» вывод: пока есть надежные, хорошо зарекомендовавшие себя датчики на электрических принципах преобразования, незачем менять и среду передачи сигнала в угоду модным тенденциям и в ущерб надежности системы, безопасности самолета, летчиков, а тем более пассажиров.

Но именно эти «надежные» системы с появлением электромагнитного оружия  делают ЛА беззащитным. По медному кабелю смертоносный импульс попадает в электронные блоки, как к себе домой.

Получается, все указывает на нежелательность применения вместе с электрическими датчиками оптоволокна: «оптоволоконная сеть передачи плохо совмещается с электрическими датчиками»?

А может быть, наоборот? Электрические датчики плохо интегрируются в волоконно-оптические сети? Абсурдность на первый взгляд этого предположения довольно быстро разбивается о настойчивость западных производителей – с каким упорством они насаждают необходимую им, как воздух, волоконную оптику. Настолько упорно, что скоро воздуха может не хватить производителям традиционных датчиков для авиатехники.

Очевидно, что остановить процесс внедрения волоконной оптики на борту ЛА невозможно – все новые образцы техники обладают не только информационными каналами на оптоволокне, но уже и оптоволоконными системами управления.

Решение находится на поверхности: есть волоконно-оптическая система – почему бы и датчики не применить в ней волоконно-оптические, убрав дополнительное преобразование? Тогда на смену помехозащищенному каналу передачи приходит принципиально новое понятие – сквозная волоконно-оптическая среда (СВОС). Среда, где и передача сигнала, и съем информации осуществляются оптоволокном.

В этом случае наличие оптоэлектроники для преобразования является уже не неразрешимой проблемой, а просто досадной помехой, которую можно устранить, например, расположив оптоэлектронный преобразователь вместе с остальной аппаратурой обработки в вынесенном за пределы зоны измерения блоке, оставив в зоне измерений лишь пассивный волоконно-оптический сенсор, не требующий электропитания. В таком случае световые сигналы от датчиков, модулированные изменением параметров измеряемой среды, будут стекаться к единому многоканальному оптическому блоку преобразования, которому при необходимости можно обеспечить и охлаждение, и экранирование.

Какие физические величины можно контролировать волоконно-оптическими датчиками (ВОД)? Уровень и расход топлива, температуру, давление, ускорение, уровень вибрации, углы поворота (волоконно-оптические гироскопы), даже обледенение.

Конечно, работа предстоит немалая: волоконно-оптическая сенсорная сеть имеет свои принципы организации, иные условия эксплуатации. Это новые требования по надежности, другой опыт обслуживания. Для изготовителей – это переналаживание производства или ввод новых мощностей, для кого-то из них – потеря рынка, наработанного за годы, а то и десятилетия.

Но, с другой стороны, это – и новые возможности: уже проводились испытания, показавшие работоспособность волоконно-оптических датчиков и соединителей при температурах от -60 до +125°С, их высокую вибростойкость и ударопрочность – в пределах нормативных требований к отечественной авионике. И это далеко не предел.

Преимущество здесь пока что у тех, кто отвечает на вызовы времени – естественно, это разработчики из США. В 1985 г. была начата программа NASA по созданию волоконно-оптической системы измерения, базирующейся на оптоволоконных датчиках (Fiber Optic Control System Integration Program, FOCSI). Первоначальная цель программы – применение волоконно-оптических/электрооптических технологий в системах контроля самолета – к 1997 г. была переформатирована в исследование возможности создания волоконно-оптической системы управления. Для этого на борту летающей лаборатории SRA/F-18 было установлено более двух десятков волоконно-оптических датчиков нескольких производителей, организована волоконно-оптическая сеть и даже опробован интеллектуальный привод, управляемый оптическими командами по волокну.

Несмотря на общую положительную оценку результатов, итог эксперимента не превзошел ожиданий. Оно и неудивительно: возможно, по причине недостаточного финансирования (а его в 1990-е гг. урезали не только в России) эксперимент затянулся. И в то время как технологии волоконной оптики за более чем десяток лет шагнули далеко вперед, на борту SRA/F-18 стояли соединители 1980-х гг. Остальное оборудование, вероятно, под стать.

Тем не менее расслабляться отечественным разработчикам не стоит: работа, и серьезная работа, за рубежом ведется. Подтверждение тому – программы Airbus LOADNET, FONDA, DAPHNE, поддержанные руководством Евросоюза, на каждую из которых было потрачено по несколько миллионов евро. Цель одна – скорейшая адаптация волоконной оптики под нужды авиации.

К применению волоконно-оптических датчиков западных авиапроизводителей подстегивают вполне очевидные факторы:

1. Рост количества применяемых в бортовых сетях передачи данных ВО технологий в силу осознания их преимуществ перед традиционными сетями на основе медного кабеля.

2. Появление высокоскоростных ВО сетей передачи данных с большой пропускной способностью на борту военных и гражданских серийных ЛА.

3. Желание руководства ведущих компаний-производителей авиатехники соединять оборудование авионики полностью ВО сетями, о чем открыто заявляют представители Airbus.

4. Увеличение пропускной способности сетей потребует пересмотра взглядов на характеристики применяемых датчиков, модернизацию последних, ввод новых. Вот как комментируют эту тенденцию специалисты Исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL): «Использование AFDX позволяет повысить производительность за счет увеличенной полосы пропускания и размера слова, что может выразиться в увеличении скорости прохождения цикла, более точных измерениях с датчиков и прочих возможностях, ограниченных шириной полосы пропускания».

5. Понимание того, что ВО технологии могут найти применение не только в сетях передачи данных, но и в сенсорных сетях.

6. Данные от датчиков уже передаются по ВО сетям, о чем черным по белому написано в «Руководстве по авионике» Технологического института ВВС США (AFIT) в разделе «F-22 Raptor»: «Датчики получают, измеряют и выделяют как радиочастотные, так и другие сигналы. Полученные данные проходят предобработку, оцифровываются и направляются на интегральные процессоры по 400-мегабитной волоконно-оптической шине. Сведения от датчиков помещаются в единый файл сведений и по волоконно-оптическим линиям отправляются на дисплей в кабине пилота».

Об этом же, как о свершившемся факте, говорит Майк Хэррис, руководитель группы по производству авионики Boeing Military Aircraft & Missiles Systems: «От датчиков к интегральным процессорам идут волоконно-оптические линии типа «точка-точка» с очень широкой полосой пропускания, которая легко и быстро справляется с проблемами пропускной способности данных от датчиков, будь то скорость передачи или ширина диапазона».

Разработка волоконно-оптических датчиков для авиации ведется зачастую фирмами, интегрированными в процесс создания авиатехники, что говорит о запросе «изнутри». Например, компания GKN, разрабатывающая волоконно-оптические датчики обледенения во главе целого европейского консорциума компаний и институтов, уже является автором электротепловой противообледенительной системы для Boeing 787.

Наши компании тоже стараются не отставать (по мере возможности, конечно): Уфимское НПП «Молния», например, разработало бесконтактную оптоволоконную систему контроля пламени в камере сгорания и оптическую систему измерения температуры поверхности турбины для двигателя ПД-14 самолета МС-21. Питерский «Техприбор» ведет разработку собственной системы топливоизмерения, построенной исключительно на волоконно-оптических датчиках.

Список можно продолжить, и отдельной строкой в нем будут стоять датчики с использованием брэгговских дифракционных решеток (ВБР), которые оказываются достаточно эффективными, например, для измерения деформаций в плоскостях крыльев ЛА, точечного и распределенного измерения температуры, давления, вибрации. В России на данный момент налажены производства волокон с ВБР и анализаторов спектра к ним. Одно из предприятий-изготовителей, «Инверсия-Сенсор», сообщает о лабораторных и стендовых испытаниях своих изделий для измерения предельных нагрузок на конструктивные части ЛА и мониторинга температуры лобового стекла самолета.

Степень готовности промышленности к насыщению авиационного рынка отечественными ВО датчиками подтверждается тем, что такие сложные в технологическом отношении изделия, как волоконно-оптические гироскопы (ВОГ), уже нашли свое применение на флоте и в авиации, стоят в головках наведения боевых ракет и летают в космос. «Физоптика», «Оптолинк», ЦНИИ «Электроприбор», «Пермская научно-производственная приборостроительная компания» накопили многолетний опыт в этой области.

Однако в масштабах страны разработки имеют разрозненный, эпизодический характер, сводятся к появлению отдельных датчиков, подчас оторванных от действительных пожеланий и требований авиапрома. Это связано с закрытостью и специфичностью рынка авиапродукции – как и любого, имеющего государственную важность.

Комплексному решению задач разработки и внедрения новых систем на борту ЛА у нас мешает целый ряд факторов.

1. До основания разрушена система межзаводской, не говоря уже о межведомственной кооперации – партнерские взаимоотношения между предприятиями возникают за счет установившихся личных контактов.

2. Отсутствует регулярный обмен информацией между предприятиями даже одной отрасли. Зачастую руководители фирм, работающих на соседних улицах, могут встретиться только на выставках в других городах, а то и странах, и к немалому удивлению узнать, что для решения своей насущной проблемы (для чего раньше требовалось запустить отдельные производства) им не хватало как раз продукции новых знакомых.

3. Старая советская привычка секретить разработки: если отчеты по важнейшим для США военным программам легко можно скачать с серверов NASA или даже научных разделов сайта правительства США, то чтобы найти отрывочную информацию по уже готовой и даже поставляемой за рубеж российской военной продукции, надо иметь за плечами лучшие годы, проведенные в Колумбийском университете, или хотя бы стажировку в Лэнгли.

4. Отсутствие уверенности в честности и добросовестности смежников. Если в СССР к порядочности побуждали закон, ГОСТ и/или напутственное слово партийных структур, то сейчас эти системы – на пути к становлению и только начинают крепнуть.

5. Непроработанность правовых норм партнерского коммерческого взаимодействия – незнание собственных прав и нежелание доказывать их в суде вызывают необходимость либо все делать самим (что в большинстве случаев невозможно), либо покупать готовую продукцию и решения и на их основе создавать что-то новое. Научной новизны, допускающей патентную защиту, в таком случае добиться сложно.

Все это не способствует ускорению темпов и повышению качества разработок. А ведь волоконную оптику на борту самолета уже давно нельзя назвать чем-то новым – первые полеты начались уже более 30 лет назад, а сейчас уже освоено более двух десятков типов самолетов и вертолетов, в это направление вложены и заработаны по всему миру миллиарды долларов (подробнее – см. указанный ранее номер журнала «Национальная оборона»).

Сегодня дело за малым:

– объединить усилия по созданию волоконно-оптической системы измерения ЛА, базирующейся на общих принципах работы, с целью улучшения взаимозаменяемости и ускорения ее безболезненного внедрения;

– разработать единый для всех производителей стандарт, в котором закрепить принципы организации системы, ее взаимодействие с другими системами на борту ЛА;

– сформировать комиссию из представителей фирм-потребителей (авиапроизводителей) и разработчиков компонентов ВО системы измерения на постоянной основе для внесения изменений по мере приобретения опыта внедрения (следует учесть, что Совет Главных конструкторов ВОЛС существовал в РФ еще со времен СССР).

Вроде бы, вполне естественно нежелание руководителей предприятий самостоятельно вкладываться в затратные разработки волоконно-оптических датчиков сегодня, когда нет государственной и отраслевой финансовой и административной поддержки, не созданы единые технические требования к датчикам хотя бы по отрасли.

В то же время именно сейчас начало такой работы может принести свои плоды.

Далеко не все новые технические решения сейчас запатентованы, и еще есть возможность, сконцентрировав усилия, вырваться в лидеры в какой-то узкой теме. Пик патентной активности по этой тематике, пришедшийся на 1980-1990-е гг., позволяет уже сегодня использовать эти изобретения 25-летней давности без лицензии, что дает шанс развития «по-китайски», на реализации уже известных решений. И даже если первоначальные разработки не пройдут приемку для авиации, они найдут применение в других областях: на флоте, на АЭС, в пищевой промышленности.

Следует учитывать также, что опора на международные стандарты, сформировавшиеся в ВОЛС, при низком курсе рубля дает преимущества в экспорте новых изделий, ведь санкции – это не навсегда и не от всех покупателей. Главное – хорошее качество продукта. Нет сомнений, что европейским производителям в очередной раз удастся скооперироваться для разработки единого стандарта по применению волоконно-оптических датчиков, с непременным участием госструктур, как это происходит с DAPHNE. Нам не привыкать использовать чужие переводные стандарты, вместо того, чтобы внедрять свои.

Известно, что именно у нас впервые в мире была поднята в воздух летающая лаборатория на базе Су-27 с каналом передачи управляющих сигналов по оптоволокну, испытан первый образец волоконной линии управления.

Так не нам ли начинать?

Объединившись и согласовав усилия, можно вырваться вперед в гонке новой научно-технической революции. Первая строилась на механических измерителях и датчиках, вторая – на электрических и электромагнитных. Грядет третья НТР – оптическая. И возможность выйти в лидеры пока есть у каждого.

Александр Владимирович РЕПИН – ведущий инженер отдела перспективных разработок ПАО «Техприбор»