Изпитване на полезен товар и сензори във въздушния поток: камери, лидари и антени под натоварване

Камера, която създава рязко изображение на лабораторната маса, не създава автоматично рязко изображение, когато е монтирана под самолет на скорост. Същото важи и за антена, която преминава теста си за енергиен бюджет на връзката на статичен полигон, или за гимбал, който поддържа стабилна линия на видимост в стая без вибрации. Въздушният поток около корпуса не е неутрален фон — той влошава точно характеристиките, заради които е закупен полезният товар, и го прави по начини, които лабораторните изпитвания не могат да възпроизведат.

Изпитването на полезен товар и сензори във въздушния поток е начинът, по който тази празнина се запълва, преди да се прояви като размазано изображение или прекъсната връзка по време на реална мисия.

---

1. Защо лабораторната маса не е достатъчна

Собствената квалификация на производителя на полезния товар обикновено обхваща електрическите характеристики, оптичната разделителна способност и механичната издръжливост в изолация. Това, което обикновено не може да обхване, е какво се случва, когато същият този хардуер се намира в турбулентния граничен слой на летателния апарат или по течението на следата от обтекателя, при спектъра на вибрации, който корпусът реално генерира, в температурния диапазон, в който реално протича мисията. Това са условия на ниво корпус и те съществуват само след като полезният товар е монтиран на — или представен в — превозното средство, на което реално ще лети.

---

2. Аерооптично размазване: турбулентността влошава изображението, а не само корпуса

За всяка камера, лидар или лазерна система, която гледа през обкръжаващия въздушен поток, аерооптиката е съответната физика — област на изследване, датираща от 50-те години на миналия век, когато изследователите за първи път количествено определят как турбулентният граничен слой изкривява преминаващия през него светлинен лъч. Механизмът е прост: турбулентността създава локални вариации в плътността на въздуха, вариациите в плътността променят локалния коефициент на пречупване, а вълновият фронт, преминаващ през това поле с променлив коефициент, излиза абериран (изкривен), вместо плосък.

Ефектът зависи от дължината на вълната и е от по-голямо значение за съвременните сензори, отколкото за системите, около които първоначално е изградена тази област. При фиксирано ниво на изкривяване на оптичния път, система, използваща видима или близка инфрачервена светлина (диапазонът, който използват повечето камери и много лидари), губи много повече от качеството на изображението, отколкото по-стара дълговълнова система при същото ниво на турбулентност — ниво на изкривяване, което едва е повлияло на работата на 10,6 μm лазер, може да намали числото на Щрел (стандартна мярка за рязкост на изображението, където 1,0 е перфектно) на близка инфрачервена система от почти перфектно до около 0,67. Това е една от причините аеродинамичната форма и позицията на монтиране на сензорния контейнер да са толкова важни, колкото и оптиката в него.

Изпитването на аерооптични ефекти в аеродинамичен тунел е утвърдена практика на десетилетия, провеждана в обикновени дозвукови и трансзвукови тунели с лазерна измервателна апаратура (техниката "сонда на Мали"), поставена да измерва точно този вид предизвикано от граничния слой влошаване на изображението, преди сензорът изобщо да полети.

---

3. Какво причинява потокът на останалата част от полезния товар

• Вибрации. Гимбалът или стойката на камерата усещат реалния спектър на вибрации на корпуса, а не идеализираното размахване на лабораторната вибромаса — а системите за стабилизация на гимбала са специално настроени да потискат вибрации при определени честоти, което се проявява правилно само при реалното възбуждане на корпуса.
• Нагряване. Електрониката на сензорите в контейнера или обтекателя генерира собствена топлина, а въздушният поток около корпуса определя дали тази топлина се отвежда или се натрупва — проблем, който се променя напълно между статичната лабораторна маса и средата с движещ се въздушен поток.
• Обледеняване на самия сензор, а не само на корпуса. Оптичен прозорец или антенен обтекател (радом), който се обледени, спира да работи много преди крилото, а моделът на натрупване зависи от локалния поток около тази специфична форма на обтекателя.
• Форма на обтекателя спрямо качество на сигнала. Радомът или оптичният купол е компромис между аеродинамичното съпротивление и прозрачността за това, което защитава — ако сбъркате аеродинамичната форма, ще изкривите и радиочестотния или оптичния път през него.

---

4. Какво реално измерва кампанията за изпитване на полезен товар

• Качество на изображението или вълновия фронт в целия диапазон от скорости и ъгли , използвайки същата аерооптична измервателна апаратура, разработена за бордови оптични системи — а не единична статична базова снимка.
• Спектър на вибрации при монтажа на сензора при реално възбуждане на корпуса, сравнен със собствената честотна лента на потискане на гимбала или системата за стабилизация.
• Енергиен бюджет на връзката или оптична пропускливост през реалния обтекател , а не през гола апертура — корпусът е част от оптичния или радиочестотния път на сензора, а не просто капак.
• Топлинно поведение на затворената електроника при представителен въздушен поток, а не в неподвижен въздух.
• Натрупване на лед върху специфичната геометрия на обтекателя , когато това е приложимо за експлоатационния обхват.

---

5. Пет грешки, които виждаме

• Квалифициране на сензора и обтекателя поотделно. Радом или оптичен купол, проектиран без да се вземат предвид реалното зрително поле и дължината на вълната на сензора, може да премине собствения си аеродинамичен тест и въпреки това да съсипе работата на полезния товар.
• Изпитване на потискането на вибрации върху генеричен профил на вибромаса. Гимбал, настроен спрямо лабораторен спектър на вибрации, все още може да бъде изненадан от специфичните честоти, които реалният корпус генерира.
• Разглеждане на оптичното изпитване като проблем само за лабораторната маса. Стойностите за разделителна способност и MTF от лабораторната маса не говорят нищо за това какво прави същата оптика зад турбулентен граничен слой при полетна скорост.
• Оразмеряване на корпуса според теглото и съпротивлението, а не според топлинния път. Плътно обтекаем контейнер, който изглежда аеродинамично чист, може да задържи топлина, за която електрониката вътре никога не е била предвидена.
• Пропускане на тестове за обледеняване на обтекателите на полезния товар, защото случаят с обледеняването на корпуса е покрит. Радомът или оптичният прозорец може да натрупа лед по различен начин от крилото, на което е монтиран, и достатъчно различно, за да откаже първи.

---

6. Какво означава това за вашата програма за интеграция

Изпратете ни вашия сензорен пакет, геометрията на обтекателя и експлоатационния обхват , и ние ще планираме кампания за изпитване, която измерва какво реално доставя полезният товар във въздушния поток — а не само какво доставя на лабораторната маса. Свързано четиво:

Обледеняване и климатични изпитвания на БЛА

, където формата на обтекателя е също толкова важна.

---

Източници и бележки

• Аерооптиката като изследване на аберациите на вълновия фронт от турбулентен поток в близост до бордова оптична апертура, нейният произход в работата на Липман от 1952 г. за отклонението на светлината в граничния слой и нейното развитие чрез измервания в аеродинамичен тунел със сонда на Мали при дозвукови и трансзвукови скорости: Cress, J.A., Gordeyev, S., Post, M.L., Jumper, E.J., "Aero-Optical Measurements in a Turbulent, Subsonic Boundary Layer at Different Elevation Angles," AIAA 2008-4214, 39th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, 2008, тествано в аеродинамични тунели в Университета на Нотр Дам и Академията на ВВС на САЩ.
• Зависимост на влошаването на изображението от дължината на вълната при фиксирано изкривяване на оптичния път (пример с числото на Щрел: ~0,996 при 10,6 μm спрямо ~0,674 при ~1 μm за същото ниво на изкривяване): същият източник, раздел Въведение, цитиращ формулировката на числото на Щрел в Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Препоръките за методологията на изпитване (съвпадение на спектъра на вибрации, изпитване на оптичен/радиочестотен път, интегриран в обтекателя, обледеняване върху специфична за полезния товар геометрия) са инженерна практика на TunnelTech.