Kasuliku koorma ja andurite testimine õhuvoolus: kaamerad, lidarid ja antennid koormuse all

Kaamera, mis annab laborilaual terava pildi, ei pruugi automaatselt anda teravat pilti, kui see on kinnitatud suurel kiirusel liikuva õhusõiduki alla. Sama kehtib antenni kohta, mis läbib oma sideeelarve testi staatilises keskkonnas, või kardaanvedrustuse kohta, mis hoiab vaatevälja stabiilsena vibratsioonivabas ruumis. Õhuvool lennukikere ümber ei ole neutraalne taust – see halvendab täpselt seda jõudlust, milleks kasulik koorem osteti, ja teeb seda viisidel, mida laboritestidega ei saa reprodutseerida.

Kasuliku koorma ja andurite testimine õhuvoolus on viis, kuidas see lünk suletakse, enne kui see avaldub reaalajas toimuval missioonil häguse pildi või katkenud ühendusena.

---

1. Miks laborilauast ei piisa

Kasuliku koorma tootja enda kvalifikatsioon hõlmab tavaliselt elektrilist jõudlust, optilist eraldusvõimet ja mehaanilist vastupidavust eraldiseisvalt. Mida see aga tavaliselt ei hõlma, on see, mis juhtub siis, kui seesama riistvara asub õhusõiduki turbulentses piirkihis või voolundaja tekitatud järelvoolus, lennukikere tegelikus vibratsioonispektris ja temperatuurivahemikus, milles missioon tegelikult toimub. Need on lennukikere tasandi tingimused ja need eksisteerivad alles siis, kui kasulik koorem on paigaldatud sõidukile – või seda esindavale mudelile –, millel see tegelikult lendama hakkab.

---

2. Aero-optiline hägusus: turbulents halvendab pilti, mitte ainult lennukikeret

Iga kaamera, lidari või lasersüsteemi puhul, mis vaatab läbi ümbritseva õhuvoolu, on asjakohaseks füüsikaks aero-optika – uurimisvaldkond, mis ulatub tagasi 1950. aastatesse, mil teadlased kvantifitseerisid esmakordselt, kuidas turbulentne piirkiht moonutab seda läbivat valguskiirt. Mehhanism on lihtne: turbulents tekitab õhutiheduses lokaalseid variatsioone, tiheduse variatsioonid muudavad lokaalset murdumisnäitajat ning seda muutuva näitajaga välja läbiv lainefront väljub pigem moonutatuna kui tasasena.

See efekt sõltub lainepikkusest ja on kaasaegsete andurite jaoks olulisem kui süsteemide jaoks, mille ümber see valdkond algselt loodi. Fikseeritud optilise teekonna moonutuse korral kaotab nähtavat või lähi-infrapunavalgust (vahemik, mida kasutavad enamik kaameraid ja paljud lidarid) kasutav süsteem oluliselt rohkem pildikvaliteeti kui vanem pikalaineline süsteem sama turbulentsitaseme juures – moonutustase, mis vaevalt mõjutas 10,6 μm laseri jõudlust, võib vähendada lähi-infrapunasüsteemi Strehli suhet (pilditeravuse standardmõõt, kus 1,0 on täiuslik) peaaegu täiuslikust umbes 0,67-ni. See on üks põhjus, miks andurikapsli aerodünaamiline kuju ja paigalduskoht on sama olulised kui selle sees olev optika.

Aero-optiliste efektide testimine tuuletunnelis on väljakujunenud, aastakümneid vana praktika, mida viiakse läbi tavalistes ala- ja ülehelikiirusega tuuletunnelites laseripõhiste mõõteseadmetega (nn Malley sondi tehnika), mis on paigutatud mõõtma just sellist piirkihist põhjustatud pildikvaliteedi halvenemist enne, kui andur üldse lendab.

---

3. Mida õhuvool teeb ülejäänud kasulikule koormale

• Vibratsioon. Kardaanvedrustus või kaamerakinnitus kogeb lennukikere tegelikku vibratsioonispektrit, mitte labori vibrolaua idealiseeritud sageduskarakteristikut – ja kardaanvedrustuse stabiliseerimissüsteemid on spetsiaalselt häälestatud summutama vibratsiooni teatud sagedustel, mis avaldub õigesti ainult lennukikere tegeliku ergutuse all.
• Kuumenemine. Kapsli või voolundaja sees olev andurielektroonika toodab ise soojust ning õhuvool ümber korpuse määrab, kas see soojus juhitakse eemale või koguneb – probleem, mis muutub täielikult staatilise laborilaua ja liikuva õhuvooluga keskkonna vahel.
• Jäätumine anduril endal, mitte ainult lennukikerel. Jäätunud optiline aken või antenni radoom lakkab töötamast ammu enne tiiba ning jää kogunemise muster sõltub lokaalsest õhuvoolust ümber selle konkreetse voolundaja kuju.
• Voolundaja kuju versus signaali kvaliteet. Radoom või optiline kuppel on kompromiss aerodünaamilise takistuse ja läbipaistvuse vahel sellele, mida see kaitseb – kui kuju on aerodünaamiliselt vale, moonutate ka seda läbivat raadiosageduslikku (RF) või optilist teekonda.

---

4. Mida kasuliku koorma testikampaania tegelikult mõõdab

• Pildi või lainefrondi kvaliteeti kogu kiiruse ja nurga vahemikus , kasutades samu aero-optilisi mõõteseadmeid, mis on välja töötatud õhusõidukite optiliste süsteemide jaoks – mitte ühte staatilist baasvõtet.
• Vibratsioonispektrit anduri kinnituskohas lennukikere tegeliku ergutuse all, võrrelduna kardaanvedrustuse või stabiliseerimissüsteemi enda summutusribaga.
• Sideeelarvet või optilist läbilaskvust läbi tegeliku voolundaja , mitte läbi palja ava – korpus on osa anduri optilisest või RF-teekonnast, mitte lihtsalt kate.
• Suletud elektroonika termilist käitumist esindusliku õhuvoolu, mitte seisva õhu tingimustes.
• Jää kogunemist spetsiifilisele voolundaja geomeetriale , kus see on operatiivse lennuulatuse seisukohalt asjakohane.

---

5. Viis viga, mida me näeme

• Anduri ja voolundaja eraldi kvalifitseerimine. Radoom või optiline kuppel, mis on kavandatud ilma anduri tegelikku vaatevälja ja lainepikkust arvesse võtmata, võib läbida oma aerodünaamilise testi, kuid siiski rikkuda kasuliku koorma jõudluse.
• Vibratsioonisummutuse testimine üldise vibrolaua profiiliga. Labori vibratsioonispektri järgi häälestatud kardaanvedrustus võib siiski hätta jääda spetsiifiliste sagedustega, mida tegelik lennukikere toodab.
• Optilise testimise käsitlemine ainult laborilaua probleemina. Laborilaualt saadud eraldusvõime ja MTF-i numbrid ei ütle midagi selle kohta, mida sama optika teeb turbulentse piirkihi taga lennukiirusel.
• Korpuse dimensioneerimine kaalu ja takistuse, mitte termilise teekonna järgi. Tihedalt voolundatud kapsel, mis näeb aerodünaamiliselt puhas välja, võib lõksu jätta soojuse, milleks sees olev elektroonika polnud kunagi ette nähtud.
• Jäätumistestide vahelejätmine kasuliku koorma voolundajatel, kuna lennukikere jäätumise juhtum on kaetud. Radoom või optiline aken võib koguda jääd erinevalt tiivast, millele see on paigaldatud, ja piisavalt erinevalt, et esimesena üles öelda.

---

6. Mida see tähendab teie integratsiooniprogrammi jaoks

Saatke meile oma anduripakett, voolundaja geomeetria ja operatiivne lennuulatus ning me koostame testikampaania, mis mõõdab, mida kasulik koorem õhuvoolus tegelikult suudab – mitte ainult seda, mida see suudab laborilaual. Seotud lugemine:

UAV jäätumise ja kliima testimine

, kus voolundaja kuju on sama oluline.

---

Allikad ja märkused

• Aero-optika kui lainefrondi aberratsioonide uurimine turbulentsest õhuvoolust õhusõiduki optilise ava lähedal, selle päritolu Liepmanni 1952. aasta piirkihi valguse kõrvalekaldumise tööst ning selle areng läbi Malley sondi tuuletunneli mõõtmiste ala- ja ülehelikiirustel: 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, testitud tuuletunnelites Notre Dame'i Ülikoolis ja USA Õhujõudude Akadeemias.
• Pildikvaliteedi halvenemise sõltuvus lainepikkusest fikseeritud optilise teekonna moonutuse korral (Strehli suhte näide: ~0,996 10,6 μm juures versus ~0,674 ~1 μm juures sama moonutustaseme korral): sama allikas, sissejuhatuse osa, viidates Strehli suhte formulatsioonile teoses Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Testimismetoodika soovitused (vibratsioonispektri sobitamine, voolundajaga integreeritud optilise/RF-teekonna testimine, jäätumine kasuliku koorma spetsiifilisel geomeetrial) on TunnelTech inseneripraktika.