वायु-प्रवाह में पेलोड और सेंसर परीक्षण: लोड के तहत कैमरे, लिडार और एंटेना

एक कैमरा जो लैब बेंच पर स्पष्ट छवि बनाता है, वह गति से उड़ते हुए विमान के नीचे लगे होने पर अपने आप स्पष्ट छवि नहीं बनाता है। न ही वह एंटेना जो एक स्थिर रेंज पर अपना लिंक बजट परीक्षण पास करता है, या वह गिम्बल जो कंपन-मुक्त कमरे में लाइन-ऑफ़-साइट को स्थिर रखता है। एयरफ्रेम के चारों ओर का प्रवाह एक तटस्थ पृष्ठभूमि नहीं है — यह ठीक उसी प्रदर्शन को कम करता है जिसके लिए पेलोड खरीदा गया था, और यह ऐसे तरीकों से करता है जिसे बेंच परीक्षण दोहरा नहीं सकता।

प्रवाह में पेलोड और सेंसर परीक्षण वह तरीका है जिससे इस अंतर को लाइव मिशन पर धुंधली इमेजरी या ड्रॉप किए गए लिंक के रूप में दिखाई देने से पहले ही खत्म कर दिया जाता है।

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1. बेंच परीक्षण पर्याप्त क्यों नहीं है

पेलोड निर्माता की अपनी योग्यता आमतौर पर अलग-थलग रूप से विद्युत प्रदर्शन, ऑप्टिकल रिज़ॉल्यूशन और यांत्रिक स्थायित्व को कवर करती है। यह आमतौर पर उस स्थिति को कवर नहीं कर सकता है जब वही हार्डवेयर विमान की अशांत सीमा-परत (turbulent boundary layer) में या फेयरिंग वेक के डाउनस्ट्रीम में, उस कंपन स्पेक्ट्रम पर जो एयरफ्रेम वास्तव में उत्पन्न करता है, और उस तापमान सीमा में जिसमें मिशन वास्तव में उड़ान भरता है, स्थित होता है। ये एयरफ्रेम-स्तर की स्थितियाँ हैं, और ये तभी मौजूद होती हैं जब पेलोड उस वाहन पर लगाया जाता है — या उसमें दर्शाया जाता है — जिस पर वह वास्तव में उड़ान भरेगा।

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2. एयरो-ऑप्टिकल धुंधलापन: अशांति (टर्बुलेंस) केवल एयरफ्रेम को ही नहीं, बल्कि छवि को भी खराब करती है

आस-पास के वायु-प्रवाह के माध्यम से देखने वाले किसी भी कैमरे, लिडार या लेजर सिस्टम के लिए, एयरो-ऑप्टिक्स प्रासंगिक भौतिकी है — यह अध्ययन का एक ऐसा क्षेत्र है जो 1950 के दशक से चला आ रहा है, जब शोधकर्ताओं ने पहली बार यह मापा था कि एक अशांत सीमा-परत अपने से गुजरने वाली प्रकाश की किरण को कैसे विकृत करती है। इसका तंत्र सीधा है: अशांति हवा के घनत्व में स्थानीय भिन्नताएँ पैदा करती है, घनत्व की भिन्नताएँ स्थानीय अपवर्तनांक को बदल देती हैं, और उस परिवर्तनशील-सूचकांक क्षेत्र से गुजरने वाला वेवफ्रंट सपाट होने के बजाय विकृत होकर बाहर आता है।

यह प्रभाव तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है, और यह आधुनिक सेंसरों के लिए उन प्रणालियों की तुलना में अधिक मायने रखता है जिनके इर्द-गिर्द यह क्षेत्र मूल रूप से बनाया गया था। ऑप्टिकल पथ विरूपण के एक निश्चित स्तर के लिए, दृश्य या निकट-अवरक्त प्रकाश (वह सीमा जिसका उपयोग अधिकांश कैमरे और कई लिडार करते हैं) का उपयोग करने वाली प्रणाली समान अशांति स्तर पर पुरानी लंबी-तरंग दैर्ध्य प्रणाली की तुलना में कहीं अधिक छवि गुणवत्ता खो देती है — एक विरूपण स्तर जो 10.6 μm लेजर के प्रदर्शन को मुश्किल से प्रभावित करता है, वह निकट-अवरक्त प्रणाली के स्ट्रेहल अनुपात (छवि स्पष्टता का एक मानक माप, जहां 1.0 परिपूर्ण है) को लगभग-पूर्ण से घटाकर लगभग 0.67 कर सकता है। यही एक कारण है कि सेंसर पॉड का वायुगतिकीय आकार और माउंटिंग स्थिति उतनी ही मायने रखती है जितने कि इसके अंदर के ऑप्टिक्स।

एयरो-ऑप्टिकल प्रभावों का पवन सुरंग (विंड टनल) परीक्षण एक स्थापित, दशकों पुरानी प्रथा है, जिसे सामान्य सबसोनिक और ट्रांसोनिक सुरंगों में लेजर-आधारित उपकरणों ("मैले प्रोब" तकनीक) के साथ चलाया जाता है, ताकि सेंसर के उड़ान भरने से पहले ही सीमा-परत-प्रेरित छवि गिरावट को सटीक रूप से मापा जा सके।

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3. वायु-प्रवाह पेलोड के बाकी हिस्सों के साथ क्या करता है

• कंपन। एक गिम्बल या कैमरा माउंट एयरफ्रेम के वास्तविक कंपन स्पेक्ट्रम को देखता है, न कि लैब शेकर टेबल के आदर्श स्वीप को — और गिम्बल स्थिरीकरण प्रणालियों को विशेष रूप से विशिष्ट आवृत्तियों पर कंपन को अस्वीकार करने के लिए ट्यून किया जाता है, जो केवल एयरफ्रेम के वास्तविक उत्तेजना के तहत ही सही ढंग से दिखाई देता है。
• हीटिंग। पॉड या फेयरिंग के अंदर सेंसर इलेक्ट्रॉनिक्स अपनी खुद की गर्मी उत्पन्न करते हैं, और हाउसिंग के चारों ओर का वायु-प्रवाह यह निर्धारित करता है कि वह गर्मी दूर ले जाई जाती है या जमा होती है — एक ऐसी समस्या जो स्थिर बेंच और गतिमान वायु-प्रवाह वाले वातावरण के बीच पूरी तरह से बदल जाती है。
• केवल एयरफ्रेम पर ही नहीं, बल्कि स्वयं सेंसर पर भी बर्फ जमना। एक ऑप्टिकल विंडो या एंटेना राडोम जिस पर बर्फ जम जाती है, वह विंग के काम करना बंद करने से बहुत पहले ही काम करना बंद कर देता है, और बर्फ जमने का पैटर्न उस विशिष्ट फेयरिंग आकार के चारों ओर स्थानीय प्रवाह पर निर्भर करता है。
• फेयरिंग का आकार बनाम सिग्नल की गुणवत्ता। एक राडोम या ऑप्टिकल डोम वायुगतिकीय ड्रैग और यह जिस भी चीज़ की रक्षा करता है उसकी पारदर्शिता के बीच एक समझौता है — यदि वायुगतिकीय रूप से आकार गलत हो जाता है, तो आप इसके माध्यम से RF या ऑप्टिकल पथ को भी विकृत कर देते हैं。

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4. पेलोड परीक्षण अभियान वास्तव में क्या मापता है

• गति और कोण सीमा में छवि या वेवफ्रंट गुणवत्ता , एयरबोर्न ऑप्टिकल सिस्टम के लिए विकसित समान एयरो-ऑप्टिकल उपकरणों का उपयोग करते हुए — न कि केवल एक स्थिर बेसलाइन शॉट。
• वास्तविक एयरफ्रेम उत्तेजना के तहत सेंसर माउंट पर कंपन स्पेक्ट्रम , जिसकी तुलना गिम्बल या स्थिरीकरण प्रणाली के स्वयं के रिजेक्शन बैंडविड्थ से की जाती है。
• वास्तविक फेयरिंग के माध्यम से लिंक बजट या ऑप्टिकल थ्रूपुट , न कि केवल एक खुले अपर्चर के माध्यम से — हाउसिंग सेंसर के ऑप्टिकल या RF पथ का हिस्सा है, केवल एक कवर नहीं。
• स्थिर हवा के बजाय प्रतिनिधि वायु-प्रवाह के तहत संलग्न इलेक्ट्रॉनिक्स का थर्मल व्यवहार 。
• विशिष्ट फेयरिंग ज्यामिति पर बर्फ का जमाव , जहां यह परिचालन लिफाफे के लिए प्रासंगिक हो。

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5. पाँच गलतियाँ जो हम देखते हैं

• सेंसर और फेयरिंग को अलग-अलग योग्य करना। सेंसर के वास्तविक फील्ड ऑफ़ व्यू और तरंग दैर्ध्य को ध्यान में रखे बिना डिज़ाइन किया गया राडोम या ऑप्टिकल डोम अपना स्वयं का वायुगतिकीय परीक्षण पास कर सकता है और फिर भी पेलोड के प्रदर्शन को बर्बाद कर सकता है。
• एक सामान्य शेकर प्रोफ़ाइल पर कंपन अस्वीकृति का परीक्षण करना। लैब कंपन स्पेक्ट्रम के विरुद्ध ट्यून किया गया गिम्बल अभी भी वास्तविक एयरफ्रेम द्वारा उत्पन्न विशिष्ट आवृत्तियों के कारण विफल हो सकता है。
• ऑप्टिकल परीक्षण को केवल बेंच-समस्या के रूप में मानना। लैब बेंच से रिज़ॉल्यूशन और MTF संख्याएं इस बारे में कुछ नहीं बताती हैं कि उड़ान की गति पर अशांत सीमा-परत के पीछे वही ऑप्टिक्स कैसा प्रदर्शन करते हैं。
• थर्मल पथ के बजाय वजन और ड्रैग के लिए बाड़े का आकार तय करना। एक कसकर फेयर किया गया पॉड जो वायुगतिकीय रूप से साफ दिखता है, वह उस गर्मी को फंसा सकता है जिसके लिए अंदर के इलेक्ट्रॉनिक्स को कभी रेट नहीं किया गया था。
• पेलोड फेयरिंग पर आइसिंग परीक्षणों को छोड़ना क्योंकि एयरफ्रेम आइसिंग केस कवर किया गया है। एक राडोम या ऑप्टिकल विंडो उस विंग की तुलना में अलग तरह से बर्फ जमा कर सकती है जिस पर वह लगा है, और यह इतनी अलग हो सकती है कि वह पहले विफल हो जाए。

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6. आपके एकीकरण कार्यक्रम के लिए इसका क्या अर्थ है

हमें अपना सेंसर पैकेज, फेयरिंग ज्यामिति और परिचालन लिफाफा भेजें , और हम एक ऐसे परीक्षण अभियान की रूपरेखा तैयार करेंगे जो यह मापता है कि पेलोड वास्तव में वायु-प्रवाह में क्या प्रदान करता है — न कि केवल बेंच पर। संबंधित पठन:

UAV आइसिंग और जलवायु परीक्षण

, जहां फेयरिंग का आकार भी उतना ही मायने रखता है।

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स्रोत और नोट्स

• एयरो-ऑप्टिक्स, एयरबोर्न ऑप्टिकल अपर्चर के पास अशांत प्रवाह से वेवफ्रंट विपथन के अध्ययन के रूप में, इसकी उत्पत्ति लिपमैन के 1952 के सीमा-परत प्रकाश-विक्षेपण कार्य में, और सबसोनिक और ट्रांसोनिक गति पर मैले-प्रोब पवन सुरंग मापन के माध्यम से इसका विकास: क्रेस, जे.ए., गोर्डेयेव, एस., पोस्ट, एम.एल., जम्पर, ई.जे., "Aero-Optical Measurements in a Turbulent, Subsonic Boundary Layer at Different Elevation Angles," AIAA 2008-4214, 39वां AIAA प्लाज़्माडायनामिक्स और लेजर सम्मेलन, 2008, नोट्रे डेम विश्वविद्यालय और अमेरिकी वायु सेना अकादमी में पवन सुरंगों में परीक्षण किया गया।
• एक निश्चित ऑप्टिकल पथ विरूपण के लिए छवि गिरावट की तरंग दैर्ध्य निर्भरता (स्ट्रेहल अनुपात उदाहरण: समान विरूपण स्तर के लिए 10.6 μm पर ~0.996 बनाम ~1 μm पर ~0.674): वही स्रोत, परिचय अनुभाग, स्मिथ, डब्ल्यू.जे., Modern Optical Engineering, मैकग्रा-हिल, 1966 में स्ट्रेहल अनुपात सूत्रीकरण का हवाला देते हुए।
• परीक्षण पद्धति की सिफारिशें (कंपन स्पेक्ट्रम मिलान, फेयरिंग-एकीकृत ऑप्टिकल/RF पथ परीक्षण, पेलोड-विशिष्ट ज्यामिति पर आइसिंग) TunnelTech की इंजीनियरिंग प्रथाएं हैं।