Derīgās kravas un sensoru testēšana plūsmā: kameras, lidari un antenas slodzes apstākļos

Kamera, kas nodrošina asu attēlu uz laboratorijas galda, automātiski nenodrošina asu attēlu, kad tā ir piestiprināta zem lidaparāta lidojuma ātrumā. Tas pats attiecas uz antenu, kas iztur savienojuma budžeta (link budget) testu statiskos apstākļos, vai kardānpiekari (gimbal), kas stabili notur redzamības līniju telpā bez vibrācijas. Gaisa plūsma ap lidaparāta korpusu nav neitrāls fons — tā pasliktina tieši to veiktspēju, kuras dēļ derīgā krava tika iegādāta, un dara to veidos, kurus stenda testēšana nespēj reproducēt.

Derīgās kravas un sensoru testēšana plūsmā ir veids, kā šis trūkums tiek novērsts, pirms tas reālā misijā izpaužas kā izplūdis attēls vai zaudēts savienojums.

---

1. Kāpēc ar stendu nepietiek

Derīgās kravas ražotāja veiktā kvalifikācija parasti aptver elektrisko veiktspēju, optisko izšķirtspēju un mehānisko izturību izolētos apstākļos. Tā parasti nespēj aptvert to, kas notiek, kad šī pati aparatūra atrodas lidaparāta turbulentajā robežslānī vai aiz plūdlīniju apvalka (fairing) plūsmas vērpetēm, pakļauta vibrācijas spektram, ko lidaparāta korpuss reāli rada, un temperatūras diapazonam, kādā reāli notiek misija. Tie ir lidaparāta līmeņa apstākļi, un tie pastāv tikai tad, kad derīgā krava ir uzstādīta uz lidaparāta, ar kuru tā reāli lidos, vai kad šie apstākļi tiek precīzi simulēti.

---

2. Aerooptiskā izplūšana: turbulence pasliktina attēlu, ne tikai ietekmē lidaparāta korpusu

Jebkurai kamerai, lidaram vai lāzeru sistēmai, kas "skatās" cauri apkārtējai gaisa plūsmai, aerooptika ir atbilstošā fizikas nozare — pētījumu joma, kas aizsākās 1950. gados, kad pētnieki pirmo reizi kvantitatīvi noteica, kā turbulents robežslānis izkropļo tam cauri ejošu gaismas staru. Mehānisms ir vienkāršs: turbulence rada lokālas gaisa blīvuma svārstības, blīvuma svārstības maina lokālo laušanas koeficientu, un viļņu fronte, kas iet cauri šim mainīgā koeficienta laukam, iznāk izkropļota (aberēta), nevis plakana.

Efekts ir atkarīgs no viļņa garuma, un tas ir svarīgāks mūsdienu sensoriem nekā sistēmām, ap kurām šī joma sākotnēji tika veidota. Pie fiksēta optiskā ceļa kropļojuma līmeņa sistēma, kas izmanto redzamo vai tuvo infrasarkano gaismu (diapazons, ko izmanto lielākā daļa kameru un daudzi lidari), zaudē daudz vairāk attēla kvalitātes nekā vecāka garo viļņu sistēma pie tāda paša turbulences līmeņa — kropļojuma līmenis, kas tik tikko ietekmēja 10,6 μm lāzera veiktspēju, var samazināt tuvā infrasarkanā starojuma sistēmas Štrēla attiecību (Strehl ratio — standarta attēla asuma mērs, kur 1,0 ir ideāls) no gandrīz ideālas līdz aptuveni 0,67. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc sensora korpusa (pod) aerodinamiskā forma un uzstādīšanas pozīcija ir tikpat svarīga kā tajā esošā optika.

Aerooptisko efektu testēšana vēja tunelī ir iedibināta, gadu desmitiem sena prakse, ko veic parastos zemskaņas un transkaņas vēja tuneļos ar lāzera mērinstrumentiem ("Malley probe" metode), kas izvietoti, lai izmērītu tieši šāda veida robežslāņa izraisītu attēla pasliktināšanos, vēl pirms sensors ir devies lidojumā.

---

3. Ko plūsma nodara pārējai derīgajai kravai

• Vibrācija. Kardānpiekare vai kameras stiprinājums saskaras ar lidaparāta korpusa reālo vibrācijas spektru, nevis laboratorijas vibrācijas stenda idealizēto frekvenču pārnesi — un kardānpiekares stabilizācijas sistēmas ir īpaši noregulētas, lai slāpētu vibrāciju noteiktās frekvencēs, kas pareizi izpaužas tikai pie lidaparāta korpusa faktiskās ierosmes.
• Sakaršana. Sensoru elektronika korpusa vai plūdlīniju apvalka iekšpusē ģenerē savu siltumu, un gaisa plūsma ap korpusu nosaka, vai šis siltums tiek novadīts vai uzkrājas — šī problēma pilnībā atšķiras statiska stenda un kustīgas gaisa plūsmas vidē.
• Apledojums uz paša sensora, ne tikai uz lidaparāta korpusa. Optiskais logs vai antenas radoms, kas apledo, pārstāj darboties ilgi pirms spārna, un apledojuma veidošanās raksturs ir atkarīgs no lokālās gaisa plūsmas ap šo konkrēto plūdlīniju apvalka formu.
• Plūdlīniju apvalka forma pret signāla kvalitāti. Radoms vai optiskais kupols ir kompromiss starp aerodinamisko pretestību un caurspīdīgumu attiecībā pret to, ko tas aizsargā — izvēloties nepareizu aerodinamisko formu, tiek izkropļots arī RF vai optiskais ceļš caur to.

---

4. Ko patiesībā mēra derīgās kravas testēšanas kampaņa

• Attēla vai viļņu frontes kvalitāte visā ātruma un leņķa diapazonā , izmantojot to pašu aerooptisko aparatūru, kas izstrādāta aviācijas optiskajām sistēmām — nevis vienu statisku bāzes uzņēmumu.
• Vibrācijas spektrs pie sensora stiprinājuma reālas lidaparāta korpusa ierosmes apstākļos, salīdzinot ar kardānpiekares vai stabilizācijas sistēmas pašas slāpēšanas joslas platumu.
• Savienojuma budžets vai optiskā caurlaidība caur faktisko plūdlīniju apvalku , nevis caur atklātu apertūru — korpuss ir daļa no sensora optiskā vai RF ceļa, nevis tikai aizsargpārsegs.
• Iekļautās elektronikas termiskā uzvedība reprezentatīvā gaisa plūsmā, nevis nekustīgā gaisā.
• Apledojuma veidošanās uz konkrētās plūdlīniju apvalka ģeometrijas , kur tas ir būtiski ekspluatācijas diapazonam.

---

5. Piecas kļūdas, ko mēs redzam

• Sensora un plūdlīniju apvalka kvalificēšana atsevišķi. Radoms vai optiskais kupols, kas izstrādāts, neņemot vērā sensora faktisko redzeslauku un viļņa garumu, var izturēt savu aerodinamisko testu, bet vienalga sabojāt derīgās kravas veiktspēju.
• Vibrācijas slāpēšanas testēšana, izmantojot vispārīgu vibrācijas stenda profilu. Kardānpiekare, kas noregulēta atbilstoši laboratorijas vibrācijas spektram, joprojām var nespēt tikt galā ar specifiskām frekvencēm, ko rada reālais lidaparāta korpuss.
• Optiskās testēšanas uztveršana tikai kā stenda uzdevumu. Izšķirtspējas un MTF rādītāji no laboratorijas stenda neko neliecina par to, kā šī pati optika darbosies aiz turbulenta robežslāņa lidojuma ātrumā.
• Korpusa izmēru pielāgošana svaram un pretestībai, nevis termiskajam ceļam. Cieši pieguļošs korpuss, kas izskatās aerodinamiski tīrs, var iesprostot siltumu, kādam iekšpusē esošā elektronika nekad nav bijusi paredzēta.
• Apledojuma testu izlaišana derīgās kravas plūdlīniju apvalkiem, jo lidaparāta apledojuma gadījums jau ir pārbaudīts. Radoms vai optiskais logs var apledot atšķirīgi no spārna, uz kura tas ir uzstādīts, un pietiekami atšķirīgi, lai atteiktu pirmais.

---

6. Ko tas nozīmē jūsu integrācijas programmai

Nosūtiet mums savu sensoru paketi, plūdlīniju apvalka ģeometriju un ekspluatācijas diapazonu , un mēs izstrādāsim testēšanas kampaņu, kas izmērīs, ko derīgā krava reāli spēj nodrošināt gaisa plūsmā — nevis tikai uz stenda. Saistītā lasāmviela:

UAV apledojuma un klimatiskā testēšana

, kur plūdlīniju apvalka formai ir tikpat liela nozīme.

---

Avoti un piezīmes

• Aerooptika kā viļņu frontes aberāciju izpēte no turbulentas plūsmas aviācijas optiskās apertūras tuvumā, tās pirmsākumi Līpmaņa (Liepmann) 1952. gada darbā par gaismas novirzi robežslānī un tās attīstība, izmantojot "Malley-probe" vēja tuneļa mērījumus zemskaņas un transkaņas ātrumos: 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, testēts vēja tuneļos Notrdamas Universitātē un ASV Gaisa spēku akadēmijā.
• Attēla pasliktināšanās atkarība no viļņa garuma fiksētam optiskā ceļa kropļojumam (Štrēla attiecības piemērs: ~0,996 pie 10,6 μm pret ~0,674 pie ~1 μm tam pašam kropļojuma līmenim): tas pats avots, Ievada (Introduction) sadaļa, atsaucoties uz Štrēla attiecības formulējumu Smith, W.J., Modern Optical Engineering, McGraw-Hill, 1966.
• Testēšanas metodoloģijas ieteikumi (vibrācijas spektra saskaņošana, plūdlīniju apvalkā integrēta optiskā/RF ceļa testēšana, apledojums uz derīgajai kravai specifiskas ģeometrijas) ir TunnelTech inženierijas prakse.