«Когда оптика встречается с термодинамикой: теплово-оптические эффекты и замкнутая симуляция окон сверхзвуковых летательных аппаратов» 

Оптические характеристики окна, измеренные при комнатной температуре, часто совсем не совпадают с тем, как оно ведёт себя, когда на самолёте взлетает.
Причина проста. Окно с земли до высоты, от дозвука до сверхзвука, может за несколько десятков секунд испытать скачок температуры от минус десятков градусов до сотен градусов. При изменении температуры меняется показатель преломления материала окна, меняется его форма, само окно превращается в новый источник инфракрасного излучения, добавляя фоновый шум к датчику. Когда все эти три эффекта соединяются, это и есть весь теплооптический эффект.
Когда мы делаем комплектацию окон, если передавать только продукт с “оптическими показателями при комнатной температуре”, это по сути перекладывает все риски теплооптики на головное предприятие. Так долго работать не получится.
Ниже я собрал несколько наших практических подходов к теплооптическому анализу — это не теоретические выкладки, а реально отработанные в инженерной практике методы.

1. Три физических эффекта, каждый со своей точки зрения
Если разбить его, термооптический эффект представляет собой суперпозицию трёх независимых процессов.
Во-первых, показатель преломления меняется с температурой. Это самое знакомое для всех. Материалы имеют параметр, называемый коэффициентом температуры показателя преломления — изменением показателя преломления на градус Цельсия. Количество значительно варьируется в зависимости от материала. Например, dn/dT сапфира положительно в видимом свете, но в инфракрасном среднем диапазоне оно уменьшается, и символ может даже быть обратным. Кривая dn/dT у шпинеля отличается. При проектировании окон, если смотреть только на показатель преломления при комнатной температуре и игнорировать dn/dT, результирующий оптический путь будет отклоняться при высоких температурах. Это смещение напрямую отражается в системе визуализации как дефокусировка и астигматизм. Обычно мы назначаем температурные градиенты в программном обеспечении для оптического проектирования, рассчитывая индекс преломления каждого узла отдельно, вместо того чтобы использовать среднюю температуру для замены всего окна.
Во-вторых, форма поверхности меняется в зависимости от температуры. Окно расширяется при нагреве, но не свободно расширяется — оно ограничено металлической рамой. Коэффициент расширения рамы отличается от коэффициента окна. При высоких температурах рама может деформировать окно сверху, или большой зазор может привести к ослаблению окна внутри. Эта деформация находится на уровне нанометра, но уже достаточно заметна для интерферометра. Мы используем программное обеспечение для конечных элементов для расчёта распределения смещений под температурным полем, затем экспортируем данные о смещении, выполняем подгонку полиномов Зернике и перенаправляем их обратно в программное обеспечение оптического проектирования для коррекции формы поверхности. Нам понадобилось несколько лет, чтобы наладить плавный поток данных, в основном застрял на интерфейсах данных и преобразовании систем координат. Теперь практически возможно обеспечить замкнутую циркуляцию теплового, конструктивного и оптического программного обеспечения.
В-третьих, само окно — это тепловое излучение. Это то, что многие легко упускают из виду. Когда окно несколько сотен градусов Цельсия, оно излучает инфракрасные лучи наружу. Для инфракрасных систем фронтального вида это излучение является фоновым шумом, который напрямую повышает эквивалентную разницу температур системы. Снижение этого шума зависит от низкой эмиссивности оконных материалов в сочетании с покрытиями. На каждые 0,00% снижение передачи NETD сильно отстаёт. Мы сравнили проект, в котором окно с низкоизлучением и обычное антирефлексивное окно показали почти половину разницы в NETD при высоких температурах.

2. Как провести симуляцию для достижения «уверенности»
Термооптическое моделирование — это не просто создание модели и нажатие кнопки «запустить». Возможность использования результатов моделирования зависит от двух факторов: правильности граничных условий и калибровки ли модель с помощью реальных измерений.
Граничные условия — самые трудные для понимания. Аэротермальные данные самолёта могут частично предоставляться общим агрегатом, но некоторые эксплуатационные условия не дают полных данных. Например, локальное распределение теплового потока на поверхности окна связано с его положением установки, полётом и состоянием пограничного слоя. Наш подход таков: сначала использовать общие тепловые данные, предоставленные единицей популяции для первого примерного моделирования, затем использовать результаты для обсуждения с общей популяцией — является ли такое распределение температуры разумным? Будут ли некоторые части ещё выше? Раунд за раундом итерации.
Калибровка — ключевой шаг к воплощению симуляции в жизнь. Мы проводим тест на нагрев в лаборатории, используя известное окно. Для нагрева окна нагревается нагревательная пластина или инфракрасная лампа, тепловизор фиксирует распределение температуры поверхности, а интерферометр используется для измерения изменений формы поверхности в реальном времени. Затем введите те же граничные условия в модель симуляции, чтобы проверить, совпадают ли результаты с реальными измерениями. Если они не совпадают, корректируйте параметры модели — контактное термическое сопротивление, коэффициент конвективной теплопередачи и истинную теплопроводность материала. После корректировки измерить снова; после измерения отрегулировать ещё раз, пока ошибка не достигнет приемлемого диапазона. Только после калибровки модели можно использовать её на самой модели. Внутри мы называем этот шаг «калибровкой модели», и каждая новая структура выполняется хотя бы один раз.

3. Случай десенсибилизации
Существует проект высокоскоростного окна, при котором первоначальное моделирование прогнозирует, что значение RMS уменьшится до нескольких десятых длины волны при самых высоких температурных условиях, всё ещё в приемлемом диапазоне. Однако в реальных экологических испытаниях деградация поверхности, измеренная интерферометром, была почти вдвое сильнее, чем при симуляции.
Оглядываясь назад, проблема кроется в граничных условиях фреймворка. Во время моделирования, если монтажная поверхность рамы жёсткая, сама рама деформируется при высоких температурах, и эта деформация передаётся в окно, добавляя дополнительный слой напряжения. Позже каркас также был включён в модель моделирования, и был проведён термоструктурный анализ сцепления всей сборки. Дальнейшие измерения показали, что отклонение между моделированием и реальными измерениями превышает десять процентов. После этого случая все наши термооптические симуляции окон больше не анализируют только само окно, а моделируют окно, раму и основу крепления в целом.

4. Говорите честно с общим подразделением
Проблемы с термооптикой окон нельзя решить только поддерживающим устройством. Весь блок содержит полные аэротермальные данные и профили полёта, а поддерживающий блок имеет параметры оконного материала и технические спецификации процесса. Только объединив данные с обеих сторон можно получить надежное термооптическое проектирование.
Это также то, что мы всегда хотели продвигать: начинать термооптический анализ на этапе демонстрации модели, а не ждать, пока структура заморозится, а затем использовать окно, чтобы «проверить, работает ли она». Результаты тестирования часто не работают, поэтому вы вносите изменения и пробуете снова, что увеличивает и цикл, и стоимость.