CC BY
85
УДК 621.315.2:681.7.068
Солдатенко Евгений Юрьевич
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Томск Магистрант E-Mail: [email protected]
Леонов Андрей Петрович
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Россия, Томск Кандидат технических наук, доцент E-Mail: [email protected]
Перспективная конструкция миниатюрного оптического кабеля повышенной прочности
Аннотация: Снижение массогабаритных характеристик, повышение надежности и пропускной способности - приоритетные направления развития бортовых кабельных систем. К сожалению, в настоящее время отечественные оптические кабели не в полной мере удовлетворяют этим требованиям, отмечен дефицит данных изделий и в ряде случаев потребность удовлетворяется за счет импорта. В данной работе проведена разработка конструкции миниатюрного оптического кабеля повышенной прочности на основе многомодового оптического волокна с градиентным профилем показателя преломления. Проведен сравнительный анализ оптических, физико-механических, эксплуатационных и технологических свойств применяемых материалов ряда отечественных и зарубежных производителей: оптическое волокно, оптический модуль, буферный и армирующие слои, защитная оболочка. Отмечены их преимущества и недостатки, и сделан выбор в пользу материалов отечественного производства. Рассмотрена технологическая цепочка изготовления данного кабеля. Результаты показали, что выбранные материалы пригодны для эксплуатации в предлагаемой конструкции, кроме того адаптированы к существующему технологическому процессу. В настоящее время изготовлена опытная партия кабеля, проводится основной цикл испытаний.
Ключевые слова: Оптический кабель; оптическое волокно; миниатюрный кабель; бортовая кабельная сеть; прочность; надежность; авиационная техника.
Гусев Андрей Викторович
ОАО «Особое конструкторское бюро кабельной промышленности»
Россия, Мытищи Начальник отдела №6 E-Mail: [email protected]
Идентификационный номер статьи в журнале 96TVN613
Eugene Soldatenko
FSBEI HPO «National Research Tomsk Polytechnic University»
Russia, Tomsk E-Mail: [email protected]
Andrei Leonov
FSBEI HPO «National Research Tomsk Polytechnic University»
Russia, Tomsk E-Mail: [email protected]
Andrei Gusev
OJSC «Specialized Design Bureau for Cable Industry»
Russia, Mytishchi E-Mail: [email protected]
The perspective miniature optical cable with high strength
Abstract: Decreasing mass-dimensional characteristics, improving reliability and bandwidth capacity are priority development fields of onboard cable system. Unfortunately, domestic optical cables did not fully satisfy these requisitions in these latter days, a lack of these products was shown and demand was satisfied by import in some cases. In this article, the design of miniature optical cable with high strength based on multimode optical fiber with graded index profile was done. Comparative analysis of optical, physical and mechanical, performance and processing properties for employed materials made by domestic and foreign manufacturers was done: optical fiber, optical module, buffer and reinforcing coats, protective jacket. Their advantages and disadvantages was noted, and the choice was decided on domestic produced materials. Processing chain of this cable manufacture was considered. The results showed that selected materials were suited for exploitation in the offered design; moreover, they were geared to current processing. At this moment, cable pilot run has been manufactured and test basic cycle has been performing.
Keywords: Optical cable; optical fiber; miniature cable; onboard cable network; strength; reliability; aeronautical engineering.
Identification number of article 96TVN613
Одной из важнейших задач авиационной и ракетно-космической отраслей на сегодняшний день является обеспечение качественными и конкурентоспособными оптическими кабелями (ОК) с возможностью снижения массы и размеров. Это связанно с тем, что отечественные кабельные изделия за последние годы, к сожалению, не в полной мере удовлетворяли современным требованиям к массогабаритным характеристикам. В этих условиях дефицит новой кабельной продукции восполнялся потребителями за счет закупок исключительно импортных кабелей, что идет вразрез с интересами Государственных заказчиков.
Работы по снижению массы авиационной техники и космических аппаратов не теряют своей актуальности в мировой и отечественной практике. Наличие большого количества бортовых и монтажных кабелей в составе данных изделий, делают эту группу изделий основным резервом для уменьшения массы бортовой кабельной сети (БКС) авиакосмической техники.
В работе проведена разработка облегченного варианта оптического монтажного кабеля повышенной прочности для авиационной техники на рабочий диапазон температур (-60 ^ +150) °^ выбор и обоснование материалов конструкции, а также рассмотрена
технологическая цепочка изготовления кабеля.
На теплостойкий миниатюрный кабель предъявляются жесткие требования по геометрическим (диаметр кабеля Dк < 1 мм), механическим и оптическим параметрам. Помимо этого кабель должен быть работоспособным в широком диапазоне температур (-60 ^ +150) °^ обеспечивать стойкость к растягивающим усилиям не менее 50 Н и не распространять горения.
При таком комплексе требований, традиционно используемая для применения в широком диапазоне температур конструкция со свободным расположением оптического волокна (ОВ) внутри защитно-упрочняющих элементов кабеля не может быть применена. Модуль-трубка, в которой располагается оптическое волокно, должна иметь внутренний диаметр не менее (1,2^1,5) мм, при материале трубки с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) не более 110-5 1/°С При этом диаметр кабеля возрастает до (1,5^3,0) мм. В связи с этим для обеспечения вышеперечисленных требований сделан акцент на разработку конструкции с плотным расположением ОВ в кабеле.
1
„________0О.9±О.1_________
Рис. 1. Конструкция миниатюрного оптического кабеля повышенной прочности: 1 - волокно оптическое, 2 - буферный слой,
3 - армирующий слой, 4 - защитная оболочка
На рис. 1 представлена конструкция миниатюрного ОК повышенной прочности, в составе которой ОВ предназначено для передачи света на расстояние, плотный буферный слой - для снижения механических воздействий на ОВ, силовой армирующий элемент - для повышения прочности ОК и защиты ОВ от растягивающих усилий, и оболочка кабеля - для защиты ОВ от внешних воздействий и механических повреждений.
Выбор между одномодовым (ООВ) и многомодовым оптическим волокном (МОВ) сводится к тому, насколько масштабной будет сеть. Поскольку применение разрабатываемого кабеля предполагается в локальной сети, наиболее подходящим вариантом является использование МОВ. Прежде всего, это связанно с тем, что более жесткие допуски применяются к оптическим соединителям для ООВ и к совмещению лазера с сердцевиной малого диаметра (7^9 мкм), а соответственно, требуются более точные методы монтажа и концевой заделки кабелей. Это обуславливает более высокую стоимость приемопередающего оборудования для ООВ (примерно на 25-30% выше, чем для МОВ).
Различают МОВ со ступенчатым профилем показателя преломления (ППП) сердцевины и с градиентным. В МОВ со ступенчатым ППП сердцевины все разрешенные моды, вводимые в волокно под разными углами в рамках числовой апертуры, имеют разные траектории распространения, и соответственно, различное время распространения. Главный недостаток такого типа волокна - модовая дисперсия, которая сужает полосу пропускания (20^30 МГцкм) и ограничивает максимальную длину линии. Хотя лучи проходят в МОВ разное расстояние, можно подобрать такую форму ППП (близкую к параболической), что все лучи будут запаздывать почти на одно и то же время. Это достигается за счет сложного легирования сердцевины ОВ. Волокно с таким ППП называется градиентным. В результате, такое ОВ имеет меньшую модовую дисперсию и, как следствие, большую полосу пропускания (500^2000 МГцкм).
На сегодняшний день основными представителями на рынке специальных МОВ с градиентным ППП являются такие компании, как ^т^, OFS, Draka, Verrillon и отечественный разработчик - Научный центр волоконной оптики (НЦВО) РАН под руководством академика Дианова Е.М (таб. 1).
При выборе специального ОВ следует учесть, что на импортное теплостойкое ОВ имеется ограниченная квота при поставке в РФ, решение на выдачу которой занимает длительное время. К тому же накладывается проблема оформления большого количества документации, что также затрудняет и затягивает процесс приобретения ОВ. Немаловажно отметить, что одним из требований зарубежных фирм-производителей является соглашение о конечном использовании, запрещающее применение ОВ в сфере авиационно-космической и военной промышленностях.
Преимуществом взаимодействия с отечественным производителем является поставка неограниченных длин специальных ОВ, что позволяет изготавливать ОК любой строительной длины. К достоинствам можно также отнести гибкий подход в изготовлении ОВ, что предоставляет возможность не только варьировать геометрическими размерами, но и включать дополнительные опции для достижения необходимых характеристик (устойчивость к микроизгибам, радиационная стойкость, влагостойкость и т.д.).
Анализируя вышеотмеченные преимущества и недостатки, а также то обстоятельство, что ОВ марки OKB-Grad-1 (НЦВО РАН) не уступает зарубежным аналогам по геометрическим, оптическим и температурным параметрам, а некоторые из марок даже превосходит, сделан вывод: данное теплостойкое оптическое волокно является наиболее подходящим вариантом, удовлетворяющим техническим требованиям.
Таблица 1
Сравнительные параметры теплостойких ОВ различных производителей
MapKa OB Фирма Затухание (X), дБ/км (нм) B (X), МГцкм (нм) Герметичное покрытие T, °С
OKB-Grad-1 НЦВО РАН <2.9 (850) <0.7 (1300) >500(850) 500 (1300) Углерод -60 - +150
MMF-50-3- MTDA-125-3 Verrillon <2.5 (850) <0.7 (1300) >300 (850) >300 (1300) - -60 - +150
MM50BI(H)- MT Corning <2.5 (850) <0.7 (1300) >500(850) 500 (1300) -/+ -60 - +150
MM50(H)-MT Corning <2.5 (850) <0.7 (1300) >500 (850) >500 (1300) -/+ -60 - +150
High Temperature Acrylate Multimode Fiber Draka <2.5 (850) <0.7 (1300) >400 (850) >400 (1300) - -60 - +150
High Temperature Silicone Multimode Fiber Draka <2.5 (850) <0.7 (1300) >400 (850) >400 (1300) - -60 - +200
Geo50 SA OFS <4 (850) <2 (1300) >400 (850) >400 (1300) + -45 - +160
\В качестве материалов для буферного покрытия предложено использовать фторсодержащие полимеры (PFA, FEP, ETFE, PVDF), термопластичный полиуретан, а также полиэфирэфиркетон (PEEK). Данные материалы обладают высокой механической прочностью, химостойкостью, влагостойкостью, стойкостью к перепадам температур и воздействию УФ-излучения. Серьезным их недостатком является различие коэффициентов линейного расширения полимерных материалов и кварцевого стекла, вследствие чего происходит усадка полимерных оболочек и возникают микроизгибы ОВ, вызывающие увеличение оптических потерь.
Таблица 2
Свойства кремнийорганических компаундов СИЭЛ
Компаунд Вязкость динамическая, X*103, МПас Прочность при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, % Режим вулкани- зации, °С/ч Диапазон Траб, °С
159-167 3-7 3,0 110 150/3 -60 - - +200
159-190A 5-8 2,0 120 180/3 -60 - - +200
159-254 3-7 3,5 110 150/3 -60 - - +200
159-254М 3-5 3,5 110 100/3 -60 - - +200
159-274 3-5 2,5 130 150/0,5 -70 - - +250
159-306 8-10 2,5 110 150/1 -60 - - +200
159-322A 5-7 4,0 160 150/3 -60 - - +200
159-327Б 5-7 3,0 160 150/3 -60 - - +200
159-377 3-7 3,0 130 150/3 -60 - - +200
Решить данную проблему позволяет применение кремнийорганических компаундов, которые представляют собой композиции на основе низкомолекулярных кремнийорганических олигомеров с различными добавками. В отечественной промышленности хорошо зарекомендовали себя такие марки, как СИЭЛ 159-254, 159-274, 159-306 и 159-322А, основные свойства которых представлены в таблице 2.
Наиболее подходящим для плотного буферного покрытия теплостойкого оптического волокна является компаунд СИЭЛ 159-306, у которого примерно в 1,5^2 раза больше динамическая вязкость (п=(8-10)103 МПас) по сравнению с компаундами, указанными в таблице 2, а также ниже прочность при растяжении, что позволяет лучше демпфировать разного рода нагрузки - сжатие, растяжение, давление при отрицательных температурах.
В качестве силового армирующего элемента оптимально подходит стальная проволока одного или нескольких повивав, а в диэлектрических кабелях - арамидные нити, стеклонити и стеклопластиковые прутки (табл. 3).
Таблица 3
Физико-механические свойства материалов, используемых в качестве армирующего элемента оптических кабелей
Mатериал Mодуль Юнга, Н/мм2 Плотность, г/см2 Коэффициент термического расширения, 1/°К
Арамидные нити 100 000 1,45 -2 10-6
Стеклонити 75000 2,2 0,54 10-6
Стеклопластик 5ооо...бооо 2,1 6,6 10-6
Стальная проволока 200 000 7,8 1,310-5
Стальные проволоки и стеклопластиковые прутки обладают хорошей прочностью на разрыв, но обеспечивают высокий уровень жесткости кабеля. Поэтому в монтажных кабелях они не используются в качестве защитно-упрочняющего элемента. Наиболее подходящим материалом для данного типа кабеля являются арамидные волокна. Такие волокна отличаются высокими значениями прочности, модуля упругости, теплостойкости и химостойкости. Впервые они стали известны под маркой «кевлар».
Арамидные нити среди всех органических волокон имеют наиболее высокие эксплуатационные характеристики. Они отличаются устойчивостью к воздействию пламени, высоких температур, органических растворителей, нефтепродуктов и т. п. Арамидные волокна менее хрупки по сравнению со стеклянными волокнами и пригодны для переработки на обычном оборудовании кабельных производств.
На сегодняшний день наиболее известными производителя арамидных нитей являются такие предприятия, как ОАО «Каменскволокно» (Россия), ОАО «СветлогорскХимволокно» (Беларусь), DuPont (США), Kolon Industries (Корея), Teijin Aramid (Голандия), Kermel (франция), GOTEX (Испания).
В ряде ОК вместо арамидных нитей могут применяться стеклонити. ОК с армирующем элементом из стеклонитей дешевле, но их относительное удлинение больше, а максимальное значение разрывного усилия меньше.
Для изготовления оболочки ОК обычно применяют ПЭ, ПВХ, полиамид, ТПУ, ПЭЭК и фторопласты. Несмотря на хорошие электроизоляционные характеристики этих материалов, только ПЭЭК и некоторые виды фторопластов рассчитаны на рабочий диапазон температур (60 - +150) °С.
Большинство из материалов, представленных в таблице 4, накладываются методами экструзии, прессования и литья под давлением, что не позволяет получить равномерный радиальный размер оболочки в пределах (100^150) мкм по всей длине кабеля.
Таблица 4
Основные физико-механические свойства термопластических материалов
Наименование и марка материала p, кг/м3 Диапазон Tраб, °С МПа Ос, МПа Ои, МПа Относительное удлинение при разрыве, %
Фторопласт
2М 1750-1800 -60 - +145 45-55 - 55-85 375
3; 3М 2020-2160 -195 - +130 23-35 55-60 35-80 70-250
4; 4Д; 4ДМ 2190-2260 -269 - +260 13-24 10-12 10-14 100-350
4МБ; 4МБ-2 2140-2230 -60 - +200 16-26 - 20-30 300-400
40 1650-1700 -100 - +200 27-50 - 33-34 150-300
50 2120-2170 -200 - +260 28-32 - - 300
Полиэфирэфиркетон
PEEK 1310 -60 - +260 95 160 118 40-60
Полиуретан
ТПУ 1100-1380 -60 - +125 25-50 - - 310-850
Немаловажно отметить, что температура экструдата, выходящего из формующей головки экструдера может достигать порядка 300^400 °С. Таким образом, существует вероятность нарушения целостности дополнительного буферного и защитных покрытий ОВ. Устранение этих недостатков позволяет использование другого способа наложения оболочки
- нанесение сырой каландрированной пленки на заготовку с последующей термообработкой. Данным методом накладываются фторопласт-4 и фторопласт-4Д, имеющие практически одинаковые свойства и различающиеся в молекулярном весе. Кроме переработки в тонких слоях, фторопласты обладают другим существенным преимуществом - температурный коэффициент линейного расширения составляет (80-640) 10-6 °С-1, что в несколько раз выше, чем у всех вышеперечисленных термопластичных материалов. Тем самым при отрицательных температурах механические нагрузки в меньшей степени воздействуют на ОВ.
Изготовление разработанного оптического кабеля предложено осуществлять на агрегате АЗФ-4С, основные узлы которого показаны в виде блок-схемы на рис. 2.
? Отдающее > Г Л Направляющее г -ч Продольное
устройство W устройство ^J наложение пленки L У
Т ермообработка
Уплотняющие
калибры
Наложение арамидных нитей
S Тяговое г у Направляющее f— Приемное
устройство устройство устройство у
Рис. 2. Блок-схема узлов агрегата АЗФ-4С
С отдающего устройства ОВ плавно сматывается и через направляющие ролики поступает в узел обмотки арамидными нитями. Обмотка осуществляется при поступательном движении ОВ и вращательном движении крутильной рамы, оснащенной двумя катушками с нитями. Следующим этапом является продольное наложение сырой каландрированной пленки с помощью специального приспособления, называемого «улиткой». Оно представляет собой конусный желоб, имеющий сужающийся вдоль оси формующий канал в поперечном сечении в виде спирали. Выход формующего канала жестко и соосно соединен с рядом уплотняющих калибров для достижения необходимого диаметра по оболочки. Для того чтобы получить монолитную изоляцию из фторопласта, производится термообработка в продолговатой трубки, внутри которой расположена стальная оплетка, а по бокам механизм для плотного натяжения ее на изготавливаемое изделие. Необходимая температура регулируется величиной электрического тока, проходящего по стальной оплетке, а также длиной трубки и линейной скоростью движения заготовки. Далее через тяговое устройство, которое обеспечивает непрерывное и равномерное движение изготавливаемого изделия, и направляющие ролики готовый ОК наматывается на барабан.
Таким образом, в результате проделанной работы был разработан миниатюрный оптический кабель повышенной прочности для авиационной промышленности, который удовлетворяет геометрическим (0,9±0,1 мм), механическим (растягивающее усилие не менее 50 Н) и оптическим (коэффициент затухания не более 2 дБ/км на длине волны 1300 нм) параметрам. В настоящее время ОК проходит основной цикл испытаний на предприятии ОАО «ОКБ КП», г. Мытищи.
ЛИТЕРАТУРА
1. Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий
связи. Изд. - М.: Изд-во ЛЕСАРарт, 2003. - 288 с., ил.
2. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. - М.: Изд-во
ЛЕСАРарт, 2005. - 208 с., ил.
3. Мендез А., Морзе Т.Ф. Справочник по специализированным оптическим
волокнам. - М.: Изд-во Техносфера, 2012. - 728 с.
4. Замятин И.А., Ильин А.А., Ларин Ю.Т. Кабели оптические. Заводы-изготовители. Общие сведения. Конструкция, техническая документация, сертификаты. - М.: Изд-во Принт-Сервис, 2010. - 352 с.
5. Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы / Сборник статей. - М.: Изд-во Соппей, 2000. - 376 с.
- ил.
6. Субботин Е.А. Методы и средства измерения параметров оптических телекоммуникационных систем. Учебное пособие для вузов. - М.: Изд-во Горячая линия-Телеком, 2013. - 224 с., ил.
7. Ларин Ю.Т., Рязанов И.Б. Расчет параметров оптических кабелей. - М.: Изд-во МЭИ, 1993. - 23 с.
8. Балашов А.И., Боев М.А., Воронцов А.С. и др. Кабели и провода. Основы кабельной техники / Под ред. Пешкова И.Б. - М.: Изд-во Энергоатомиздат, 2009. - 470 с., ил.
9. ГОСТ Р МЭК 794-1-93 Кабели оптические. Общие технические требования.
10. ГОСТ Р 52266-2004 Кабельные изделия. Кабели оптические. Общие технические условия.
Рецензент: Гарганеев Александр Георгиевич, д.т.н., профессор кафедры
Электропривода и электрооборудования, Томский политехнический университет.
REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Listvin A.V., Listvin V.N., Shvyrkov D.V. Opticheskie volokna dlja linij svjazi. Izd. -M.: Izd-vo LESARart, 2003. - 288 s., il.
Listvin A.V., Listvin V.N. Reflektometrija opticheskih volokon. - M.: Izd-vo LESARart, 2005. - 208 s., il.
Mendez A., Morze T.F. Spravochnik po specializirovannym opticheskim voloknam. -M.: Izd-vo Tehnosfera, 2012. - 728 s.
Zamjatin I.A., Il'in A.A., Larin Ju.T. Kabeli opticheskie. Zavody-izgotoviteli. Obshhie svedenija. Konstrukcija, tehnicheskaja dokumentacija, sertifikaty. - M.: Izd-vo Print-Servis, 2010. - 352 s.
Dmitrieva S.A., Slepova N.N. Volokonno-opticheskaja tehnika: istorija, dostizhenija, perspektivy / Sbornik statej. - M.: Izd-vo Connect, 2000. - 376 s. - il.
Subbotin E.A. Metody i sredstva izmerenija parametrov opticheskih
telekommunikacionnyh sistem. Uchebnoe posobie dlja vuzov. - M.: Izd-vo Gorjachaja linija-Telekom, 2013. - 224 s., il.
Larin Ju.T., Rjazanov I.B. Raschet parametrov opticheskih kabelej. - M.: Izd-vo MJeI, 1993. - 23 s.
Balashov A.I., Boev M.A., Voroncov A.S. i dr. Kabeli i provoda. Osnovy kabel'noj tehniki / Pod red. Peshkova I.B. - M.: Izd-vo Jenergoatomizdat, 2009. - 470 s., il.
GOST R MJeK 794-1-93 Kabeli opticheskie. Obshhie tehnicheskie trebovanija.
GOST R 52266-2004 Kabel'nye izdelija. Kabeli opticheskie. Obshhie tehnicheskie uslovij a.
