О перспективах волоконно-оптических технологий

Основой многих достижений АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» является создание новых типов чувствительных элементов и систем на их основе. О современном состоянии и перспективах применения одного из разрабатываемых в концерне видов гироскопов – волоконно-оптического (ВОГ) – в интервью начальника лаборатории волоконной оптики к.т.н. Александра Унтилова.

– Александр Алексеевич, напомните, пожалуйста, историю создания волоконно-оптических гироскопов в ЦНИИ «Электроприбор». Как давно концерн начал работать в этом направлении?

– В начале 2000-х гг. стало понятно, что назрела замена инерциальных навигационных систем на основе привычных нам механических гироскопов и настало время заняться созданием бесплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) на основе перспективного волоконно-оптического гироскопа. Начали мы с создания БИНС на базе покупных ВОГ фирмы «Физоптика».

В 2001–2005 гг. под руководством д.т.н., проф. Л.П. Несенюка в «Электроприборе» были разработаны первые приборы на ВОГ для кораблей и наземного транспорта. Были созданы миниатюрная интегрированная инерциальная и спутниковая система навигации и ориентации «Мининавигация-1» и первая БИНС с применением автокомпенсационного вращения «Мининавигация-К», на основе которой в дальнейшем был создан ряд малогабаритных систем гироскопической стабилизации «Зенит-СК», ТКУ, «Бекар-Э».

Но для морских систем нужны значительно более точные гироскопы, и стало понятно, что необходимо заняться разработкой собственных высокоточных ВОГ. К этой работе был привлечен соисполнитель – научно-исследовательский центр световодной фотоники Университета ИТМО во главе с профессором И.К. Мешковским, у которых был опыт применения современной оптики и электроники при разработке устройств подобных тем, что необходимы в ВОГ.

В 2012 г. были созданы первые БИНС семейства «Бемоль», построенные уже на базе ВОГ собственного производства.

– В 2015 году в концерне была открыта «башня» для вытяжки оптического волокна. Расскажите, с какой целью это было сделано?

– Сначала концерн закупал волокно для изготовления своих ВОГ, но так как точность прибора напрямую зависит от качества исходных компонентов, то было решено наладить собственное производство. Производить свое волокно не только выгоднее, но и безопаснее – компетенции сотрудников лаборатории являются гарантией качества продукции, которая после станет основой гироскопа.

К этому моменту коллектив лаборатории значительно укрепился, к нам пришла группа специалистов во главе с д.т.н. М.А. Ероньяном, который имеет огромный опыт по созданию оптоволокна.

– Какие задачи в области волоконной оптики решаются в концерне сегодня?

– В концерне работает центр волоконно-оптических технологий. Оборудованы специальные чистые производственные помещения со строго контролируемой степенью очистки воздуха. Помимо оборудования для производства волокна центр оснащен современным технологическим и контрольным оборудованием для изготовления и всесторонних испытаний волоконно-оптических гироскопов.

Таким образом, обеспечен полный цикл от производства специализированного оптического волокна до создания высокоточных систем на ВОГ собственной разработки и производства серийных БИНС на ВОГ.

Разработаны и выпускаются ВОГ навигационного класса точности с диаметром катушки чувствительного элемента 150 и 200 мм. Результаты испытаний ВОГ показывают, что его основные точностные характеристики сопоставимы с зарубежными и отечественными аналогами.

На сегодняшний день созданы и серийно поставляются 7 типов бесплатформенных инерциальных систем на ВОГ различного назначения, еще несколько находятся в разработке, заказчикам уже отгружено около 100 приборов.

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Производство оптического волокна методом MCVD состоит из двух основных этапов. На первом производится преформа – заготовка, в которой методом химического осаждения создается структура будущего волокна и в дальнейшем получается само волокно. Такое производство создано в филиале №1. Для изготовления преформы на внутреннюю поверхность трубки из чистого синтетического кварца наносится требуемое количество слоев особого состава, которое станет сердцевиной волокна.

Затем трубка схлопывается и получается стержень с нужной сердцевиной. Вторая стадия реализуется в лаборатории на центральной площадке. Здесь расположена линия по изготовлению волокна с необходимыми для дальнейших применений характеристиками. Вытяжка волокна из преформы производится на специализированном оборудовании, смонтированном на «башне» высотой в 12 м. Скорость вытяжки может достигать 200 м в минуту (фактическая скорость определяется конкретным режимом вытяжки). Стержень ставится на подающее устройство башни, разогревается до температуры около 2000 градусов, после чего размягчившееся стекло преформы вытягивается в тонкое волокно, по внешнему виду похожее на леску. Из стержня получается несколько километров оптического волокна.

– Какие еще применения может иметь выпускаемое концерном оптоволокно?

– Запуск собственного производства оптического волокна позволяет активнее развивать и некоторые другие направления деятельности. В частности, в тесном сотрудничестве с научно-исследовательским центром «Интегрированные системы освещения обстановки» активно проводятся исследования и разработки в области гидроакустики. Наиболее перспективно создание волоконно-оптических гидроакустических датчиков буксируемых и покровных антенн.

– Какие достижения в области волоконной оптики вы относите к наиболее значимым?

– На сегодняшний день по ключевым параметрам производимые в АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» световоды зачастую превосходят представленные на рынке аналоги. Во первых, в созданных концерном световодах достигнуто высокое значение h-параметра (основная характеристика для сохранения состояния поляризации в световоде). Во вторых, в изгибостойких световодах удалось получить сочетание минимальных оптических потерь при изгибах и потерь в местах сварки. Разработано несколько типов специальных оптических волокон, в том числе радиационно-стойкое, предназначенное для использования в сложных условиях эксплуатации.

Изначально мы производили оптоволокно исключительно для нужд концерна. С 2020 г. начались поставки продукции по коммерческим заказам.

– На развитии каких направлений будет сделан акцент в ближайшей перспективе?

– Главное направление будущих исследований – дальнейшее повышение точностных характеристик ВОГ. При кажущейся простоте прибора он в то же время чрезвычайно подвержен различным внешним воздействиям, таким как изменения температуры окружающей среды, акустические шумы и вибрации, магнитные поля и т.д. Ключевым вопросом сейчас является компенсация дрейфов, вызванных изменением температуры. Кроме того, перед нами стоит задача уменьшить габариты гироскопа при сохранении или улучшении точности и снижении стоимости. Активно ведутся исследования по поиску оптимальных параметров чувствительного элемента ВОГ, например по уменьшению габаритов катушки, сокращению длины оптического волокна, изменению профиля намотки.

Как отметил академик В.Г. Пешехонов на одном из недавних заседаний Ученого совета, «у нас теперь есть подразделение, которое разбирается в волоконно-оптических гироскопах». Это значит, что у концерна имеются конкретные перспективы дальнейшего расширения тематики и номенклатуры приборов, и мы понимаем, как достичь этого.

ЭТО ИНТЕРЕСНО

Длительное время гироскоп представлял собой исключительно механическое устройство. На основе механических гироскопов были созданы первые навигационные системы. Однако сложность и трудоемкость изготовления, значительные габариты, вес и энергопо- требление и, как следствие, высокая стоимость ограничивали их применение.

На замену механическим в конце прошлого века пришли оптические устройства. В частности, активное развитие элементной базы волоконной и интегральной оптики привело к появлению нового типа инерциальных датчиков угловых скоростей – волоконно-оптических гироскопов.

Еще в 1913 г. Жоржем Саньяком был открыт эффект, который получил его имя и лег в основу принципа работы всех современных оптических гироскопов, таких, например, как ВОГ и лазерный гироскоп. ВОГ, как следует из названия, представляет собой плотно намотанное оптическое волокно большой длины, по которому в противоположных направлениях распространяются лучи света. Чем длиннее волокно, тем более точный гироскоп можно получить.

Волоконно-оптические гироскопы обладают большим количеством несомненных преимуществ: простотой конструкции, технологичностью, малыми габаритами, небольшим временем готовности, значительной устойчивостью к ускорениям и вибрациям, низким энергопотреблением, высокой надежностью, длительным сроком службы (десятки лет) и меньшей стоимостью при сравнимой с другими типами гироскопов точностью.