Закономерности реакции тактильной поверхности сенсорных покрытий, используемых для аэрокосмических аппаратов, на внешнее воздействие исследовали с целью увеличения их надежности ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 1 октября сообщает пресс-служба вуза.

Сенсорную технику в аэрокосмической сфере — индикаторные и тактильные полимерные покрытия — используют для оценки влияния на аэродинамическую поверхность внешних силовых воздействий, таких, например, как удары града, бетонной крошки, летящей из-под переднего колеса при взлете самолета, а для космических аппаратов — частиц космического мусора.

Усовершенствование таких покрытий увеличивает надежность системы мониторинга состояния аэродинамической поверхности и снижает риски возникновения аварийных ситуаций из-за нарушений работы или отказа их датчиков.

Гибкие полимерные тактильные покрытия позволяют измерять величину механических воздействий, а также физических и геометрических характеристик воздействующего объекта (например, его текстуры и формы) при контакте объекта с тактильной поверхностью.

Такие покрытия применяются в устройствах высокоинтеллектуальной электроники, интерфейсах взаимодействия человек-машина, а также как электронная кожа для «очувствления» робототехнических устройств, в том числе протезов.

Эти тактильные покрытия содержат функциональные чувствительные материалы —пьезоэлектрические, генерирующие электрические заряды при механическом воздействии, или механолюминесцентные, деформация которых вызывает их свечение.

Так, для контроля обледенения самолетов используются полимерные покрытия с оптоволоконными датчиками, в составе которых содержатся пьезоэлектрические элементы. По сигналам таких датчиков происходит автоматическое очищение поверхности от корки льда.

В идеале такой тактильный датчик должен иметь высокую чувствительность, быстрый отклик, надежность и стабильность характеристик. Исследование ученых Пермского Политеха позволит установить, как внешние воздействия (в данном случае однотипных жестких шаровых частиц как аналогии града) влияют на вышеперечисленные характеристики таких покрытий.

Политехники проводили эксперименты на полимерном слое со встроенным оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным датчиком, сделанном в виде световода.

Профессор кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, доктор физико-математических наук Андрей Паньков рассказал о проведенном исследовании:

«Мы представили модель для диагностики внешних воздействий на поверхность с помощью тактильного оптоволоконного покрытия. Встроенный в него датчик реагирует на механические воздействия и создает свет. Для анализа и определения силы вдавливания шаровых частиц мы использовали численный метод, основанный на решении сложной математической задачи с помощью специального ПО».

Резонансный метод диагностики внешних воздействий основан на определении зависимости влияния величины силы внешнего воздействия на изменения собственной резонансной частоты микроколебаний (вибрации) тактильной поверхности.

В случае данного исследования микроколебания вызвались воздействием переменного электрического напряжения на встроенные в тактильную поверхность электроды, а внешнее воздействие осуществлялось шаровыми частицами.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что зависимость изменений собственных (резонансных) частот колебаний сенсорного покрытия от силы механического внешнего воздействия близка к линейной. Данное открытие делает возможным применение резонансного метода для точной диагностики влияния внешних воздействий на тактильную поверхность.

Эти результаты ученые представили в статье «Модальный анализ тактильного механолюминесцентного оптоволоконного покрытия при вдавливании жестких шаровых частиц», опубликованной в журнале СФУ «Техника и технологии» за 2024 год.

Исследование ученых ПНИПУ поможет повысить точность мониторинга механического воздействия на сенсорную поверхность и, соответственно, правильно оценивать риск возникновения аварийной ситуации для аэрокосмических аппаратов из-за неправильной работы или отказа сенсоров покрытия.