Способ соединения оптического волновода, встроенного в компонент из волокнистого композита, с внешним оптическим волноводом - RU2595323C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к способу соединения оптического волновода, встроенного в компонент из волокнистого композита, в частности воздушного судна и космического ЛА, с внешним оптическим волноводом.

Хотя настоящее изобретение может быть применено к любым компонентам из волокнистого композита, оно будет описано в отношении компонента из волокнистого композита воздушного судна и космического ЛА.

Из-за большого количества требуемых кабелей и соответствующих кабельных зажимов, кабельные расшивки воздушного судна и космического ЛА имеют исключительно сложную конструкцию и большую массу. Кроме того, последующее расширение кабельной расшивки или ее модульной конструкции трудно реализовать. Процесс расчета для укладки такой кабельной расшивки отнимает много времени, сложный и очень уязвим для ошибок. Специфические для заказчика адаптации и требования могут быть реализованы только с значительной конструктивной сложностью. Заявитель знаком по работе с подходами к решению этой проблемы, когда кабели, обычно выполненные из меди, заменяют по одному системами оптических волноводов. Однако это решение дает лишь небольшой выигрыш по массе, и возможный потенциал оптических волноводов в большой степени не используется.

В воздушном судне и космическом ЛА оптические волноводы, встроенные в компоненты из волокнистого композита, используют для контроля повреждений. В документе WO 2007/063145 A1 описана структура волокнистого композита с оптическим волокном, которое встроено по меньшей мере в части структуры волокнистого композита и используется для контроля повреждений этой структуры. Однако такие встроенные оптические волноводы также подходят для передачи данных. Проблема с встроенными оптическими волноводами однако заключается в их соединении с внешними оптическими волноводами, которые не встроены в компонент из волокнистого композита, например, для соединения встроенного оптического волновода с разъемным соединением оптического волновода.

Соответственно, в документе US 7039276 B2 описаны способ и устройство для соединения первого оптического средства передачи, например, оптического волокна, которое встроено в компонент из волокнистого композита воздушного судна и космического ЛА, с вторым оптическим средством передачи, таким как оптическое волокно, которое расположено вне компонента из волокнистого композита. Этот способ включает: определение положения первого оптического элемента, который встроен в композитный компонент, например, посредством рентгеноскопии; выполнение отверстия лазерным лучом, вырезающим или сверлящим его в композитном компоненте до первого оптического средства передачи; выполнение оптического соединения между первым и вторым средствами передачи на поверхности раздела отверстия и первого оптического средства передачи. Однако недостаток этого способа заключается в том, что трудно контролируемо разделять встроенные оптические средства передачи из-за одновременного разделения компонента из волокнистого композита и первого оптического средства передачи. Следовательно, необходимо заделать встроенный оптический волновод после разделения, чтобы получить удовлетворительное оптическое соединение с внешним оптическим волноводом. Это подразумевает огромные производственные расходы и повышает количество брака. Поэтому этот способ нельзя использовать в промышленном масштабе.

Поэтому цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить усовершенствованный способ соединения оптического волновода, встроенного в компонент из волокнистого композита, с внешним оптическим волноводом.

Эта цель достигнута способом, который имеет признаки по пункту 1 формулы изобретения.

Соответственно, предложен способ соединения оптического волновода, встроенного в компонент из волокнистого композита, в частности воздушного судна и космического ЛА с внешним оптическим волноводом, который включает следующие этапы: определение пути встроенного оптического волновода в компоненте из волокнистого композита; определение узлового положения, в котором встроенный оптический волновод должен быть соединен с внешним оптическим волноводом; вскрытие, по меньшей мере частей, встроенного оптического волновода в этом узловом положении путем удаления по меньшей мере части компонента из волокнистого композита вокруг встроенного оптического волновода; отделение вскрытого встроенного оптического волновода; выравнивание относительно друг друга концевой части отделенного, встроенного оптического волновода и концевой части внешнего оптического волновода и сращивание взаимно выровненных концевых частей оптических волноводов.

Таким образом, с использованием настоящего изобретения можно прежде всего вскрыть встроенный оптический волновод контролируемым образом и на последующем этапе полностью отделить оптический волновод. Это дает возможность обеспечить воспроизводимое и постоянное качество отделенной точки встроенного оптического волновода, в результате чего можно выполнить надежное соединение с внешним оптическим волноводом.

Предпочтительные конфигурации и варианты настоящего изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения и в описании, объединенном с фигурами чертежей.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, путь встроенного оптического волновода в компоненте из волокнистого композита определяют неразрушающим способом, в частности оптическим способом, способом цифровой ширографии, ультразвуковым способом, рентгеновским способом, интерферометрическим способом и т.п. Следовательно, можно определить положение встроенного оптического волновода в компоненте из волокнистого композита быстро, автоматизированно и надежно.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, встроенный оптический волновод вскрывают, по меньшей мере частями, способом, который только зачищает компонент из волокнистого композита и не оказывает зачищающего действия на встроенный оптический волновод, этим не допуская повреждения встроенного оптического волновода во время вскрытия.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, вскрытие, по меньшей мере частями, встроенного оптического волновода осуществляют лазерным излучением, в частности инфракрасным лазерным излучением. Это позволяет вскрывать встроенный оптический волновод быстро и воспроизводимо, этим повышая надежность способа согласно изобретению.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, вскрытый встроенный оптический волновод отделяют вертикально до центральной оси встроенного оптического волновода, этим позволяя осуществить надежное и долговечное сращенное соединение с внешним оптическим волноводом. Это повышает надежность способа согласно изобретению.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, вскрытый встроенный оптический волновод отделяют лазерным излучением, в частности ультрафиолетовым лазерным излучением. Таким образом можно быстро отделить встроенный оптический волновод без использования контактного инструмента, в результате чего время обработки способа выгодно сокращается.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, концевую часть отделенного встроенного оптического волновода и концевую часть внешнего оптического волновода выравнивают относительно друг друга так, чтобы центральные оси концевых частей были расположены коллинеарно друг другу и торцевые поверхности концевых частей находились в контакте друг с другом, этим обеспечивая оптимальное выравнивание концевых частей относительно друг друга.

Согласно одному варианту осуществления способа согласно изобретению, когда концевую часть отделенного встроенного оптического волновода и концевую часть внешнего оптического волновода выровнены относительно друг друга, пучок света подают в один из оптических волноводов, и этот пучок света по меньшей мере частично отражается на поверхности раздела оптических волноводов, которая образована торцевыми поверхностями концевых частей, и когда концевые части оптических волноводов оптимально выровнены относительно друг друга, на поверхности раздела имеет место минимальное отражение светового пучка. Следовательно, обеспечена быстрая и надежная проверка выравнивания концевых частей оптических волноводов, что повышает надежность производства.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, концевые части оптических волноводов выравнивают относительно друг друга инструментом для выравнивания, в частности субстратом с V-образной канавкой, в которую входит, по меньшей мере частями, по меньшей мере одна из концевых частей оптических волноводов. Это позволяет особо точно выравнивать концевые части относительно друг друга, этим повышая качество выполняемого соединения.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, взаимно выровненные концевые части оптических волноводов сращивают путем сплавления. Это создает высококачественный и механически прочный стык между оптическими волноводами.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, встроенный оптический волновод и/или внешний оптический волновод сформированы как оптические волокна и/или как структура из большого числа оптических волокон. Это позволяет с выгодой укладывать оптический волновод гибким образом, за счет этого расширяя диапазон применений способа.

Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, встроенный оптический волновод вплетают в слой ламината компонента из волокнистого композита. Это дает возможность обрабатывать оптический волновод особенно просто и упрощает возможность производства компонента из волокнистого композита.

Ниже изобретение будет описано более подробно на основе вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - вид в частичном разрезе компонента из волокнистого композита;

Фиг.2 - вид в плане волокнистой ткани с оптическим волноводом;

Фиг.3 иллюстрирует способ соединения оптического волновода, встроенного в компонент из волокнистого композита, с внешним оптическим волноводом;

Фиг.4 - вид сбоку оптического соединителя, установленного на компонент из волокнистого композита;

Фиг.5 - вид в частичном разрезе компонента из волокнистого композита с встроенным оптическим волноводом, по меньшей мере части которого вскрыты;

Фиг.6 - еще один вид в частичном разрезе компонента из волокнистого композита с встроенным оптическим волноводом, по меньшей мере части которого вскрыты;

Фиг.7 - еще один вид в частичном разрезе компонента из волокнистого композита с встроенным оптическим волноводом, по меньшей мере части которого вскрыты;

Фиг.8 - вид сбоку двух взаимно выровненных оптических волноводов;

Фиг.9 - вид в частичном разрезе инструмента для выравнивания двух оптических волноводов относительно друг друга.

Одинаковые ссылочные номера на чертежах обозначают идентичные или функционально идентичные компоненты, если не указано иное.

Ниже описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылками на Фиг.1-9.

На Фиг.1 показан предпочтительный вариант осуществления компонента из волокнистого композита 1, который выполнен, например, в форме конструктивного элемента 1 воздушного судна и космического ЛА. Конструктивный элемент 1 выполнен, например, в форме стрингера 1, шпангоута 1, поперечины 1 и т.п. воздушного судна и космического ЛА. Компонент из волокнистого композита 1 предпочтительно выполнен уз углепластикового материала (CFRP). Альтернативно или дополнительно, компонент из волокнистого композита 1 может быть выполнен из стекловолокна, арамидного волокна и/или борного волокна или из сочетания этих материалов. Компонент из волокнистого композита 1 предпочтительно имеет большое количество слоев ламината, из которых только слои ламината 5-8 снабжены ссылочным номером. Может существовать любое количество слоев ламината 5-8. Слой ламината 5-8 выполнен в каждом случае как, например, волокнистая ткань, ткань с вплетенным волокном, разные типы трикотажного полотна и т.п., и пропитан материалом матрицы. Слои ламината 5-8 предпочтительно контактируют друг с другом в значительной степени.

Компонент из волокнистого композита 1 предпочтительно имеет встроенный оптический волновод 2, показанный в разрезе на Фиг.1. Встроенный оптический волновод 2 имеет, например, круглую форму поперечного сечения. Встроенный оптический волновод 2 может иметь форму, например, встроенных оптических волокон 2 или структуры 10, показанной на Фиг.2, из большого количества оптических волокон 2. Встроенный оптический волновод 2 предпочтительно вводят в компонент из волокнистого композита 1 во время процесса производства упомянутого компонента из волокнистого композита 1. Встроенный оптический волновод 2 предпочтительно проходит по всей длине, ширине или толщине компонента из волокнистого композита. Например, компонент из волокнистого композита 1 включает большое количество оптических волноводов 2, которые проходят, в частности, в разных плоскостях и направлениях через компонент из волокнистого композита 1. Встроенный оптический волновод 2 может быть связан, например, с поверхностью 3 компонента из волокнистого композита 1 и закрыт только фиксирующим покрывающим слоем 4 или матричным слоем 4 компонента из волокнистого композита 1 (Фиг.1, первый оптический волновод 2 слева). Кроме того, оптический волновод 2 может быть встроен, по меньшей мере частями, в поверхность 3 или в слой ламината 5 компонента из волокнистого композита 1 и закрыт матричным слоем 4 (Фиг.1, второй оптический волновод 2 слева). Кроме того, встроенный оптический волновод 2 может быть встроен в компонент из волокнистого композита 1 между слоями ламината 5, 6, которые расположены рядом с поверхностью (Фиг.1, третий оптический волновод 2 слева). Встроенный оптический волновод 2 может быть встроен, например, между глубокими слоями ламината 7, 8 компонента из волокнистого композита 1. Встроенный оптический волновод 2 может быть размещен, например, в соответственном слое ламината 5-8, в частности встроенный оптический волновод 2 может быть выполнен как неотъемлемый компонент соответственного слоя ламината 5-8. Вне компонента из волокнистого композита 1 расположен внешний оптический волновод 11, в частности внешнее оптическое волокно 11 или структура из большого количества внешних оптических волокон 11.

На Фиг.2 приведен вид в плане примера варианта осуществления волокнистой ткани 9, в частности углеродной волокнистой ткани 9. Волокнистая ткань 9 предпочтительно включает встроенный оптический волновод 2. Встроенный оптический волновод 2, например, вплетен в волокнистую ткань 9 как встроенные оптические волокна 2 или, согласно Фиг.2, как структура 10 или массив 10 из большого количества встроенных оптических волокон 2. В частности, встроенный оптический волновод 2 выполнен неразъемно с волокнистой тканью 9 и предпочтительно введен в упомянутую волокнистую ткань 9 во время ее производства.

На Фиг.3 показаны примеры этапов предпочтительного варианта осуществления способа соединения оптического волновода 2, встроенного в компонент из волокнистого композита 1, с внешним оптическим волноводом 11. На первом этапе S1 способа компонент из волокнистого композита 1 снабжают встроенным оптическим волноводом 2 и также обеспечивают внешний оптический волновод 11. Это включает, например, процесс ручного, автоматизированного и/или частично автоматизированного производства компонента из волокнистого композита 1 и порядок введения встроенного оптического волновода 2 в компонент из волокнистого композита 1. Этап 1 также может включать процесс производства волокнистой ткани 9 вместе с вплетенным оптическим волноводом 2.

На этапе S2 определяют путь встроенного оптического волновода 2 в компоненте из волокнистого композита 1. В зависимости от положения, в частности глубины, встроенного оптического волновода 2 в компоненте из волокнистого композита 1 согласно Фиг.1 используют, например, оптический способ, способ цифровой ширографии, ультразвуковой способ, рентгеновский способ, интерферометрический способ и т.п., чтобы определить путь оптического волновода 2, встроенного в компонент из волокнистого композита 1. При этом важно, чтобы путь встроенного оптического волновода 2 в компоненте из волокнистого композита 1 был определен неразрушающим способом.

На этапе S3 после определения пути оптического волновода 2, встроенного в компонент из волокнистого композита 1, определяют узловое положение Р согласно Фиг.4, в котором встроенный оптический волновод 2 должен быть соединен с внешним оптическим волноводом 11. Внешний оптический волновод 11 является, например, компонентом оптического соединителя 12, который установлен на поверхность 3 компонента из волокнистого композита 1. Оптический соединитель 12 имеет, например, гнездо 23, которое соединено с компонентом из волокнистого композита 1, в частности соединено клеем с поверхностью 3, и имеет вставку 24, соединенную с возможностью отсоединения с гнездом. Расположение узлового положения Р зависит, например, от того, должна ли информация подаваться во встроенный оптический волновод 2 или же необходимо снимать с него.

После определения узлового положения Р, на этапе S4, встроенный оптический волновод 2 вскрывают, предпочтительно по меньшей мере частями, в узловом положении Р, удаляя по меньшей мере часть компонента из волокнистого композита 1 вокруг встроенного оптического волновода 2. Для этой цели выполняют выемку 25, которая проходит в компонент из волокнистого композита 1 в направлении встроенного оптического волновода 2, начиная, например, с поверхности 3. На Фиг.5 и 6 показаны вид сбоку и вид в разрезе встроенного оптического волновода 2, где встроенный оптический волновод 2 вскрыт по меньшей мере частями. В этом отношении часть компонента из волокнистого композита 1 удаляют вокруг встроенного оптического волновода 2, другими словами, встроенный оптический волновод 2 прилегает, например, по меньшей мере частями, периметром 26, в частности периферической поверхностью 26, встроенного оптического волновода 2 к компоненту из волокнистого композита 1, в частности к выемке 25. Встроенный оптический волновод 2 согласно Фиг.7 предпочтительно освобожден от компонента из волокнистого композита 1 по всему его периметру 26, причем выемка 25 заходит в компонент из волокнистого композита 1 больше чем на глубину, на которой встроенный оптический волновод 2 расположен в компоненте из волокнистого композита 1. Встроенный оптический волновод 2 предпочтительно вскрывают по меньшей мере частями способом, который только выборочно удаляет компонент из волокнистого композита 1 и не оказывает удаляющего воздействия на встроенный оптический волновод 2. Способом, который можно использовать для вскрытия встроенного оптического волновода 2 в компоненте из волокнистого композита 1, является, например, способ травления или способ лазерной обработки, который выборочно удаляет компонент из волокнистого композита 1. Например, встроенный оптический волновод 2 может быть вскрыт, по меньшей мере частями, лазерным устройством на диоксиде углерода, который излучает, в частности, инфракрасное лазерное излучение. Лазерное излучение поглощается материалом компонента из волокнистого композита 1 и приводит к контролируемой абляции компонента из волокнистого композита 1 в ограниченное области, например, в области узловой точки Р, из-за подвода тепла. Инфракрасное излучение, например, проникает во встроенный оптический волновод 2 и не удаляет с него материал. Встроенный оптический волновод 2 может быть, таким образом, открыт без повреждений.

На этапе S5 выполняют операцию отделения, т.н. "скалывания" вскрытого, встроенного оптического волновода 2. В этом отношении встроенный оптический волновод 2 предпочтительно отделяют так, чтобы встроенный оптический волновод 2 отделялся вертикально к центральной оси 13 встроенного оптического волновода 2. Открытый, встроенный оптический волновод 2 отделяют, например, лазерным излучением. Встроенный оптический волновод 2 предпочтительно отделяют ультрафиолетовым лазерным излучением, создаваемым гелий-кадмиевым лазерным устройством. Длина волны лазерного излучения имеет такой диапазон, чтобы лазерное излучение поглощалось встроенным оптическим волноводом 2 с генерацией теплоты во встроенном оптическом волноводе 2. Это создает разрез 27 через открытый встроенный оптический волновод 2. Длина l отделенного, открытого, встроенного оптического волновода 2 предпочтительно такая, что конечная часть 15 встроенного оптического волновода 2 может быть изогнута без перегибов, например, в направлении поверхности 3 компонента из волокнистого композита 1 и может быть выведена из компонента из волокнистого композита 1. Длину l предпочтительно вычисляют так, чтобы концевая часть 15 могла быть выведена из компонента из волокнистого композита 1 по меньшей мере частями над поверхностью 3. В частности, путь и форма открытого, отделенного, встроенного оптического волновода 2 после вывода из компонента из волокнистого композита 1 приблизительно соответствуют т.н. гармоническому пути S. Другими словами, путь встроенного оптического волновода 2 после вывода из волокнистого композита 1 предпочтительно соответствует пути функции гауссовой ошибки. Встроенный оптический волновод 2, который был выведен, показан пунктирными линиями на Фиг.7. Торцевая поверхность 14 концевой части 15 встроенного оптического волновода 2 затем может быть далее обработана, например, путем полировки или химической обработки. Качество торцевой поверхности 14 после этапа отделения предпочтительно такое, что дальнейшая тонкая обработка не нужна. Расширение выемки 25 в компоненте из волокнистого композита 1 предпочтительно выполняют так, чтобы концевая часть 15 встроенного оптического волновода 2 можно было удобно вывести из или изогнуть над поверхностью 3, чтобы соединить ее с внешним оптическим волноводом 11.

На этапе S6 концевую часть 15 отделенного встроенного оптического волновода 2 и концевую часть 16 внешнего оптического волновода 11 выравнивают относительно друг друга. Этап S6 может включать операцию изгибания и вывода по меньшей мере частей концевой части 15 из компонента из волокнистого композита 1. В этом отношении концевые части 15, 16 предпочтительно выравнивают относительно друг друга так, чтобы центральная ось 13 концевой части 15 встроенного оптического волновода 2 и центральная ось 17 концевой части 16 внешнего оптического волновода были расположены коллинеарно друг другу, и чтобы торцевая поверхность 14 концевой части 15 встроенного оптического волновода 2 предпочтительно находилась в контакте с торцевой поверхностью 18 концевой части 16 внешнего оптического волновода 11. Когда концевая часть 15 отделенного встроенного оптического волновода 2 и концевая часть 16 внешнего оптического волновода 11 выровнены относительно друг друга, пучок света 28 подают в один из двух оптических волноводов 2, 11. Пучок света 28 по меньшей мере частично отражается, согласно Фиг.8, на поверхности раздела 19, сформированной торцевыми поверхностями 14, 18 концевых частей 15, 16. Когда существует оптимальное выравнивание концевых частей 15, 16 оптических волноводов 2, 11, минимальное отражение пучка света 28 имеет место на поверхности раздела 19. Таким образом можно проверить оптимальное выравнивание концевых частей 15, 16 относительно друг друга. Концевые части 15, 16 оптических волноводов 2, 11 выравнивают относительно друг друга, в частности, инструментом для выравнивания 20, который показан, для примера, на Фиг.9 и выполнен, например, в форме субстрата 21 с V-образной канавкой 22. V-образная канавка 22 инструмента для выравнивания выполнена для приема, по меньшей мере частями, концевых частей 15, 16 оптических волноводов 2, 11. Таким образом, обеспечивается оптимальное выравнивание концевых частей 15, 16 оптических волноводов 2, 11 относительно друг друга.

На этапе S7 взаимно выровненные концевые части 15, 16 оптических волноводов 2, 11 сращивают вместе. Взаимно выровненные концевые части 15, 16 оптических волноводов 2, 11 предпочтительно сращивают способом сплавления. Этим способом сплавляют концевые части 15, 16.

В альтернативном варианте осуществления способа встроенный оптический волновод 2 может быть отделен до его вскрытия по меньшей мере частями. Для этой цели встроенный волновод 2 предпочтительно вплетают в волокнистую ткань 9. После отделения встроенный оптический волновод 2 вскрыт из-за взаимодействия с волокнами волокнистой ткани 9, которые окружают встроенный оптический волновод 2 и сплетены с ним, причем оптический волновод 2 будет выступать из компонента из волокнистого композита 1 под каким-то специфическим углом. Это позволяет осуществлять простое выравнивание и сращивание оптических волноводов 2, 11.

Посредством вышеописанного способа можно соединять в любых узловых положениям внешний оптический волновод 11 с оптическим волноводом 2, встроенным в компонент из волокнистого композита 1. Из-за того, что, например, в компоненте из волокнистого композита 1 предусмотрено большое количество встроенных оптических волноводов 2, можно реализовать интегрированную сеть оптических волноводов, которое может быть в любое время расширена и может быть адаптирована к определенным требованиям.

Перечень ссылочных номеров

1. Компонент из волокнистого композита

2. Оптический волновод

3. Поверхность

4. Матричный слой

5. Слой ламината

6. Слой ламината

7. Слой ламината

8. Слой ламината

9. Волокнистая ткань

10. Структура

11. Внешний оптический волновод

12. Оптический соединитель

13. Центральная ось

14. Торцевая поверхность

15. Концевая часть

16. Концевая часть

17. Центральная ось

18. Торцевая поверхность

19. Поверхность раздела

20. Инструмент для выравнивания

21. Субстрат

22. V-образная канавка

23. Гнездо

24. Вставка

25. Выемка

26. Периметр

27. Вырез

28. Пучок света

l Длина

Р Узловое положение

Реферат

Настоящее изобретение предлагает способ соединения оптического волновода (2), встроенного в компонент из волокнистого композита (1), в частности воздушного судна и космического ЛА, с внешним оптическим волноводом (11). Согласно способу, в зависимости от глубины встроенного оптического волновода, его путь в компоненте из волокнистого композита определяют неразрушающим способом, в частности оптическим способом, способом цифровой ширографии, ультразвуковым способом, рентгеновским способом, интерферометрическим способом. Затем определяют узловое положение (Р), в котором должны быть соединены волноводы и вскрывают часть встроенного оптического волновода (2) в узловом положении (Р) путем удаления части компонента из волокнистого композита (1) вокруг встроенного оптического волновода (2). Затем волноводы выравнивают относительно друг друга и сращивают взаимно выровненные концевые части (15, 16) оптических волноводов (2, 11). Технический результат - обеспечение надежного соединения за счет воспроизводимого и постоянно качественного отделения точки встроенного оптического волновода. 11 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула