Мобильный завод по производству волокна

Мировые войны, кризисы и прочие катаклизмы не очень ощущаются безработным, как я, в Москве(мой привет наимудрейший HR-ам), но есть время подумать. В России существует один завод по производству волоконно-оптических жил — в Саранске (здесь и далее — я основываюсь только на открытой информации). И он уже год не работает(что-то связанное с дроновой атакой). В чем заключается процесс производства оптоволоконной жилы:

• Создается преформа — для этого нужен сложный физико-химический процесс, всех подробностей я не нашел но в целом — через вращающуюся кварцевую трубку пропускают газовые смеси (хлориды кремния, германия и др.). Под действием высокой температуры они вступают в реакцию, и продукты этой реакции осаждаются на стенках трубки в виде мельчайших частиц стекла — сажи. Постепенно слой за слоем наращивается необходимая структура. После завершения осаждения трубка сплавляется в сплошной стеклянный стержень — преформу. Внутри неё уже сформированы будущие сердцевина (с более высоким показателем преломления) и оболочка.

• Затем эта болванка-преформа от нескольких килограммов до нескольких сотен килограммов должна быть расплавлена и из нее вытягивается сама волоконная жила. Для этого строят башни высотой в несколько десятков метров, наверх ставят печку, которая расплавляет преформу при температуре около 2000 градусов Цельсия и из нее вытекает сама жила, которая успевает охладиться за несколько десятков метров(высота башни).

• И потом на нее наносится защитный лак, обрабатывается ультрафиолетом и внизу сматывается на катушку.

Масса расплавляется и превращается в тонкую нить. Как паутина у паука. Только пауку не обязательно сидеть все время на башне. Возникает вопрос — можно ли такого паука создать для производства оптоволокна, чтобы уйти от статических башен. Вот так возникла следующая концепция — мобильный паук.

Представьте платформу с печкой и готовой преформой, которая просто поднимается вверх и из нее, как паутина из паука выползает готовое оптоволокно. Здесь возникает узкий момент — в башне волокно охлаждается десятки метров по мере выхода из печки и только внизу ее обрабатывают лаком и ультрафиолетом. Значит нужно процесс охлаждения сократить до пары метров, что вполне реализуемо. Вот приблизительный расчет того, что потребуется для создания такого минизавода.

Из чего должна состоять платформа по производству волокна.

Предположим, нам нужно произвести 5 км оптоволоконной жилы на поднимающейся платформе(и охлаждать, покрывать лаком и светить ультрафиолетом). Вот приблизительная спецификация технологической платформы «Мобильный паук».

Теперь о том, как нам взлететь и где розетка.

Я бы предложил следующее решение — делается коптер, который поднимает эту платформу(она подвешена к дрону и по кабелю к ней поступает питание) со скоростью около 50 км/час и запитывает платформу. Этакое энергетически-тягловое устройство. Почему это не разместить на платформе? Источник вибраций(двигатель) будет вынесен из зоны технологического процесса. Отсутствие вибраций двигателя в зоне плавления преформы минимизирует микродефекты волокна.

Как мне представляется такой дрон-генератор.

Это дрон с гибридным двигателем, который может поднимать всю конструкцию с нужной скоростью и одновременно вращать генератор для выработки электроэнергии для работы технологической платформы. Естественно он должен быть оборудован качественной системой позиционирования, чтобы не рыскал из стороны в сторону. Исходя из предварительных расчетов аэродинамической схемы и энергетического баланса, мощности роторного двигателя в 100 кВт в связке с окто-конфигурацией винтов достаточно для вертикального подъема комплекса на высоту 5 км со скоростью до 50 км/ч, обеспечивая при этом стабильное удержание аппарата в векторе движения и полное энергоснабжение технологического процесса.

Чем интересен именно дрон-генератор:

• Энергоэффективность: Использование ДВС позволяет нам нести в 10–15 раз больше энергии на борту, чем лучшие современные аккумуляторы той же массы. Почему я взял такие характеристики двигателя — в авиации для БПЛА используется показатель Power-to-Weight. Для роторных систем он составляет примерно 2 кВт/кг(веса самого двигателя).

• Отказоустойчивость: Октокоптерная схема (8 моторов) позволяет продолжать полет и стабилизацию даже при отказе одного или двух электродвигателей.

• Синхронизация: Дрон-генератор получает данные от платформы по обратной связи. Если микрометр на платформе требует увеличить скорость вытяжки, дрон мгновенно увеличивает обороты маршевых моторов.

Вес всего комплекса «Дрон-генератор» + «Платформа»:

• Дрон-генератор: 160.5 кг

• Технологическая платформа: 50.4 кг

• Кабель: 4.0 кг

  Общий взлетный вес (MTOW): 214.9 кг

Можно еще добавить парашют на всякий случай, его вес с пиропатроном будет не более 6 кг. При таком весе и мощности ДВС в 100 кВт, у нас остается «запас плавучести» для компенсации падения плотности воздуха на высоте 5 км и для активного маневрирования при сильном ветре.

Для производства внизу еще потребуется катушка, на которую будет сматываться производимая оптоволоконная жила. Это умное устройство, оно должно быть оснащено прецизионным электроприводом, механизмом раскладки и тензометрическим компенсатором. И желательно, чтобы рядом сидел инженер, наблюдал процесс и вмешивался по мере необходимости.

Заключение.

Это просто концепция, как производить оптоволокно без завода(но преформа все равно должна на заводе изготавливаться). Я произвел приблизительный расчет 5 км оптоволоконной жилы, все равно строительная длина кабеля приблизительно такая, но если взять преформу не 6, а 12 кг — получится 10 км оптоволоконной жилы, а если увеличить мощность ДВС — то можно и десятки километров производить. Еще один вариант — не вертикальное поднятие, а горизонтальный полет, что сложнее, но я думаю технологически и такое возможно — просто готовая жила будет выходить через ролик с переменным углом. А когда-нибудь может получится создать дрон, который вылетает, выпускает паутинку, а затем по ней и управляется, чтобы эфир не засорять.

Глоссарий контрольно-измерительных систем.

• Бортовой компьютер (SBC) — центральный вычислительный модуль платформы. Обеспечивает высокоскоростную обработку данных от датчиков и координирует работу всех подсистем (печи, стабилизации, подачи газа). Выполняет роль моста связи между платформой, дроном-тягачом и наземной станцией.

• Инерциальный измерительный модуль (IMU) — комплекс датчиков (акселерометров и гироскопов), определяющий положение платформы в пространстве. Отслеживает углы наклона (крен и тангаж) с высокой частотой, позволяя системе стабилизации мгновенно парировать внешние воздействия и сохранять строго вертикальную ось вытяжки.

• Лазерный микрометр — прецизионный бесконтактный датчик контроля геометрии. В режиме реального времени измеряет внешний диаметр волокна (125 мкм) с точностью до долей микрона. Данные микрометра являются приоритетными для управления скоростью подъема дрона (система обратной связи: диаметр → скорость).

• Лидар (Lidar) — лазерный дальномер сканирующего типа. Используется для точного измерения дистанции между платформой и дроном-тягачом, а также для контроля вертикального позиционирования всей системы относительно земли. Помогает исключить критическое растяжение или опасное провисание соединительного троса.

• Микро-моторы (Система активной стабилизации) — исполнительные механизмы, состоящие из высокооборотистых электродвигателей и пропеллеров. Расположены по периметру платформы. По командам компьютера создают точечные импульсы тяги для удержания платформы в неподвижном состоянии (эффект «виртуальной опоры») и компенсации маятниковых колебаний.

• RTK-модуль (Real-Time Kinematic) — система спутниковой навигации с использованием наземной базовой станции. Обеспечивает сантиметровую точность позиционирования дрона-тягача. Необходима для удержания строго вертикальной траектории полета, что критически важно для равномерного выхода жилы из печи.

• Тензодатчик лебедки — датчик измерения силы натяжения. Устанавливается на наземном приемном устройстве. Контролирует усилие, с которым жила сматывается на катушку, предотвращая обрыв волокна при резких порывах ветра или рывках платформы.