النظر في تصميم النظام الإلكتروني للتطبيقات الفضائية الجوية

محدودية الصيانة والحياة الموسعة

وبعد نشر العديد من النظم الفضائية الجوية يتعذر إصلاحها، وقد يحتاج الساتل إلى العمل دون تدخل لمدة 15 عاما؛ ويجب أن يُدار نظام مراقبة محرك الطائرات عشرات الآلاف من الساعات بين الإصلاحات، مما يدفع المصممين إلى اعتماد ] مستوى عال من الموثوقية المتأصلة ، والتسامح إزاء الأخطاء، والاضطرابات الذاتية.

اختيار المواد لأغراض الأداء والاستمرارية

ويؤثر اختيار المواد تأثيرا مباشرا على الوزن والقوة والسلوك الحراري ومقاومة التآكل والتكلفة، وتستخدم النظم الكهروميكانيكية في الفضاء الجوي شائبة من المواد المتقدمة، كل منها يناسب أدوارا محددة.

مواد البنية التحتية للوزن الخفيف

أما سبائك الألمنيوم (7075 و2024) فلا تزال شائعة في المساكن والأقواس بسبب ارتفاع نسبة الوزن إلى الوزن والقابلية للتشذيب، وبالنسبة للارتفاع في درجة التشعب أو الكثافة الدنيا، فإن مركبات الكربون - المحررة تستخدم في أغطية غير هيكلية وأطر دعم.

مصممو مواد عالية الجودة وأجهزة الإشعاع

ويجب أن ينجو عزل الأسرار من المناطق الساخنة دون أن يذوب أو يهتز، فالبوليميد (كابتون) هو مقياس لاستقبال الفضاء الجوي، حيث يقدم خدمات مستمرة تصل إلى 260 درجة مئوية ومقاومة إشعاعية ممتازة، وبالنسبة للحرارة الشديدة التي تصادف بالقرب من نولزات الصواريخ، تستخدم أسلاك مرموقة أو كابلات معدنية، في إطار الكترونيات، مثل البوليكرين أو البولي.

اللوزات والمركبات

وتتفاخر أو تتدهور بسرعة في الفراغ، وتشمل مواد التشحيم ذات الكفاءات الفضائية الشحوم البيرفلوروبولية وأجهزة التغليف المغنطيسي (MoS2) التي تستخدم في العجلات، وتتزايد استخدام المدافع المتحركة ذات الدهون المتشابكة مع PTFE، وهي توفر خصائص متفجرة قابلة للاختراق في الهواء الجاف.

استراتيجيات الإدارة الحرارية

والتحكم الحراري أمر حاسم لإبقاء المكونات في نطاق درجات حرارة التشغيل، وتزيد التبريد النشط (الثغرات المفاجئة، والمبردات الحرارية) من الوزن واستهلاك الطاقة، بينما تُفضَّل الطرق السلبية حيثما أمكن.

السلوكيات وارتفاع الحرارة

Thermally conductive adhesive and gap fillers transfer heat from hot components to chassis walls or cold plates. Copper laminates] combine high thermal pipe conductivity with a matching coefficient of thermal expansion to ceramic substrates. Heat pipes-both standard and gap-efficiently transport

الترميز الإشعاعي والثباتي

وفي الفضاء، يعتمد رفض الحرارة كليا على الإشعاع، إذ تؤدي المعاطف العالية - مثل التضخيم الأسود أو الأيروغلازي Z306 - إلى زيادة الكفاءة الإشعاعية، ويمكن لنظم الطائرات أن تستخدم الإكراه من الهواء الهاشم أو الهواء النزيف، رغم أن هذه تضيف خسائر في جرّ أو محركاتها، وقد تستخدم الطائرات الكهربائية الحديثة محركات مجهزة بالسيولة وأجهزة تنحرفية ذات قنوات خارجية مضخة.

مواد تشانغ المرحلة

وبالنسبة للمرور الحراري القصير الأجل (مثلاً أثناء مرحلة تعزيز أو حدث ذروة في الطاقة)، فإن مواد التغيير التدريجي تستوعب كميات كبيرة من الحرارة دون ارتفاع في درجة الحرارة، وتُغطى شمعات البارافين أو هيدرات الملح في البطاريات الحرارية التي ترتفع درجة الحرارة، مما يسمح بمشعات أصغر أو بواليع حرارية.

التأشيرات والتخفيف من حدة الصدم

ويجب أن تنجو النظم الكهربائية الميكانيكية من إطلاقها ومناوراتها وهبوطها، وشن هجمات تعرضها لصدمة شديدة وهز شديد، وينطوي تصميمها على البقاء على السجاد والعزلة الهيكليين على حد سواء.

الحشد الآلي و التضليل

وينبغي أن تكون البقايا والمساكن متكتلة بما يكفي لتجنب حدوث صدمات قرب ترددات التهوية، كما أن الصبغات الألومنيوم أو التيتانيوم التي تحتوي على أضلاع سميكة شائعة. Elastomeric isolators] التي توضع في نقاط التكديس يمكن أن تُبطل الإلكترات الحساسية من التصورات العالية التردد.

Connector and Wiring Protection

ويجب أن يكون الموصلون مقفلين (مثلاً، بواسطة أجهزة لاسلكية أو آليات لغلق ذاتي) لمنع قطع الوصلات، وينبغي أن تُسلَّم أو تُغلق كل بوصات لتجنب التكسير، ولا تقبل سوى الموصلات المؤهلة والمربعة للطيران.

اختبارات الأحذية والتحكّم

ويستخدم اختبار البيروشوك رسوما متفجرة أو أجهزة ميكانيكية لتحفيز الأحداث، ويتوقع تحليلات النواة وجود أنماط مسببة للارتباك وتركيزات الإجهاد، وكثيرا ما تختبر المكونات بحيث تتجاوز المستويات المتوقعة بالهامش (تتمثل في 6 دباء في اليقظة و 3 د.ب في الصدمة) لضمان القوة.

التغاضي عن الغير والتسامح

ونظراً لأن الإصلاحات نادراً ما تكون ممكنة، فإن النظم الكهروميكانيكية في الفضاء الجوي تعتمد على الإلغاء ] لتحقيق درجة عالية من الموثوقية.

مستويات إعادة التوحيد في إطار برامجيات البرمجيات

وكثيرا ما تكون النظم الفائقة الأهمية مثل محركات مراقبة الطيران ذات أربعة قنوات، لكل منها إمدادها بالطاقة، ومراقبها، ومحركها، ويسمح منطق التصويت )مثل ٢-٤( باستمرار التشغيل حتى مع وجود إخفاقات متعددة، وبالنسبة للنظم الأقل أهمية، قد يكفي التكرار المزدوج أو الثلاثي.

إعادة التفرغ التحليلية

وفي الحالات التي تكون فيها ازدواجية المعدات ثقيلة أو باهظة التكلفة، يستخدم التكرار التحليلي نماذج رياضية لتقدير الإشارة والفحص المتداخل مع قراءة أجهزة الاستشعار، مثلا، يمكن أن يستمد زاوية الطائرة من البيانات غير الداخلية وسرعة الهواء، ويوفر دعما في حالة فشل جهاز الاستشعار المباشر، وهذا النهج شائع في نظم مراقبة الطيران التي يجب أن تحافظ على السلطة بعد حدوث إخفاقات متعددة في أجهزة الاستشعار.

التحلل والثقة

وعلى هذا الأساس، ينبغي للنظام أن يعيد تشكيله للحفاظ على أهم المهام، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يعود إلى نظام " غيمبال " ذي هوائي ساتلي واحد إذا فشل أحد المحركين، وتُصمم قوانين الرقابة بهيكل متغير لاستيعاب سلطة الإصدار المخفضة مع الحفاظ على الاستقرار.

كفاءة الطاقة والتكامل الحراري

وتتوفر لدى منابر الفضاء الجوي طاقة محدودة، لا سيما في الفضاء الذي توفر فيه صفائف الطاقة الشمسية أو البطاريات الطاقة، ويؤدي ارتفاع الكفاءة إلى الحد من حرارة النفايات، واحتياجات التبريد، والكتلة.

المحركات والمنشطات ذات الكفاءة العالية

أما محركات البلدان النامية التي لا تُستهزأ بعجلات نادرة (الكوبالت أو النيوديوم - البرون) فتحقق كفاءة تفوق 90 في المائة في الطائرات الكهربائية وعجلات تفاعل السواتل. Direct —-drive actuators] تزيل خسائر أجهزة التروس، وإن كان يجب أن تكون أكبر لإنتاج قاذفات عالية الحرارة.

تحويل السلطة وتوزيعها

ويستبدل جهاز الاتصال بشبكة واسعة النطاق (SiC, GaN) بأجهزة التحكم بالسيليكون IGBTs لأنها تتحول بسرعة، وتتصرف بخسائر أقل، وتعمل بدرجة أعلى من درجات الحرارة، مما يقلل حجم البواليع الحرارية ويحسن الكفاءة العامة، ويستخدم توزيع الطاقة في الطائرات بصورة متزايدة 270 Vdc أو 540 Vdc لخفض وزن الكابلات، مع تحويلات ذات الحجم المنخفض إلى أسفل.

بــاء - تخطي المــواد وخزن الطاقة

فالعديد من المهام الكهروميكانيكية واجبة التقلب، فعلى سبيل المثال، لا يعمل مصباح معدات الهبوط إلا خلال جزء من الرحلة، ويمكن للنظم أن تدخل حالة " سليب " منخفضة الطاقة عندما تستيقظ تحت القيادة، ويمكن للضغط المتجدد في محركات كهربائية أن يعيد تعبئة الطاقة أثناء التباطؤ ويخزنها في مكثفات أو بطاريات للاستخدام في وقت لاحق.

المراقبة والاستشعار والاندماج

وتشكل النظم الكهربائية الميكانيكية جزءا من شبكة أكبر للمركبات؛ ويجب أن تتصل بحواسيب الطيران، وأن تتلقى الأوامر، وأن تبلغ عن الوضع، وتعالج الخوارزميات الخاضعة للمراقبة أوجه عدم التقادم، وعدم التيقن، والارتباط الدينامي.

اختيار أجهزة الاستشعار والمعايرة

ويُقدّم المصممون أو أجهزة استشعار التأثيرات الهالوية عادة تعليقات على الموقف من أجل القوة أو مناظير البصريات التي تتطلب قدراً أكبر من الدقة، وفي الفضاء، يفضل المصممون لأنهم غير متأثرين بالإشعاع والتراب، ويجب أن يُعيّن الاستشعار عن بعد على درجات الحرارة والتعرّض للإشعاع، وكثيراً ما يكون ذلك مع جداول مراقبة التصحيحات على متن السفن، وتسمح أجهزة الاستشعار الأغلبية (الطيف) برفض.

Control Laws for Harsh Environments