Table of Contents
Understanding the Environmental Threat Landscape
وقبل أن يتمكن المهندس من تصميم مضخة للطاقة تصمد في ظروف متطرفة، من الأهمية بمكان أن يميز البيئة التي سيواجهها بالضبط، والفرق بين وحدة تفشل بعد دورة حرارية واحدة وواحدة تعمل لمدة عقد من الزمن يكمن في مدى فهم التهديدات البيئية فهما دقيقا في البداية، وبالنسبة للتطبيقات في الفضاء الجوي، والدفاع، والتشغيل الصناعي، والاتصالات الخارجية، يجب أن يتنافس المزيِّد مع مزيج من الأداء المكثف.
المرحلة القصوى
وتولد مضخات الطاقة حرارة كبيرة داخلياً، ولكن عندما تتراوح درجات الحرارة الخارجية المحيطة بين - ٥٥ درجة مئوية و٥٢١ درجة مئوية أو أكثر، يصبح العبء الحراري حاداً، وتخفض درجات الحرارة المرتفعة من درجة الحرارة العالية في المحيط الهامش بين درجة حرارة الأجهزة العاملة والحدود القصوى لمعدلاتها، وتتسارع في ميكانيكية الكهرباء وغيرها من آليات الفشل، وعلى العكس من ذلك، يمكن أن تسبب الإحراق الشديد للمواد والضغوط في فترات التجمد المشتركة.
الإجهاد الميكانيكي: اليقظة والصدم
وتخضع أجهزة امتصاص الطاقة التي تُقام على محركات الطائرات أو مركبات الأراضي أو منظومات القذائف لاهتزازات مستمرة واسعة النطاق وصدمات عالية جداً من حين لآخر، ويمكن أن تُخفف من سرعة الارتداد، أو تُحدث آثاراً على مكونات الكول، وتتسبب في اتصال متقطع بين أجهزة الاتصال، ويمكن أن تؤدي أحداث التسوق، مثل إعادة تشفير إطلاق النار أو تصميمات ذات تردد قوي، إلى تفكك الكم أو إلى فهم ملحقات الداخلية.
الهضم والحركة
ويشترك في المنافذ البحرية والاستوائية والخارجية ارتفاع الرطوبة النسبية، والتكثيف، والتعرض المباشر للمياه، ويقلل الناموس من مقاومة العزل السطحي، ويعزز الهجرة المعدنية )وبخاصة على الآثار المتحيزة(، ويمكن أن يتآكل النحاس أو الألمنيوم، ويتسبب ارتباط الخلايا في الموصلات والارتباط الجاف بين المعادن المنتشرة)٧(.
الغبار، الملح، والغلاف الجوي المراسل
إن الجسيمات الجميلة - الغبار، رماد الذباب، أو محركات التبريد بواسطة الرش المالح، والمعاطف الواقية من الرش، وتشكل مسارات سلوكية على لوحات الدوائر، وضباب الملح، المشترك في البيئات الساحلية والخارجية، والهجمات الشديدة التعرض للسطح المعدني، وفي البيئات الصناعية، فإن الاختبارات الكيميائية )مثل مركبي الملح المشبع بالفلور(
استراتيجيات التصميم للروبوت
وبمجرد تصنيف التهديدات البيئية، يقوم المهندسون باختيار ودمج استراتيجيات التصميم التي تعالج كل ضغط دون التضحية بالأداء الكهربائي للمضخم، والنهج التالية ليست حصرية على نحو متبادل؛ وعادة ما يدمج تصميم قوي العديد منها.
الإدارة الحرارية للمواقف القصوى
فالإدارة الحرارية الفعالة هي حجر الزاوية في تصميمات أجهزة التضخم ذات القدرة العالية الموثوقية، والهدف هو إبقاء جميع الموصلات شبه الموصلية دون الحد الأقصى (التي تبلغ في الغالب 150 درجة مئوية للسيليكون، ولكن ينبغي أن تكون أقل من أجهزة الرنة المباعة للقاع في ظروف مائية عالية الجودة، ويجب أن تُوزع مصارف الحرارة بمساحة سطحية كافية وتُحد من التحلل الحراري في بيئة متجانسة
التأشيرات والتخفيف من حدة الصدم
ويتحقق الارتداد الميكانيكي من خلال مجموعة من اختيار العناصر، وتقنيات التكتل، والهبوط الهيكلي، إذ أن جميع العناصر الثقيلة - النقل، والمركبات الكبيرة، والثبات الحراري - يمكن تأمينها آلياً بمستويات الوصل بين الأوكسجين أو المشابه بدلاً من الاعتماد على المفاصل المباع فقط.
المواسير، والتعبئة، والتجميعات الموحّدة
أما حماية الدائرة الداخلية من الرطوبة والملوثات فتتم عن طريق ثلاث طرق متداخلة: الختم بالختم، والقطع (العمل) والغطاء المطابق، وتُعدّل أجهزة التخدير العاملة تحت سطح الماء، وتُستخدم في الحرق في شكل مواد متراكمة، وتُستخدم في الحرق في شكل مركب مائي متراكم.
اختيار المواد لأغراض المقاومة
ويجب تقييم كل مادة في بناء المضخم من أجل التوافق مع البيئة، وينبغي أن تكون الاكتشافات والأجهزة من الصلب غير القابل للصدأ أو الألومنيوم المزروعة أو الصلب المكسور.
إعادة البناء والآلة في مجال بناء القدرات
أما بالنسبة للتطبيقات التي تنطوي على أهمية بالغة، فلا يمكن التغاضي عن حالات الفشل في نقاط واحدة، إذ يمكن أن تتضمن مضخمات الطاقة زيادة في مستويات عدة: المراحل الموازية للترجمة التي تتقاسم الحمولة (مع تراجع القدرة على الإنتاج للحفاظ على التواؤم)، أو نقص في إمدادات الطاقة، أو تقلص حجم أجهزة التحكم، وفي شكل متوازن، يؤدي عدم وجود جهاز واحد إلى خفض قدرة الإنتاج بحجم ضعيف فقط بدلا من أن يتسبب في فقدان كامل.
العنصر اختيار البيئات المترابطة
ويتوقف مدى قوة مضخم الطاقة في نهاية المطاف على موثوقية مكوناته الفردية، وقد لا تكفي الأجزاء التجارية غير المائلة؛ ويجب على المهندسين اختيار أجهزة تُقيَّم لمدى درجات الحرارة الممتدة (التي كثيرا ما يُخصّصها برتب " م - 1 " أو " - 55 " )، ومع وجود تسامح مثبت في الاهتزاز.
مترجمو الطاقة ومترجمو الحركة
ويزداد تفضيل مترجمي الأشعة فوق البنفسجية على الأشعة المميتة التقليدية للطول العالي والارتفاع في تطبيقات الإجهاد بسبب كبر حجمها والحدود العالية لدرجات الحرارة (250 درجة مئوية للسي سيك، و 225 درجة مئوية للغاز النباتي) غير أن المقياس الداعم (محركات الغليان، وشبكات التحيز) يجب أن يكون قادراً على ذلك.
المكثفات والموجهات
وتُفضَّل أجهزة الاستنشاق بالأشعة السينية ذات المقياس التراكمي/المقياس النمطي لجهاز التقلبات التحللية بسبب معامل درجات الحرارة المستقرة والشيخوخة المنخفضة، وبالنسبة للتطبيقات ذات التأثير العالي، فإن أجهزة التصفيف الدماغي المتعددة الطوابق ذات المقياس التراكمي (MLCCs) مقبولة، إلا إذا كانت هذه المركبات تحمل علامة قياسية على درجة الحرارة القصوى 150 في بيئة مسببة للثبات ودرجة الحرارة.
مواد مجلس الدائرة المطبوعة
وتعاني عمليات الترميز ذات الترددات المتوسطة من درجة حرارة الانتقال من الزجاج (الثانية) حوالي 130 إلى 140 درجة مئوية، وتخفف أو تزيل عند درجات حرارة عالية، وبالنسبة لمضخات الطاقة في ظروف قاسية، فإن ارتفاع مستوى الحرارة 4 (الثانية 170 درجة مئوية)، أو البوليميد، أو المركب المزود بالرموز المشبع بالفلور (PTFE) يُعدُّ بشكل ثابت قدره 200 درجة مئوية.
الموصلات والوصلات
ويجب اختيار موصلات لمحطة تبادل المعلومات (SMA، نموذج NAN-NC) مع الختم البيئي، فالربط بين أجهزة الإرسال والكابلات ذات الصلبة الذهبية أو أجهزة الفولاذ اللاصقة توفر أفضل مقاومة للتآكل والاهتزاز، أما بالنسبة للأجهزة اللاسلكية المتعددة الأطنان والإشارة، فإن أجهزة الربط المتحركة العسكرية (مثلاً، جهاز التصاميم ML-DTL-3-8999 أو ML-DT
بروتوكولات الاختبار والتقييم
ولا يمكن اعتبار أي تصميم قوي حتى يخضع لنظام اختبار ينسخ أو يتجاوز بيئة الخدمات المتوقعة، ويجرى الاختبار عادة على النماذج الأولية وعلى وحدات الإنتاج الجسيمات الأولى، مع إجراء اختبارات دورية على عينات الإنتاج لضمان اتساق العمليات.
الرش الحراري والأحذية الحرارية
وتكشف اختبارات التدوير الحراري عن المضخم لتكرار التمزقات بين درجات الحرارة القصوى في أوقات سكنية محددة )مثلا ٠١ دورات من - ٥٥ درجة مئوية إلى ٥٢ر١ درجة مئوية مع وجود مساكن طولها ٠٣ دقيقة( وقد تستخدم غرف الصدمات الحرارية منطقتين منفصلتين )واحدة ساخنة، باردة( مع نقل سريع )أقل من ٠١ ثوان( للتعجيل بالإجهاد على المواد والمشتركات.
اختبارات اليقظة والصدمات
(ب) لا يجوز أن يُستخدم في اختبارات الاهتزاز عشوائياً أو غير عشوائي عبر نطاق التردد (5 هز إلى 2000 هز) على مستويات تمثل المنبر الفعلي (مثل 0.1 ميكروغرام/هرتز بالنسبة للطائرات النفاثة، حتى 10 غرامات من طراز RMS بالنسبة للمركبات الأرضية) ويجب أن يظل المضخم يعمل بكامل طاقته طوال فترة الاختبار، ولا يسمح باختبارات نصف وزن الجسم.
Humidity, Salt Fog, and Ingress Protection
(أ) أن اختبارات التعرض للهجوم (مثلاً، ميغاهيكل/إكس تي-810، و507) تضع المضخم في غرفة ب95٪ من الرطوبة النسبية على درجة حرارة دوجية (20 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية) لمدة 10 أيام، وبعد التعرض، فإن مقاومة العزل والاختبارات الوظيفية لا تؤكد التسرب أو التآكل المتصلين بالرطوبة.
اختبار الحياة المعجلة وإثبات الموثوقية
وفيما عدا اختبارات التأهيل، كثيرا ما تجري شركات التصنيع اختبارات حياة معجلة باستخدام درجة حرارة أعلى من غير طبيعية، أو فولتاج، أو يقظة لحفز الفشل في فترة قصيرة، ويطبق نموذج أرهينيوس عادة على اختبارات درجة الحرارة - المُتعَلَّم: زيادة درجة الحرارة العالية 10 مئوية في درجة الحرارة المتراوحة بين النصف، مع وجود متوسط زمني للفشل بالنسبة للعديد من آليات شبه الموصلات(22).
خاتمة
إن تطوير مضخمات الطاقة التي تنجو وتؤدّي في بيئات قاسية يتطلب نهجاً منهجياً يبدأ بفهم عميق للأخطار البيئية الشديدة، والإجهاد الميكانيكي، والرطوبة، والملوثات، ويستمر من خلال كل خطوة من مراحل التصميم، والاختيار المكوّن، والتثبت الدقيق، ولا توجد ضمانات خادعة واحدة، وتدمج أبسط الاستراتيجيات الحمائية: تحسين إدارة الإجهاد الحراري، والتصميم الميكانيكي.