בהנדסת אוויר, חיישנים הם מערכת העצבים של כל מטוס וחללית, המספקים נתונים בזמן אמת על ניווט, הנעה, בריאות מבנית ותנאים סביבתיים. רכיבים אלה עומדים בפני אחד האתגרים התפעוליים המענישים ביותר: תנודות טמפרטורה קיצונית ומהירה.מחום השחייה של הכניסה לקור הבעוט של חלל עמוק, חיישנים חייבים לשמור על דיוק ואמינות שלהם.

מאמר זה חוקר את השיטות, האתגרים והחדשנות שמאחורי הבטחת חיישני אוויר יכול לעמוד בקיצוניות הטמפרטורה שהם נתקלים בהם.We לבחון פרוטוקולים של בדיקות בתעשייה, התקדמות חומרית, ואת העתיד של חוסן בסביבה התובענית ביותר.

התפקיד הקריטי של חיישנים אוויריים בסביבה קיצונית

חיישני אוויר מפוזרים על פני מגוון רחב של מערכות.במטוסים, הם עוקבים אחר טמפרטורות מנוע, לחץ תא, רמות דלק, ומשטחי בקרת טיסה.Spacecraft עוקבים אחר קרינה סולארית, ביצועים דחף ושלמות מערכת הגנה תרמית.

טמפרטורה קיצונית בטיסה ובמרחב

במהלך טיסה טיפוסית של מטוסים, טמפרטורת הסביבה יכולה להשתנות מ +55 ° C על tarmac במזרח התיכון -55 מעלות צלזיוס בגובה cruising. אבל חיישנים מטוסים גם נתקלו בהלם תרמי מירידה פתאומית, מנוע חוזר, או de-160 מחזורים. בחלל, תנודות הטמפרטורה הן הרבה יותר חמורות. לוויינים בטווחי מסלול נמוך מכדור הארץ, מ -120 מעלות צלזיוס, ל- 120 מעלות צלזיוס, בתנאי אור השמש העמוקים, יש לשרוד.

כישלונות של חיישנים

אם חיישן נסחף, מאבד את החידה, או נכשל בטמפרטורות קיצוניות, התוצאות יכולות להיות קטסטרופליות. חיישן טמפרטורה פגומה במנוע סילון עשוי להוביל למטר דלק לא נכון, מה שגורם להבה או להתחמם יתר על המידה. חיישן לחץ כושל במערכת בקרת תגובה חללית יכול לגרום לאובדן של שליטה.אפילו שגיאה מדידה קטנה יכולה לחלחל לכשל המשימה.

שיטות בדיקה עבור עמידות

כדי לאמת את ביצועי החיישן תחת לחץ טמפרטורה, מהנדסים משתמשים סוללה של בדיקות מבוקרות המדמים קיצוניות בעולם האמיתי.מבחנים אלה נופלים לקטגוריות רבות, כל אחד מהם נועד לחשוף חולשות ספציפיות.

בית מלון Vacuum Chambers

תא ואקום (TVAC) משלב טמפרטורה קיצונית עם ואקום כדי לשכפל את תנאי החלל.חיישנים רכובים על לוחיות מבוקרות טמפרטורה (בדרך כלל שחור אלומיניום anodized אלומיניום) ומעגל דרך קיצוניות חם וקור, בעוד התא מפונה ללחץ נמוך כמו 10reaFLT: 0-6FLT 1 לבדיקות טלוויזיה קרות, אך גם מפלסיביות, כולל מספר מחזורי שטח חמים של 2.

בדיקות Cryogenic

עבור חיישנים המיועדים לחלל עמוק או מכשירים מדעיים מסוימים, בדיקות Cryogenic חיוני.נוזל חנקן (77 K) או נוזל helium (4.2 K) אמבטיות מגניבים קרוב לאפס מוחלט. Cryostats מצויד חלונות אופטיים מאפשרים לייזר או סיווג חשמלי במהלך קירור.בדיקות בטמפרטורות Cryogenic מראה בעיות כגון מוליכים למחצה קפואים-out (ריבוי), התכווצות תרמיות בין אלמנטים ו-סטרדבנים, לעתים קרובות סיליקון יעיל יותר מאשר סיליקון סיליקון יעיל יותר.

« פריחה גבוהה Ovens

יישומים חיישן עתירי זמן גבוהים נפוצים במיאורים מנועים, ממצה שלטים, לוחות הגנה תרמיים.חיישנים צריכים לפעול מעל +300 מעלות צלזיוס ולפעמים מעל +1000 ° C (למשל, במנועי טורבינות) משתמשים בורות צינוריות מסנן או פראנסים מטבוליים עם שיעורי חימום מבוקרים.

אופניים מהירים

כנראה המבחן התובעני ביותר עבור חיישני אווירופייס הוא אופניים תרמיים מהירים (RTC) זה מדמה את זמני הטמפרטורה המהיר מנוסים במהלך ריכוז סופר-סטוני, פיגור, או הלם תרמי מסטארט-אפ של מנוע רקטות, שערי אופניים יכולים לעלות על 20 מעלות צלזיוס לשנייה - הרבה מעבר למה שתאים TVAC יכולים להשיג.

בדיקה סביבתית משולבת

סביבות חלל אמיתיות לעתים רחוקות מתח חיישנים עם טמפרטורה לבד.מבחנים משולבים להציג רטט, לחות, גובה והתערבות אלקטרומגנטית בו זמנית.לדוגמה, חיישן עשוי להיות נתון רטט אקראי (20-2000 הרץ) תוך כדי נסיעה באופניים תרמיים בוואקום. בדיקות סינרגיות אלה חושפת מצבי כישלונות כי בדיקות תרמיות טהורות יכולות להחמיץ, כגון חלקיקים רופפת לגרום מעגלים קצרים במהלך רטט רק בטמפרטורות ספציפיות.

אתגרים מרכזיים בעיצוב טמפרטורות-Resilient Sensors

עיצוב חיישן שמחזיק דיוק על פני מאות מעלות של תנודת טמפרטורה כרוך עלייה במספר מכשולים פיזיים והנדסה.

ההתרחבות המסוכנת

חומרים שונים להרחיב ולחוזה בשיעורים שונים.ב חיישן לחץ, דיאגרמת סיליקון המחוברת לכוס או תת-קרקעית קרמיקה תנסה במתח כמו שינויים בטמפרטורה. זן זה יכול לזרז את הקריאה בלחץ (סחף אפסי המושרה בזמן) מהנדסים להפחית את זה על ידי שימוש בחומרים עם התאמות של התרחבות תרמית (CTE) או על ידי הצגת מבנים כגון טמפרטורה תלויה נגד אותם טכניקות מתות או לחץ פעיל.

גבולות אלקטרוניקה

מעגלים משולבים ו- 40 ° C. חיישניים יש טווחי טמפרטורה מוגדרים. חיישנים מסחריים סטנדרטיים מדורגים בדרך כלל רק ל +105 ° C ו -40 ° C. חיישניים אוויר דורשים צבא או "Hi-Rel" (גמישות גבוהה) רכיבים מדורגים ל +125 ° C או +150 ° C ו -55 ° C. לטמפרטורות גבוהות יותר, סיליקון-on-inulator (SOI), סיליקון, סיליקון סיליקון (Side) הם לעתים קרובות פעיל, או מנוע מתכת פעיל, יש צורך קירור פעיל, או קירור פעיל, או מנוע מתכתי) או מגנטי פעיל, כולל קירור פעיל, כולל קירור, כולל קירור מגנטי פעיל.

קלברציה Drift and Hysteresis

רכיבה על טמפרטורה חוזרת יכולה לגרום לשינויים קבועים בפלט חיישן.זה מתבטא כמו סחף קלורציה - שינוי הדרגתי בקריאה הבסיסית של חיישן. Hysteresis מתרחשת כאשר הפלט של החיישן בטמפרטורה נתונה תלוי אם הוא מגיע ממדינה חמה או מצב קר.אפקטים אלה נגרמים על ידי שינויים מיקרו-מבנה בחומר החישה, כגון גידול או שלב משתנה, מסייע בדיקה תקופתית (למשל, או תיקון מחזורי) באמצעות מחזורי ראייה (reperi) או ניתוח מחדש של מחזורים).

הלם חצץ

כאשר שינויים בטמפרטורה הם מהירים מאוד, ⁇ תרמי בתוך החיישן יכול לגרום סדקים מתח.חבילות קרמיקה תותב או חותמות זכוכית-למטר הם בעיקר פרון.כדי למנוע זאת, חיישנים מעוצבים עם קטעים דקים, שכבות מקבילות (כגון כריות elastomeric), וטיפולי חום זהירים להקל על מתחים שומניים.

חומרים וטכנולוגיות הגנה

ההתקדמות במדעי החומרים היא עמוד השדרה של חיישני אווירוקליים גמישים.מהנדסים מחפשים כל הזמן חומרים שיכולים לשרוד הן בטמפרטורות גבוהות והן נמוכות תוך שמירה על תכונות חשמליות ומכניות.

סיליקון קרבייד וגאליום נילייד

עבור יישומים עתירי זמן גבוהים מעבר 300 מעלות צלזיוס, סיליקון carbide (SiC) ו גרדיום nitride (GaN) חיישנים הופכים סטנדרטיים. SiC לחץ פועל עד 600 ° C ומשמשים בדחיסות מנוע סילון. חיישנים טמפרטורת GaN יכולים לתפקד ב 800 מעלות צלזיוס ומעל.חומרים רחב אלה גם לסבול רמות קרינה גבוהות יותר.

יהלומים כמו Carbon Coatings

ציפויי DLC מוחלים על חלונות חיישן, עדשות, משטחים חשופים כדי להגן מפני הלם תרמי, לחות, ושחיקה חמצן אטומית.הם גם להפחית חיכוך בחלקים נעים של MEMS. DLC מופקד על ידי פיזור כימי (CVD) ויכולים לעמוד ברכיבה תרמית קיצונית ללא קלף. ציפויים הגנה אחרים כוללים oxide אלומיניום (alumina) וסיליקון פולימרני (NC) פחמן פחמן (NC)).

חבילות מתקדמות ו- Substrates

האריזה של חיישן היא קריטית כמו האלמנט החישה עצמו.חבילות Ceramic (alumina, אלומיניום nitride) מועדות עבור יישומים עתירי זמן גבוהים בשל ה- CTE הנמוך שלהם ו מוליכות תרמית גבוהה. Glass-ceramic ונמוך טמפרטורה co-tempture co-fires קרמיקה (LTCC) מאפשרות שילוב של חיישנים מרובים ומכשירי אותות אלקטרוניים לשימוש , נועדו להקפיא את החמצמיכות נמוכה כדי למנוע קרמיקה.

המונחים: חיישנים

מערכות מיקרואלקטרוניקה (MEMS) חיישנים - מאיצים, גירוסקופים, חיישנים לחץ - הם בכל מקום בתוך חלל. המבנים הקטנים שלהם פגיעים באופן טבעי ללחץ תרמי.החידושים כמו סיליקון על-ידי אינסטלטור (SOI) ויפרים, אשר יש שכבת תחמוצת קבורה כדי לבודד את החיישן מטמפרטורה תת-סטרופה, להפחית את הרגישות כמו סיליקון-על-על-ידי שימוש באופן אוטומטי בחיישנים "מסוגלידי" כדי לדלקת-ידי" (MS-ידי" (cotchic) כדי לטמפרטורה חיישנים חיישנים חיישנים ,"מסוגלכאורה ניתן לשחזר את עצמה חיישנים חיישנים חיישנים חיישנים ," ,"מתאים חיישנים ," ,"מתאים חיישנים ,"מתאים באופן אוטומטי חיישנים חיישנים ," חיישנים חיישנים ," ," ," ," ," ," חיישנים ," חיישנים ," חיישנים חיישנים ," ," ," ,"מ-ידי ,"מגיבים" חיישנים חיישנים חיישנים חיישנים חיישנים חיישנים חיישנים ," ,"

חימום ובקרת ארסיות Active Thermal control

ביישומים מסוימים, הגישה המעשית ביותר היא לשמור על החיישן בטמפרטורה קבועה באמצעות תנורי חום זעירים.לדוגמה, יחידת מדידה של MEMS על חללית עשויה להיות מחומם ל +20 מעלות צלזיוס אפילו כאשר העור החללית הוא -100 מעלות צלזיוס. זה דורש בידוד תרמי זהיר ( פערי vacuum, ריבוי רב-שכבות, תמיכה בחזקות נמוכה) ובקר חום ייעודי מוסיף כוח תרמי, אך יכול להרחיב את טווח זה יכול באופן דרמטי של חיישנים סטנדרטי, אך ורק אם כי הוא יכול להרחיב את טווח זה יכול להפעיל את רמת תפקודו באופן שונה.

פרוטוקולים ופרוטוקולים של Qualification

חיישנים אוויריים חייבים לעבור בדיקות הסמכה קפדניות המוגדרות על ידי סטנדרטים בינלאומיים.תקנים אלה להבטיח עקביות על פני יצרנים ותוכניות.

  • (FLT:0)RTCA DO-160FLT:1 (תנאים ונוהלי מבחן עבור ציוד אווירי): בשימוש נרחב עבור חיישני מטוסים. סעיף 21 (Temperature and Altitude) מכסה חשיפה טמפרטורה נמוכה וגבוהה, שינויים בלחץ וריאציות טמפרטורה.
  • (FLT:0)MIL-STD-810FLT:1 (שיקולים הנדסיים ובדיקות מעבדה): תקן צבאי אמריקאי הכולל רכיבה על אופניים טמפרטורה, הלם תרמי ושילוב בדיקות רטט.
  • (FLT:0ECSS-Q-ST-70FLT:1) (השיתוף האירופי לתקני חלל): בשימוש על ידי ESA וספקים אירופיים.
  • (FLT:0)נאס"א-STD-7009FLT:1 (הופנה מהדף מודלים וסימונים): בעוד שלא תקן מבחן עצמו, הוא שולט באימות ובאימות של דגמי החיישן המשמשים בניתוח תרמי.
  • (FLT:0) ISO 1675003FLT:1 (רכבי רואד - תנאי סביבה ובדיקות) - לעתים מתייחסים לחיישנים כלי רכב אוויריים ללא פגע.

כל תקן קובע טווחי טמפרטורה ספציפיים, שיעורי רמפה, זמני מגורים, מספר מחזורים, ומרווחי מדידה. חיישן טיפוסי בעל ערך חלל חייב לשרוד 500 עד 1000 מחזורים תרמיים עם סחף מקסימלי של פחות מ 0.1% מהקנה המלא.

חידושים עתידיים ודרכים מחקר

דחיפה לעבר טיסה היפרוזיונית, חקר חלל עמוק, וסביבות מסלול כדור הארץ נמוכות דורשות חיישנים שהם אפילו יותר גמישים. כמה אזורי מחקר מבטיחים מתעוררים.

ייצור תוספת של חיישנים

הדפסה תלת מימדית עם ⁇ ריבונית (Inconel, tungsten) או קרמיקה מאפשרת יצירת דיור חיישן עם הגנה תרמית בנוי, כגון מנוף חום או ערוצים משולבים עבור קירור. ייצור תוספתי גם מאפשר עיצובים רב-חומריים שבו דיור מתכת משולב עם הוספת חיישן.

חומרים מקודמים

ננווטים, חלקיקים, צינורות פחמן nanotube (CNT) מורכב יכול לטמפרטורה הגיונית, מתח, או לחץ עם רגישות גבוהה, אבל הביצועים שלהם תחת אופניים תרמיים קיצוניים עדיין בחקירה. תוצאות מוקדמות להראות כי חיישנים המבוססים על CNT יכולים לשרוד אלפי מחזורים מ -100 מעלות צלזיוס ל +200 מעלות צלזיוס עם סחף מינימלי, מה שהופך אותם מועמדים לחיישנים הדור הבא של חלל.

למידת מכונות עבור חיזוי Drift

במקום רק לשפר את החומרה, מהנדסים משתמשים במודלים של למידת מכונה כדי לחזות לפצות על סחף החיישן הנגרמת על ידי הזדקנות תרמית. במהלך ההסמכה, חיישנים עוברים בדיקות חיים מואצות תוך מיפוי טמפרטורה, מתח, ופלט.רשת עצבית לומדת את תבנית הסחף, והוא מוטבע מאוחר יותר לתוך המיזוג של חיישן ASIC. גישה זו "שיישן וירטואלי" יכולה לתקן עבור היסטריה תרמית ולא לינאריות בזמן אמתי, המאפשרת לענות על דרישות חומרה נמוכות יותר.

חיישן גמיש ומתמשך

חיישנים גמישים חדשים המבוססים על פולימד או נוזלי פולימרים פולימרים יכול להתאים משטחים מעוקלים לעמוד ניגודי התרחבות תרמית ללא סדקים.אלה אטרקטיביים במיוחד עבור חיישני העור על כנפיים מטוסים או משחתות אנטנה חלליות. חיישנים גמישים הם גם קלים יותר ומבטלים קשרים רבים ממכרים.עם זאת, יציבות לטווח ארוך תחת אופניים קיצוניים עדיין מוכחת.

מסקנה

החוסן של חיישני חלל לתנודות טמפרטורה קיצוניות הוא אבן הפינה של טיסות אמינות ופעולות חלל.באמצעות בדיקות זהירות בתאי ואקום תרמיים, קריאות ומערכות רכיבה מהירה, מהנדסים לזהות מצבי כשלון לפני שהם יכולים לגרום לבעיות קריטיות משימה.התקדמות בחומרים - מסיליקון קרבייד לציפוי יהלומים - מאפשר חיישנים לפעול בסביבות שהיו בלתי ניתנות ל-conceivable לפני עשור עם סטנדרטים משולבים של תעשיית סיליקון, כמו סיליקון-160D.

בעוד אנו מיזם עמוק יותר לחלל, נסיעות במהירויות היפרוזיות, ופועלים בחבורים של לווייני ערך גבוהים, הדרישות על חוסן תרמיות יגדלו רק.הדרך קדימה טמונה בבדיקות חכמות יותר, חומרים טובים יותר, והבנה עמוקה יותר של הפיזיקה של לחץ תרמי.עבור מהנדסים ומתכננים המשימה, השקעה בחמידות החיישן היא השקעה במשימה.