הגבול הבא בשליטה בטיסה: Piezoelectric Aileron Actuators

המרדף אחר ביצועים גדולים יותר, בטיחות ויעילות בהנדסת אווירי מניע חדשנות מתמשכת במערכות בקרת טיסה.בין ההתקדמות המבטיחה ביותר הוא יישום חומרים אדזואלקטריים למבצעי איילון, המנגנונים האחראים לניהול רול של מטוסים.אלה הדור הבא של פעולות פעולה מציעים זמני תגובה כי מערכות הידראוליות ואלקטרומולוגיות, פתיחת אפשרויות חדשות עבור כלי טיס ודיוק בקרה.

יסודות של Aileron Actuation

(א) הם משטחים של שליטה ממוקם על קצה הדרך של כל כנף.על ידי מעבר בכיוון ההפוך - אחד למעלה, אחד למטה - הם מייצרים מעלית שונה כי הוא גליל את המטוס סביב ציר ארוך טווח שלה:0aileron Actuatorerph 1 הוא המכשיר המתורגם פקודות טייס או טייס אוטומטי אותות תנועה מכנית מדויקת של פני השטח.

תהלוכות איילון ארונות נופלות לשתי קטגוריות עיקריות:

  • (FLT:0) הטורטורים האקלוליים של LT:1; אלה משתמשים נוזל מחודד כדי לנהוג פיסטון.הם מציעים צפיפות כוח גבוהה אבל סובלים מעקביות עקב דחיסות נוזלים, ריצות ארוכות ורגישות תרמית.
  • (FLT:0) מזהמים חשמליים (EMAssher)FLT:1: אלה מסתמכים על מנועים חשמליים יחד עם רכבות הילוכים או מברגים כדור. בעוד הם נקיים ויעילים יותר מאשר הידראולים, הם מציגים רתיעה מכנית, אינרציה, ולבוש.זמני תגובה נופלים בדרך כלל בין 20 ל -100 מ"ר שניות".

במטוסי תעופה מודרניים, פקודות על פני השטח של שליטה מקורן במחשבי בקרת טיסה, הדורשים פועלים עם lag מינימלי כדי לשמור על יציבות ואיכויות טיפול. דרישה זו הופכת להיות חריפה במיוחד בעיצובים לא יציבים, שבו יציבות מלאכותית תלויה תיקונים מהירים ומתמשכים.

חומרים Piezoelectric: A Primer

Piezoelectricity, שהתגלה על ידי ז'אק ופייר קארי בשנת 1880, מתאר את היכולת של חומרים גבישיים מסוימים לייצר מטען חשמלי כאשר מפורש מכני - ובאופן כללי, כדי לפענח כאשר שדה חשמלי מוחל.זה אלקטרו-מכניקה אלקטרו-מכונית דו-כיבית הוא הבסיס של מריצים אדזואלקטריים.

חומרים ⁇ electric נפוצים המשמשים ביישומים אקטוטור כוללים:

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,Single-crystal hydroor ferroelectricsFLT:1: חומרים כגון PMN-PT מספקים אפילו יותר מתח ויעילות, למרות בעלות גבוהה יותר.
  • (ב) ,0) פולימרים פולימרים חשמליים חשמליים (FLT:1): חומרים גמישים שיכולים להשיג עיוותים גדולים, אם כי עם תפוקה כוחית נמוכה יותר.

כאשר שדה חשמלי מוחל על פני אלמנט אדזואלקטרי, את ה- משככי ה- שלפוחית הקריסטל, ומייצר שינוי ממדי על סדר 0.1% ל-0.5% מהאורך של האלמנט. זן זה, אם כי קטן, מתרחש במיקרו-שניות ויכול להיות מוגדל באמצעות מנף מכני או מחסנים כדי להשיג עקירה יעילה וכוח עבור יישומי בקרת טיסה.

כיצד Piezoelectric Actuators להפוך את Aileron control

חומרים ⁇ חשמלי לתוך aileron Actuators דורש עיצוב מכני זהיר לנצל את המהירות שלהם תוך overcoming מגבלות העקירה הטבוע שלהם.

המונחים: lawuators

שכבות מרובות אדזואלקטריות מחוברות מכניות בסדרה.כאשר ממריץ, כל שכבה מתרחבת על ידי כמות קטנה, והעקירה המצטברת מגיעה למאות מיקרומטרים.ערימות אלה יכולות לייצר כוחות העולה על מספר קילווטונים, המתאימים לחיבור ישיר או מגבר לשליטה על משטח hing.

תגית: Piezoelectric Actuators

כדי להגדיל את אורך השבץ, אלמנטים אדזואלקטריים מתמזגים עם מגבר מכני כגון פגזים גמישים, נשקי מנוף, או מגברי עקירה הידראולית. אלה עיצובים כוח סחר לעקירה, השגת שבץ של כמה מ"מ תוך שמירה על זמני תגובה מיקרו-שנית.

מערכות היברידיות

כמה תצורה מתקדמת משלבת אלמנטים אדזואלקטריים עם מערכות הידראוליות או אלקטרומכאניות קונבנציונליות.בעיצובים אלה, המרכיב האזואלקטרי מספק תיקון בסדר גבוה פסוויד, בעוד המכנה המסורתי מטפל במיקום בקנה מידה גדול.התוצאה היא מערכת שמרוויחת הן כוח גבוה והן מהירות יוצאת דופן.

יתרונות ביצועים מוגדרים

בדיקות מעבדה והפגנות טיסה אישרו כי משככי איילים אדמירונים חשמליים מספקים זמני תגובה בטווח של 50 עד 500 מיקרו-שניות - שניים עד שלושה הזמנות של גודל מהר יותר מאשר חלופות הידראוליות או אלקטרו-מכאניות.מהירות זו מתורגמת ישירות להטבות מדידה:

אפשרויות ל Flight Stability

במטוס עם יציבות סטטית רגועה - קוממון במטוסי קרב מודרניים וכמה עיצובים מסחריים - מערכת בקרת הטיסה חייבת לבצע תיקונים רצופים כדי לשמור על טיסה מבוקרת. Faster Actuators מאפשר לולאות שליטה על רוחב פס גבוה, שיפור הפחתת העומס הגורט ואיכות הנסיעה. מחקרים הראו כי נוסחאות אדזואלקטריות יכולות להפחית שיאים מבניים עד 30% בהשוואה למערכות קונבנציונליות.

שיפור יכולת האדם

עבור מטוסים צבאיים, אימוני גליל מהירים ולסיום הם קריטיים עבור תמרון אווירי. pzoelectric Actuators לאפשר שינויים בקצב רול ב -10 מ"ר שניות, נותן לטייסים יתרון מכריע במעורבות גבוהה.הטכנולוגיה הזו תורמת לכלי רכב אוויריים בלתי מאוישים (UAVs) הפועלים בסביבות סוערות או ביצוע משימות דיוק.

שליטה על פני השטח Hysteresis

⁇ pzoelectric Actuators מציג hysteresis מינימלית - פחות מ -2% במערכות מעוצבות היטב - בהשוואה למבצעים הידראוליים, אשר יכולים להראות 5-10% עקב חיכוך ואפקטים נוזליים של חותם.דיוק זה מקטין את הצורך באלגוריתמים פיצוי מורכבים בתוכנה בקרת טיסה.

יתרונות תפעול ותחזוקה

מעבר לביצועים גולמיים, מריצים אדזואלקטריים מציעים יתרונות מעשיים עבור מפעילי מטוסים:

  • (FLT:0)Lower MaintenanceנטלFLT:1: ללא נוזל הידראולי, משאבות, מסננים או חותמות, פועלי אדזואלקטרי מבטלים את הגורמים המובילים לכישלון הפעלה.
  • (FLT:0) ,המדת משקל מערכתית מקוצרת 1:1: התאספות אדזואלקטרית יכולה לשקול 30-50% פחות ממערכת הידראולית שווה ערך, כולל הפחתת משקל קשורה תורם ישירות לחיסכון דלק או יכולת מטענים.
  • (ב) ,0)ההתקנה המוגברת של ה- 1: ללא קווים הידראוליים, מיקום אקטוטור גמיש יותר, ושילוב במבנים מורכבים הוא פשוט.
  • (ב) [ה]: [ה], [ה],] [ה], [ה],] [הלאו של נוזל הידראולי מחוספס,] מקטין את הסיכון לשריפה, והטבע המוצק של המדינה של המתומרים הופך אותם חסינים מפני כישלונות הקשורים לדלפה.

כתובת לאתגרים

למרות היתרונות המשכנעים שלהם, פועלים ⁇ אלקטריים עומדים בפני כמה מכשולים אשר הגבילו את האימוץ הנרחב שלהם בתחום התעופה המסחרי:

טווח ההחלפה מוגבל

הזן הפנימי של חומרים ⁇ אלקטריים הוא קטן - באופן רטי 0.1-0.2% עבור PZT. Achieving כמה ס"מ של נסיעות הנדרש עבור ailerons גדול דורש הדגימה מכנית, אשר מציג מורכבות, המונים, ו מצבי כישלונ פוטנציאלי.חוקרים הם חקר מנגנונים דו-פעפיים ונוטים inch כדי לטפל במגבלה זו.

דרישות כוח גבוהות

משככי חומרים Piezoelectric בדרך כלל דורשים מתחים נהיגה של 500-2000 V כדי להשיג מאמץ מקסימלי. ליצור בבטחה להפיץ מתחים אלה בתוך מערכת חשמל מטוסים מציג אתגרים הנדסיים, כולל בידוד, קשת, ו תאימות אלקטרומגנטית. מראש ב high-density DC-DC ממירים וחומרים דיאלקטריים הם בהדרגה מזרזים את החששות האלה.

טמפרטורה Sרגישות

התקני הסוללות של קרמיקה PZT משתנים באופן משמעותי עם טמפרטורה, ונוסחאות רבות מאבדות את התכונות הגלואלקטריות שלהם מעל טמפרטורת קארי (בדרך כלל 150-350 מעלות צלזיוס) מטוסים לפעול באופן אמין בטווח של מ -55 מעלות צלזיוס ל +125 מעלות צלזיוס, הדורשות בחירה חומרית זהירה וניהול תרמי.

עייפות וגמישות

בעוד קרמיקה PZT מציגה עמידות עייפות מצוינת תחת נהיגה דו קוטבית, ניתוח חד קוטבית - שבו החומר תמיד תחת מתח - יכול להאיץ את צמיחת הסדקים. עיצובים מכניים preloading ואלקטרודה מתקדמים לעזור להפיץ מתח, אבל נתונים ארוכי טווח של אמינות עבור יישומים קריטיים לטיסה נשאר מוגבל. תוכניות הסמכה מתמשכת נועד להפגין זמן בין כישלונות מעל 100,000 שעות טיסה.

פתרונות ומחקר

תעשיית החלל מטפלת באופן פעיל באתגרים אלה באמצעות מספר מסלולים מקבילים:

חומרים Pizoelectric

שילוב קרמיקה אדזואלקטרית עם מטבוליות פולימר או חיזוקים מתכתיים מייצר חומרים עם קשיחות מוגברת, זן גדול יותר, ויציבות תרמית טובה יותר. לדוגמה, 1-3 מסובכים - שבו מוטות PZT מוטבעות במריצה פולימר - אחד משופר תנופה אקוסטית משופרת התאמת וחוס מכני עבור יישומי אקטוטור.

המונחים: self-Sensing Actuators

אלמנטים Piezoelectric יכולים לתפקד בו זמנית כמו אקטוטורים וחיישנים על ידי זמן-מה המורכב מתח יישומי וטעינה נמדדת.יכולות אלה מאפשרות שליטה סגורה-פרלופ ללא מכשירים משוב מיקום חיצוני, צמצום מורכבות המערכת ושיפור האמינות. החוקרים הראו דיוק מיקום בתוך 0.1% מטווח מלא באמצעות פעולות אדזואלקטריות מעצמם.

אנרגיה קצירת אינטגרציה

אותם אלמנטים אדזואלקטריים שפועלים על איילון יכולים גם לקצור אנרגיה רטט משטח הבקרה במהלך הטיסה, בעוד שהכוח המנוסח הוא צנוע - באופן חד-משמעי בטווח המילימטר - זה יכול להשלים על אלקטרוניקה או חיישני כוח אלחוטי, לתרום יעילות המערכת הכוללת.

ייצור תוספת של Piezoelectric Components

טכניקות הדפסה תלת מימדיות, כולל חיבור וכתיבה ישירה, מאפשרות כעת ייצור של אלמנטים אדזואלקטריים עם מגמטריה מורכבת בלתי אפשרית כדי להשיג באמצעות לחץ וחטא קונבנציונלי. תהליכים אלה מאפשרים להפעלה עם קשיחות מותאמים, ערוצי קירור, או מגבר מכני משולב, הכל מיוצר בשלב ייצור יחיד.

דרישות נוכחיות והתקפות טיסה

מספר תוכניות בולטות הוכיחו את יכולתם של פורמולטורים אדזואלקטריים בסביבות תפעוליות:

  • (FLT:0) תוכנית Active Aeroelastic Wing (AAW) של NASAA (AAW) תוכנית 1FLT:1 השתמש כתמים אדזואלקטריים על כנף F / A-18 כדי לגרום לפיתול ולשפר את השליטה רול במהירויות transonic.התוכנית אישרה כי נוסחאות אדזואלקטריות יכולות להפחית את משקל הפעולה ב-40% תוך מתן סמכות שליטה שוות ערך למערכות הידראוליות.
  • (FLT:0) תכנית ה- Smart Wing התוכנית של Smart WingFIRLT:1 פיתחו ⁇ חשמל עבור פורצי דרך על מפגין כלי רכב לא מאוישים של כלי אוויר.התוכנית השיגה שיפור של 20% בקצב רול בהשוואה למבצעים קונבנציונליים.
  • פרויקט Sky 2vyFLT 1 (FLT:0) בחן את פועלי ה-Epzoelectric על ספסל ניסויים מטוסים אזוריים של איירון, המפגין תאימות לדרישות הסמכה של פעולת בקרת טיסה.

ההפגנות הללו מאשרות כי הטכנולוגיה בוגרת מספיק לשם מעבר ממעבדה לייצור מטוסים, אם כי שיקולי הסמכה ועלויות ממשיכים להשפיע על זמני האימוץ.

שילוב עם אדריכלות מטוסים הבאה

דחיפה לעבר מטוסים חשמליים יותר (MEA) וכל המטוסים החשמליים יוצרת סינרגיה טבעית עם משככי כאבים אדזואלקטריים.כפי שמערכות הידראוליות מובנות לטובת הפצת חשמל, הזמינות של אוטובוסים DC בעלי מתח גבוה מפשטת את האתגר של המיזוגים החשמליים עבור דחפים אדזואלקטריים.

בהקשר של ניידות אווירית עירונית (UAM) ומטוסי חשמל אנכיים ונחתה (eVTOL), פועלי איילון אדזואלקטריים מציעים יתרונות מסוימים.כלי רכב אלה דורשים שליטה מהירה ומדויקת כדי לנהל את המעבר בין מרחף לטיסה קדימה, והם פועלים עם תקציבי חשמל מוגבלים שבו כל קילוגרם ו-וואט נושאים.

אישור ודרכי התפטרות

עבור יישומים מסחריים מטוסים, פועלים אדזואלקטריים חייבים לעמוד בסטנדרטים הבטיחותיים הקפדניים של רשויות התעופה כגון FAA ו-EASA. שיקולים הסמכה מפתח כוללים:

  • (FLT:0) ניתוח מצב של ניתוח מצב FLT:1: ⁇ המטוטורים המטומטים בדרך כלל נכשלים באופן שפיר - או קצר-circuit או פתוח- אבל ההשפעות הכישלונות חייבות להיות צפויות ולנהל באמצעות הריסות או השפלה מבורכת.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ : "הטבע המגביל של קרמיקה אדזואלקטרית הופך אותם פגיעים למגרש מתח ממתקפות ברקים.
  • (FLT:0) כישורים של חילון 1: Vibration, רכיבה על טמפרטורה, לחות ובדיקת תרסיס מלח חייבים להוכיח כי מעשים אדזואלקטריים לשמור על ביצועים בתוך סובלנות הנדרשת לאורך חיי השירות של המטוס.

כמה יצרני הפעלה עובדים באופן פעיל עם רשויות הסמכה כדי לקבוע אמצעי ציות מקובל, ובכך למקם את הדרך לאישור סוג של מטוסים מצוידים בקרות טיסה אדזואלקטרי עד סוף 2020.

שיקולים כלכליים ועלויות מחזור חיים

בעוד העלות של מחסנים ⁇ אלקטרית גבוהה כיום מאשר המקבילות הידראוליות - בעיקר בשל עלות של קרמיקה באיכות גבוהה קרמיקה PZT ואלקטרוניקה כוח - העלות הכוללת של בעלות היא תחרותית כאשר תחזוקה, משקל, וחיסכון בדלק הם הגורמים בניתוח של 2023 על ידי המועצה הבינלאומית של מדעי Aeronautical העריכו כי פועלי אדנואלקטרי יכול להפחית עלויות התפעוליות על ידי 24% עבור שירות תחזוקה מופחתת יותר מ תחזוקת דלק.

ככל שתהליכי הייצור עולים ותהליכי הייצור התבגרו – במיוחד ייצור תוספים ורכבה אוטומטית – עלויות ענישה צפויות לרדת ב-30-50% בעשור, מה שהופך את המטוטורים הארוכים מבחינה כלכלית למגוון רחב של סוגי מטוסים.

מבט לאחור

מסלול של פעילות אדזואלקטרית של איילון אקטוטור מצביע על עתיד שבו פני השטח של בקרת הטיסה נעים עם תגובה כמעט בלתי שפויה, המאפשרת מטוסים בטוחים יותר, יעילים יותר, וניתן לתמרן יותר מאי פעם.הטכנולוגיה מתייחסת למגבלות בסיסיות של מערכות ההפעלה הנוכחיות תוך התאמה עם המגמות הרחבות של תעשיית החלל לקראת סלקציה, פשטות, ביצועים.

מחקר מתמשך לחומרים חדשים של ⁇ אלקטריים עם זנים גבוהים יותר, סובלנות טמפרטורה רחבה יותר, ועלות נמוכה יותר תזרז אימוץ.בינתיים, התקדמות באלקטרוניקה כוחית, אלגוריתמי בקרה ושילוב מערכת ממשיכים לסגור את הפער בין הפגנות מעבדה ופתרונות מוכנים לייצור.

עבור מהנדסי חלל, המסר ברור: עידן בקרת הטיסה האזואלקטרית הגיע עכשיו.האתגר הוא לתכנן, לאשר ולפרוס מערכות שמשרתמות את מלוא הפוטנציאל של הטכנולוגיה הטרנספורמציה הזו.

מסקנה

פועלי איילון Piezoelectric מייצגים התקדמות בסיסית בטכנולוגיה של בקרת טיסה, מתן זמני תגובה נמדדים במיקרו-שניות, דיוק כי הרבה יותר עולה על מערכות קונבנציונליות, והדרך לעבר מטוס פשוט יותר, בהיר יותר אמין יותר, בעוד אתגרים נשארים - במיוחד בטווח עקירה, דרישות כוח, הסמכה - קצב המהיר של חומרים מדעיים ומערכות הנדסה הוא סוללת בהתמדה את המחסומים האלה.