מבוא לטכנולוגיה Flap ואבולוציה

משטחים ממונעים לאורך קצה כנפים המאפשרים לטייסים לשנות את המאפיינים מרים וגרור במהלך ההמראה, הנחיתה, ובתוך טיסה תמרון במשך עשרות שנים, מערכות אלה התבססו על הידראולים או מנועים חשמליים, לדחוףד, כבלים, וקישורים מכניים מורכבים כדי לפרוס ולחדש את המערכות הקונבנציונליות הללו, דורשות תחזוקה סדירה, ועיצוב על מגבלות מתקדמות יותר, כדי לשפר את המיזוגים של טכנולוגיות מתקדמות יותר, ולעצבן, באמצעות מגבלות זמן מתקדמות יותר, תוך כדי לשפר את עצמן.

פריצות דרך אחרונות בחומרים מדע והנדסה של אקטוטור פתחו את הדלת למה שמהנדסי חלל מכנים "זיכרון" או כנפיים "אדפטיות" במקום להזיז לוחות מכווצים, סדקים עתידיים עשויים להיות מבנים חלקה כי bend, טוויסט או bulge על פיקוד.שינוי זה לא רק משפר יעילות דלק ותמרון אלא גם מקטין מורכבות מכנית ותחזוקה.

התפתחות מערכות Flap: From Mechanical to Smart

מערכות חלפה מסורתיות היו מכניות במידה רבה או הידראוליות, עם ממריצים משדרים כוח באמצעות כבלים וקישורים.הפלים המוקדמים ביותר היו לוחות מכווצים פשוטים, אשר התפתחו מאוחר יותר לתוך עיצובים מלוטשים, כפולים, אשר מגבירים את אזור האגף ואת הסומבר. בעוד מערכות אלה עובדים באופן אמין, הם כבדים, צורכים אנרגיה משמעותית, מציעים עקרות שליטה מוגבלת.

ההקדמה של ט-by-wire ואלקטרו-hydrostatic actuators השתפרו פעמים תגובה וירידה במשקל, אך עדיין התבססה על חלקים נעים קשיחים.שינוי פרדיגמה האמיתי התחיל כאשר חוקרי חלל החלו לחקור חומרים "חכמים" או "אינטליגנטיים" שיכולים לשנות צורה או קשיחות תחת גירוי חיצוני.החזון הוא מערכת רפלק שיכולה להתאים את קומתו באופן רציף לביצועים אופטימליים לאורך כל השלבים, ללא צורך מכני.

חומרים חכמים בטכנולוגיית Flap

חומרים חכמים הם חומרים מהונדסים להגיב גירויים חשמליים, תרמיים או מגנטיים על ידי שינוי אחד או יותר של התכונות שלהם - shape, קשיחות, לחות, או קוצר רוח. במערכות flap, חומרים אלה יכולים להחליף את המתוטורים המסורתיים ואלמנטים מבניים, המאפשרים להפיץ, משקל, ותגובה גבוהה יותר של שליטה על פני השטח. 2 משפחות של חומרים חכמים הופיעו כמועמדים מובילים: סגסוגת זיכרון (AsSM) וחוקרים חומרים מגנטיים הם גם חומרים מגנטיים.

Shape Memory Alloys (SMAs)

צורה של ⁇ זיכרון, כגון ניקל-טינום (Nitinol), ניתן להבחין בטמפרטורות נמוכות ולאחר מכן לחזור לצורה טרום-מוגדרת כאשר מחומם מעל טמפרטורת מעבר. במערכות flap, חוטי SMA או ribbons יכולים לפעול כמו גם אלמנטים מבניים וגם פועלים. על ידי הטמעת SMAs בתוך העור או תת-מבנה, מהנדסים יכולים ליצור משטחים אשר לרפא, או לרפא בצורה חלקה, אפילו עיוות חשמלי הנוכחי.

היתרונות של SMAs כוללים צפיפות עבודה גבוהה (כוח לנפח), פעולה שקטה, ואת היכולת להשתלב ישירות לתוך מבנים מורכבים.נאס"א וכמה קווי אוויר הוכיחו את SMA-enableed מורפי שבילים פורצים דרך להפחית את גרר עד 10% במהלך השייט. עם זאת, אתגרים נשארים: SMA הפעלה זמני מוגבל על ידי חימום וקירור, ועייפות החיים תחת עומס קפדני דורש הנדסה על ידי מחקר מתמשך על ידי SMARTed במהירות גבוהה.

חומרים Piezoelectric

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי כאשר מלחיצה מכנית, לעומת זאת, עיוות כאשר שדה חשמלי מוחל.עופרת zirconate titanate titanate (PZT) קרמיקה ופוליווינילidene fluoride (PVDF) פולימרים הם דוגמאות נפוצות.בטכנולוגיית ה-Fap, מריצים אדזואלקטריים מציעים זמני תגובה תת-מטר, מה שהופך אותם אידיאליים עבור עמדות נגד דקירה או אקטיבית שינוי לנטרל אקטיבי.

מחסניות Piezoelectric Actuators יכול להחליף או להגדיל את ה-servo Actuators המסורתית במטוסים קטנים בגודל בינוני, במיוחד עבור מכשירים פורצי דרך.הם גם לאפשר מושגים "עור חכם" שבו חיישנים אדזואלקטריים מזהים שינויים זרימת אוויר ופועלים מגיבים באופן מיידי - מערכת בקרה סגורה-פרעית שמייעלת הפצה בזמן אמת.

חומרים מגנטיים וחכמים אחרים

חומרים מגנטיים, כגון Terfenol-D ו Galfenol, צורה משתנה כאשר נחשפים לשדה מגנטי.הם מציעים כוח גבוה, שבץ מתון, תגובה מהירה - דומה ל- ⁇ electrics אבל ללא הסיכון של deקוטב. חומרים אלה אטרקטיביים במיוחד עבור סביבות קשות שבו קיצוניות טמפרטורה עלולים להפיגואלקטרי ביצועים.

חומרים חכמים אחרים מתעוררים כוללים חומרים אלקטרו-הגבלות (התעלו מתחת לשדה חשמלי עם היסטריה נמוכה) ונוזלים מגנטיים (MR) אשר משנים את ההיקף בשדה מגנטי, ניתן להשתמש בהם בלחמת הסתגלות למנגנוני ה-Fap. בעוד פחות נפוץ בפעולת הפעלה ראשונית, נוזלי MR עשויים למצוא תפקידים בהילוך חכם או מערכות מנעולים.

המונחים: Flap control

החוקרים הם השרירים של כל מערכת צנרת.הדור הבא של פועלי ה-Fap שואפת להחליף גלילים הידראוליים כבדים ומנועים חשמליים עם מכשירים קלים, יציבים, שמשלבים חומרים חכמים ישירות לתוך המנגנון.הפועלים האלה חייבים לעמוד בדרישות אוויריות מחמירות לאמינות, צפיפות כוח, הסמכה בטיחות.

פולימרים אלקטרואקטיביים (EAPs)

פולימרים אלקטרואקטיביים יכולים להיות nd, למתוח או חוזה כאשר שדה חשמלי מוחל. דיאלקטרי elastomer אקטוטורים (DEA), סוג של EAP, מורכב ממטרה אלסטומר דק בין אלקטרודות מקבילות. כאשר מתח הוא מיושם, מחסחסומי membrane בעובי ומרחיבים באופן רציף באזור, ומייצרים זנים גדולים (עד 100%) ודחיסות אנרגיה גבוהה.

היתרונות של EAPs כוללים פעולה שקטה, משקל נמוך מאוד, וחוסן לעייפות.הם יכולים להיות מוטבע בעור כנף מורכב, יצירת משטח אווירודינמיקה חלקה.עם זאת, DEAs דורש מתחים גבוהים (כל פעם קילובולטים) והם רגישים לגורמי סביבה כגון לחות וטמפרטורה.התקדמות בחומרים דיאלקטריים ואריזות הם בהדרגה להתגבר על אתגרים אלה, ומבחנים לטיסה בהצלחה הוכיחו בקנה מידה קטן על כלי רכב מבוקרים.

המונחים: magnetostrictive Actuators

ממריצים מגנטיים משתמשים בחומרים שמשנים את הצורה בתגובה לשדה מגנטי.בניגוד ל- SMAs, אשר מסתמכים על הפעלה תרמית, ממריצים מגנטיים מציעים תגובה מהירה מאוד (מיקרו שניות) ויכולים לפעול על פני טווח טמפרטורה רחב.הם גם מספקים פלט כוח גבוה עם שבץ מתון, מה שהופך אותם מתאימים לשליטה ישירה של הנעה או כחלק ממערכת היברידית עם השפעה מכנית.

תצורה מבטיחה אחת היא "המטען ההיברידי המגביל", אשר זוגות מוטה מגנטית עם מגבר הידראולי או מכני להגדיל את שבץ תוך שמירה על החלטה טובה.פועלים כאלה נבדקו עבור שליטה פעילה על מטוסים אזוריים, מראה שיפור 20% רוחב פס אקטוטור והפחתה של 15% במשקל בהשוואה ליחידות הידראוליות.

מערכת חכמה משולבת היברידית

העיצובים המתקדמים ביותר משלבים חומרים חכמים רבים ופועלים כדי לנצל את נקודות החוזק המשלימות שלהם.לדוגמה, ערימה עשויה להשתמש SMAs עבור שינוי צורה רב צורה במהלך ההמראה וההנחתה, אלמנטים אדזואלקטריים עבור התאמות מהירות ומהירות גבוהה במהלך השייט, ו moistostrictive עבור דיכוי פלוטר.מערכות היברידיות אלה דורשות אלגוריתמים בקרה מתוחכמת ואלקטרוניקה כוח, אבל הם מבטיחים רמות חסרות תקדים של יעילות מבנית ואופטימית.

דוגמה היא הרעיון של "אגף זיכרון" עם קצה פורץ מקביל המשלב צינורות SMA עבור שינוי סומב ותיקונים אדזואלקטריים עבור שליטה פעילה בתנודתית.מבחנים של Wind הראו הפחתה של 12-15% על פני מעטפה טיסה טיפוסית, ללא מפרקים או חותמות נעות. בעוד עדיין בשלב המחקר, מערכות כאלה צפויות להיכנס לשירות במטוסי הדור הבא של מטוס אלקטרוני בתוך מטוס סילון ו-LTO בתוך מטוס קרב.

יתרונות ושיפור ביצועים

שילוב של חומרים חכמים ופועלים מתקדמים לתוך טכנולוגיית ה-Freap מספק הטבות למדידה על פני תחומים מרובים:

  • (FLT:0)Weightduction: Re הנחת קישורים מכניים כבדים ורכיבים הידראוליים עם חומרים חכמים קלים יכולים להפחית את משקל מערכת ה- 30–50%, שיפור ישיר של כלכלת דלק וקיבולת מטען.
  • (FLT:0) עידוד יעילות אווירודינמיקה: ibph:1 מתמשכים, חלק משתנה משתבשים משתבשים מקטין את גרגור בהשוואה לפירוק של מחסנים מתפתלים, המאפשרת סוח אופטימלי בכל מצב טיסה.מחקרים מראים שיפור פוטנציאלי של 5 עד 10% ביחס למעלית-ל-דזה עבור מטוס תחבורה.
  • (FLT:0)Faster פעמים תגובה: 1FLT:1 Piecioelectric ו מגנטים פועלים מגיבים מיקרו-שניות, המאפשר שליטה פעילה של עומסי גור, פלוטר ורטט - אישור נוחות נוסעים וחיי עייפות מבניים.
  • (FLT:0) חידוש רעש: 1FLT:1 SMAs ו- EAPs לפעול בשקט, חיסול של משאבות הידראוליות ומנועים סרבו.זה מועיל במיוחד עבור כלי רכב עירוניים אשר חייבים לעמוד בתקנות רעש קפדניות.
  • (FLT:0) תחזוקה ואמינות גבוהה יותר:FLT:1 פחות חלקים נעים ואין נוזל הידראולי פירושו פחות ללבוש, דליפות, מורכבות מערכת. חומרים חכמים יכול גם להיות רגיש עצמי, מתן ניטור בריאות בזמן אמת עבור תחזוקה חיזוי.
  • (ב) [15] ,הבטחון המשוחרר: ⁇ 1 , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אתגרים ושיקולים

למרות ההבטחה, יש להתגבר על כמה hurdles טכניים והסמכה לפני שטכנולוגיית ה-F החכם הופכת למיינסטרים על מטוסים מסחריים.

חומר עייפות ויציבות

חומרים חכמים חייבים לסבול מיליוני מחזורים לאורך עשרות שנים של פעילות. SMAs, למשל, יכול לסבול עייפות פונקציונלית (אובדן אפקט צורה) ועייפות מבנית לאחר רכיבה חוזרת על אופניים תרמיים. קרמיקה Piezoelectric הם רזים ויכולים לפצח תחת עומס מחזורי. בדיקות נרחבות ונוסחאות חדשות נדרשים לעמוד בסטנדרטים עמידים בחלל.

אישור ודרכי התפטרות

רשויות אוויריות כמו FAA ו-EASA אין שיטות הסמכה מבוססות למבנים המכילים מעשים חכמים משובצים. מערכות Flap הן קריטיות בטיחות, וכל כישלון חייב להיות צפוי ולא בטוח. Regulators דורש נתונים אמינים מוכחים, אדריכלות לקויה, ותהליכי תחזוקה ברורים - כולם עדיין בפיתוח כנפיים חכמות.

חשמל ובקרה אלקטרוניקה

פועלים חכמים דורשים לעתים קרובות מתחים גבוהים או עיוותים ספציפיים, תובעים קומפקטיים, יעילים וטיסה אלקטרוניקה כוח אלקטרוניקה. אלגוריתמי הבקרה חייבים לנהל התנהגויות לא לינאריות מורכבות (היסטריה, מצמרר, הפיכה תרמית) תוך תיאום אלמנטים מרובים של אקטוטור.התקדמות בשליטה מבוססת מודל בזמן אמת עיצוב אלקטרוני חזק מטפלות בנושאים אלה.

עלויות וייצור Scale

כיום, חומרים חכמים כגון Nitinol ו- Terfenol-D יקרים לייצר באיכות אווירו-דרגת ייצור תהליכים להטמעת חומרים אלה למבנים מורכבים עדיין לא יהיו מבוגרים.רחב אימוץ ידרוש הפחתה של עלויות באמצעות נפח ייצור גדול יותר וטכניקות ייצור אוטומטיות.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

עתיד הטכנולוגיה השברירית עובר לכנפיים "מרגע" שטשטשות את הקו בין מבנה לבין משטח שליטה.מספר תוכניות מחקר מאיצים את החזון הזה:

  • (FLT:0) , NASAA's Advanced Air Transport Technology (AATT) מיזם מתקדם של NASAFLT:1 מפתחת SMA מבוססי פורצי דרך עבור מטוסים הדור הבא של יחיד-החילה, מיקוד לירידה של 10% בעיטות דלק.
  • (FLT:0) אירופה נקייה Sky 2 ו 3 תוכניות FLT:1 כוללים מפגינים עבור מדרבן מוביל וטיפות באמצעות רכיבים אדזואלקטריים ורב-תפקודיים.
  • (FLT:0) תוכניות בצורתה של ארצ'רטיבית (FLT) 1:1 לחקור מבנים בהשראת אוריגמי ומושגים חכמים עור עבור פלטפורמות צבאיות.
  • (ב) ,0) ,StartupsFLT:1 כמו:2 [Woriphing Wings, Inc.FLT 3: 3 (hypothetical) הם משווקים מערכות משיכת AP עבור eVTOL ו רחפנים.

בטווח הקרוב (5-10 שנים), אנו מצפים לראות מערכות נפילה חכמות על כלי רכב אוויריים בלתי מאוישים, כלי טיס קלים ומונית אוויר עירונית, שבו הסמכה פחות מחמירה והיתרונות של הפחתה ויעילות הרעש משכנעים ביותר.עבור חברות תעופה מסחריות, פתרונות היברידיים-חכמים עשויים להופיע בשנות ה -2030, בתחילה כמו מכשירים מתקדמים (כמו מפולנים מתאימים) לפני שהפכו לכנפיים שלמות על פני הדור הבא של מטוסים סטנדרטיים.

במקביל, המחקר מתקדם לחומרים חכמים "עצמים" שיכולים לתקן microcracks באופן אוטונומי, שיפור נוסף האמינות. בשילוב עם מודלים תאום דיגיטלי ובקרת מבוסס AI, מערכות משיכת חכם יכול בסופו של דבר להיות לגמרי אוטונומי, להתאים את צורתם בזמן אמת כדי למקסם את הביצועים האירודינמיקה תחת כל מצב.

מסקנה

חומרים חכמים ומבצעים מתקדמים אינם שיפורים מצטברים במערכות מתקפלות – הם מייצגים הערכה יסודית של איך כנפיים עובדות.על ידי החלפת רכיבים מכניים כבדים, מחוסנים עם מערכות חכמות קלות, מופצות ומופצות, מהנדסי אוויר יכולים להשיג רווחים ביעילות, רעש, בטיחות ותחזוקה שלא היו זמינים עם אתגרים טכנולוגיים קונבנציונליים, בעודם עמידים, הסמכה, ועלויות, מומנטום ממערכות מחקר גלובליות ולהבטיח בסופו של תעשיית החלל תהיה יעילה יותר, בסופו של דבר, אך ורק לשיטות אוויריות ירוקות, אך ורק יותר, אך ורקמות, הן יעילות, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, הן יציבות, הן יציבות, הן מבטיחות, הן אסטרטגיות ירוקות, אך ורק יותר, הן יציבות, הן מבטיחות יותר, הן יציבות, הן יציבות, אך ורקמות, הן מבטיחות, אך ורק לטכנולוגיות מהירות יותר, הן יעילות, אך ורקמות, הן יציבות, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, הן מהירות יותר, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, הן גבוהות יותר, אך ורקמות, אך ורקמות, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, הן מבטיחות יותר, הן טכנולוגיות מתקדמות יותר, הן מבטיחות, הן מבטיחות, אך ורק יותר, הן מהירות, הן יציבות, הן מהירות, הן מבטיחות, הן מהירות יותר, אך ורקמות