עתיד של משקפי אור, גבוה ביצועים גבוהים של הגנה על כלי טיס חשמליים

אתגר התרמומאלי ב- Electric Aviation

מטוסים חשמליים מייצגים שינוי טרנספורמטיבי בתעופה, מבטיח פליטות מופחתות, עלויות תפעול נמוכות יותר, וטיסה שקטה יותר.עם זאת, המעבר מטורבינה של דלק מאובנים במערכות הנעה חשמלית מציג אתגרים חדשים לניהול תרמיים שונים באופן בסיסי מאלה במטוסים קונבנציונליים, בעוד מנועי סילון מסורתיים מייצרים ביצועים חשמליים לטווח גבוה, אשר ניתן לנהל באמצעות הגנה מסיבית, מטוסים חשמליים לייצר חום ממקורות מרובים: מהירות גבוהה, סוללות חשמליות, אפילו לא אמצעי חימום, אפילו לא אמצעי חימום גבוה, ציוד חשמלי גבוה, אלא גם לא ניתן להחליף ציוד חשמלי גבוה, 000 חשמלי גבוה, 000, 000, 000, 000, 000 חשמלי גבוה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 יעיל, 000 יעיל, 000, 000, 000 ליטרים, 000, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 ליטרים חשמליים, 000 ליטרים, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 יעיל, 000 ליטרים חשמליים, 000 ליטרים חשמליים, 000 יעיל, 000 ליטרים חשמליים, 000 יעיל, 000 לחץ חשמלי יעיל, 000 ליטרים, 000 יעיל, 000 כוח גבוה, 000 יעיל, 000 כוח חשמליות, 000 כוח כבד, 000 כוח אוויר

העומס התרמי במטוס חשמלי משתנה באופן נרחב. במהלך טעינה מהירה או פריקה גבוהה מתמשכת, תאי סוללה יכולים לעלות על טמפרטורות הפעלה בטוחות, סיכון מפלט תרמי. Power inverters ו- motor Windings לייצר אומתין והחלפת הפסדים המתורגמים לחום.באותו זמן, את צפיפות האוויר עצמה, במיוחד הקצוות המובילים ומשטחים חשופים לזרימה מהירה, חוויות מסורתיות שיכולה לעלות על פני השטח היקר ביותר של 300 מעלות צלזיוס, הם בעלי ביצועים כבדים יותר מדי, ולכן הם בעלי לחץ כבד מדי, ולכן הם לפתח עמידות גבוהה מדי, ולכן הם בעלי תפקודים גבוהים מדי, חום, ולכן הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, הם בעלי תפקודים גבוהים מדי, הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, במיוחד, ולכן הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, חום גבוה מדי, הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, במיוחד, הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, ולכן הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, חום גבוה מדי, ולכן, חום גבוה מדי, ולכן הם בעלי ביצועים גבוהים מדי, הם לפתח עמידות גבוהה מדי, חום גבוה מדי, חום גבוה מדי, הם לפתח עמידות גבוהה מדי, 000.

מאמר זה חוקר את פריצות הדרך המדעיות החומריות האחרונות, טכניקות ייצור מתפתחות, אסטרטגיות שילוב המאפשרות אלה הדור הבא של מגן חום.אנחנו נבחן כיצד מורכבי קרמיקה חדשים, אווירולים ושיטות ייצור תוספים מעצבים מחדש הגנה תרמית עבור מטוסים חשמליים, ונדון במגמות עתידיות שיקבעו אם תעופה חשמלית תוכל להשיג את הבטחתה של טיסה נקייה ומהירה.

מטען ענקי ב- Electric Air

כדי לעצב מגן חום יעיל, מהנדסים חייבים קודם להבין את הסביבה התרמית הספציפית כי מטוסים חשמליים נתקלים במטוסים קונבנציונליים שבהם טמפרטורות גז ממצה שולטות, מטוסים חשמליים חילקו מקורות חום הדורשים אסטרטגיות הגנה מותאמות.

Battery Pack Heat Generation

סוללות ליתיום-יון הן הלב של רוב המטוסים החשמליים, אבל הם גם המקור העיקרי של חום במהלך המבצע.התנגדות פנימית גורמת חימום Joule, במיוחד תחת עומס נוכחי גבוה במהלך ההמראה או לטפס. מחקרים מראים כי טמפרטורות סוללות יכולות לעלות על ידי 2-5 מעלות צלזיוס לדקה תחת פריקה אגרסיבית, וללא ניהול תרמי מספיק, טמפרטורות חפיפות יכולות לעלות על 80 מעלות צלזיוס, דה-ביצועים ובטיחות סביב סוללות לא רק כדי למנוע ציפויים מתקדמים.

מנוע וחשמל אלקטרוניקה

מנועים חשמליים והבקרים הקשורים אליהם (המכונים, DC-DC) מייצרים חום באמצעות הפסדים מנוגדים, היסטריה מגנטית והחלפת תדרים.בעוד שמערכות קירור נוזליות מטפלות במרבית החום המנוע, המבנה שמסביב עדיין דורש חסמים תרמיים כדי להגן על רכיבים רגישים ולשמור על נקודות חום אווירודינמיות (Alternic-of-Fird) 3400-Fird) מחסנים (Albide/F2-Fird) 3.

Aerodynamic Heating

עבור מטוסים חשמליים המיועדים לטיסה מהירה (Mach 0.8 ומעלה), חיכוך עור וגלי הלם מייצרים חום משמעותי. הקצוות מובילים, nacelles, ומשטחי בקרה עשויים לחוות טמפרטורות transient העולה על 500 מעלות צלזיוס, שם מושגים מסורתיים של הגנה מפני חום מרכבי טיס אווירופייס הופכים רלוונטיים, אבל מגבלות משקל הם הרבה יותר הדוק.

מהפכת חומרים: מ Ceramics ל- Aerogels

לב המהפכה של מגן החום הקל משקל שוכן בשילובים חומריים חדשים אשר משיגים יציבות עתירית גבוהה עם דחיות מתחת 2 g / CM3. 3 כיתות של חומרים שולטים במחקר הנוכחי: מטבוליות קרמיקה (CMCs), תרכובות המבוססות על פחמן, ואווירגלים מתקדמים.

Ceramic Matrix Composites (CMCs)

מרגרמת צוואר הרחם משלבת סיבי קרמיקה (למשל, סיליקון carbide, Nextel 610) עם ממטריקס קרמיקה (למשל, סיליקון carbide, alumina) התוצאה היא חומר שישמור על כוח ונוקשות מעל 1000 מעלות צלזיוס, בעוד להיות בערך שליש צפיפות של superalloys. CMCs גם להפגין התנגדות זחילה מעולה ו- oxidation כאשר הם מתאימים לתהליכים חשמליים, כגון Ctrapreicic, כמו Ctror אחוריים מגנטיים, כמו Ctror אחוריים מגנטיים חשמליים, כמו Ctror, כמו Ctror, כמו Ctror מגנטיים מגנטיים מגנטיים, כמו Ctror מגנטיים מגנטיים.

פחמן / קרטבון ופחמן / Silicon Carbide Composites

פחמן-פייבר-רסן (C/C) כבר בשימוש זמן רב ביישומים אווירי חלל עתיריים עתיריים בשל החזקת הכוח שלה עד 2,000 מעלות צלזיוס באטמוספירה של האינטנסיבית. עם זאת, חומרים אלה מחמצן במהירות באוויר מעל 400 מעלות צלזיוס, הגבלת השימוש שלהם ב- CDC-חוסן מופעל על ידי פחמן עמידת סיליקון (C/SiC), אשר משלבת את העוצמה של 2.

הבאGeneration Aerogels

Aerogels - חומרים סינתטיים עם יותר מ -90% אוויר על ידי נפח - offer את מוליכות תרמית הנמוכה ביותר של כל מוצק (כפי נמוך כמו 0.015 W / mK) Silica aerogels כבר בשימוש בחללית מסוימת, אבל שבריריות שלהם רגישים לחות יש מוגבלות יותר אימוץ רחב יותר של חומרים פולימרוקים המחוברים פולימרט וגמגלים גמישים הופקו חומרים כי ניתן להשוות את הגדלים לכדי קיבולת גבוהה יותר מ קיבולת חשמלית.

ריצוף ריבוע (TBCs)

[ה]החומר הסטנדרטי של טורבינות גז, אך צפיפות גבוהה (6 גרם/CM3) אינה מתאימה למטוסים חשמליים רגישים במשקל.New low-density TBCs, המבוססת על צפיפות גבוהה (6 גרם/CM3), אינה מתאימה לטמפרטורה חשמלית בעלת רגישות משקל.

חידושים בייצור: תוספת ודעה קדומה

אפילו החומרים הטובים ביותר הם חסרי תועלת אם הם לא יכולים להיות מעוצבים למגן חום קל משקל, אמין בעלות סבירה.חמש השנים האחרונות ראו התקדמות יוצאת דופן בטכניקות ייצור המותאמות לרכיבים עתיריים גבוהים.

ייצור תוספת של Ceramics

כאן הדפסה תלת מימדית של קרמיקה, שהייתה מוגבלת לצורות פשוטות, עכשיו מאפשרת מגן חום מורכב, מבוסס לקטייה עם תכונות תרמיות מותאמות. Stereolithography מבוסס הדפסה קרמיקה (למשל, Lithoz LCM) יכול לייצר מגן סיליקון צפוף וחלקי אלומיניום עם גדלים תכונה עד 50ns.

זיהום כימי Vapor (CVI) עבור CMCs

CVI הוא התהליך הדומיננטי לייצור מזחלות CMC צפופות. בתהליך זה, פיברפוס preforms ממוקמים בכבש עם גזים אשר הפיק חומר קרמיקה (למשל, SiC) על הסיבים. שיפורים אחרונים כוללים את זרימת CVI צובעית אשר מפחית זמן עיבוד משבוע עד ימים. בשילוב עם מיקום סיבים אוטומטיים (AFP), יצרנים יכולים ליצור כעת ליד-net-shape חום עם סיבים אופטיים עבור לוחות הגנה אופטימליים.

רובוטיקה וטייפה

עבור רכיבים צילינדיאליים כמו דיור מוטורי או כיסויי סוללה, פילאמנט רובוטי של סיבי קרמיקה או פחמן יכול לייצר מבנים קלים, חזקים. הסיבים הם מאוגדים עם resin מבשר קרמיקה ולאחר מכן לפצוע על מנדלד, ואחריו pyrolysis וחטא.טכניקה זו היא מדרגית וניתן אוטומטית, מה שהופך אותה מתאימה לייצור המוני של חום עבור מטוסים חשמליים.

עקבו אחרי Thermal Coatings

סגסוגת שכבת אטומית (ALD) וטכניקות הגלסול משמשים כדי ליישם אולטרה-תאין, ציפויי מחסום תרמי תואמים על משטחים מורכבים. ALD מאפשר שליטה מדויקת של עובי ציפוי למטה לשכבת האטום, המאפשר מחסנים רב שכבתיים המשקפים אורכי גל אינפרא אדום ספציפיים.זה יכול להפחית את החום נספג על ידי מסגרת האוויר עד 30% ללא תוספת משקל משמעותי.

אסטרטגיות אינטגרציה: Passive and Active Thermal Management

מגן חום אינו פועל בבידוד.יש לשלב עם מערכת ניהול התרמית הכוללת של המטוס, אשר עשוי לכלול קירור נוזלי, צינורות חום או שינוי חומרים.

מערכות פאסיביות: Aerogels ו-שלב Change Materials

עבור אזורים דלת-חום-flux כגון ערכות סוללות, מערכות פסיביות באמצעות שמיכה אווירוגליל או לוחות מבוססי אותנטיות מבוססים הם יעילים.שלב שינוי חומרים (PCMs) כמו paraffines או מלחים ניתן לטבול בתוך מגן השעווה. כמו הטמפרטורה עולה, PCMs, סופג כמויות גדולות של חום מאוחר ללא עלייה משמעותית זה מספק חיץ עבור טמפרטורות קצרות יותר, אבל עלייה מהירה יותר כמו גשמים / 0.

מערכות Active Systems: Microchanneling and HeatPipes

באזורים עם פלוקס חום מתמשך (למשל, רוח מוטורית), קירור פעיל הוא הכרחי. מערכות קירור מיקרו ערוצים - במעברים מעוטים מתכת או מגיני חום קרמיקה - מאפשר זרימה קרירה להסיר חום ישירות. כאשר בשילוב עם מגן חום קל משקל נעשה מ CMC, המערכת הכוללת יכול להתמודד עם מעל 10 קילוואט /2 של חום עם משקל מינימלי של צינורות הם אופציה נוספת, באמצעות ציפוי קירור מטווחים קירור מקרנים.

מבנה רב-תפקודי

המטרה הסופית היא לשלב הגנה תרמית עם עומס מבני.מגן חום רב תפקודי יכול גם לשאת עומסים אווירודינמיים, אנטנה ביתית, או אפילו לשמש סוללה מבנית. חוקרים באוניברסיטת שטוטגרט פיתחו מטבול פחמן-סמל המורכב שפועל גם מגן חום וגם סוללה חשמלית, עם aode מוטבע בסיבים כאלה, אם כי בשלב מוקדם, לעבר עתיד שבו חום הם עוד מגינים, אך לא תכונה נוספת.

אתגרים ודרכים קדימה

למרות התקדמות מהירה, כמה מהמכשולים נותרו לפני שמגן חום קל משקל הופך לסטנדרט במטוסים חשמליים.

• (FLT:0) Cost ו Scalability:FLT:1ir קרמיקה מודפס 3D עדיין לשאת עלות גבוהה לכל ענישה, לעתים קרובות כמה מאות דולרים פאונד עבור מטוסים אזוריים הדורשים מאות לוחות, עלויות חייב לרדת על ידי סדר גודל.התקדמות מראש אוטומטית מראש מראשית מטוסים מבטיח אך עדיין לא מוכח בקנה מידה.
• (FLT:0) אחריות מתחת ל-Thermal Cycling:cioFLT ( 1 אלקטריק מטוסים) יעברו אלפי מחזורים - השתתפות, שיוט, נחיתה - כל גורם להתרחבות תרמית ו. דחוסים Ceramic הם מתפתלים ועשויים לפתח מיקרו-קאקרים לאורך זמן.
• (FLT:0) התנגדות סביבתית:FLT:1 High-altitude Act חושף מגן חום לקרינת UV, אוזון ולחות. Silica aerogels degrade במהירות אם לא טיפול הידרופובי באופן הידרופואלי. parylene ציפויים ו-sol- גל לחות שיפרו התנגדות, אבל נתונים לטווח ארוך הם מוגבלים.
• (ב) .0.Certification and Standards:FLT:1 No Airworthness Standards עדיין קיים במיוחד עבור מגיני חום קלים במטוסים חשמליים. יצרנים חייבים לעבוד עם סוכנויות כמו FAA ו-EASA כדי לפתח שיטות מבחן לביצועים תרמיים, התנגדות אש והשפעה סובלנות.
• (FLT:0) Thermal Runaway Containment: (FearLT:1) במקרה של כשל סוללה, מגן החום חייב למנוע התפשטות של מפלט תרמי לתאים הסמוכים ולמבנה.זה דורש לא רק בידוד תרמי אלא גם לחץ על venting ודיכוי להבות.מגינים חום Composite עם שכבות בלתי מוגבלות כי שחרור וערעור אש הם אזור פעיל של מחקר.

שיתוף פעולה בין דיסציפלינות הוא צובר פתרונות.ה-FLT:0NASA Aeronautics Research Mission DirectorateFLT:1 מימון פרויקטים על הגנה תרמית רב פונקציונלית, בעוד חברות כמו מלטה Inc. מפתחים קווי ייצור נמוכים של CMC.

השפעה על עיצוב מטוסים חשמליים וביצועים

שילוב מוצלח של מגיני חום משקל, ביצועים גבוהים יחשפו אפשרויות עיצוב חדשות עבור מטוסים חשמליים.

• (FLT:0) טווח מבוזר ו- Payload: ההרחבה 1 (הההתמ"ל) כל קילוגרם שנשמר בהגנה תרמי יכול להיות מומר לקיבולת הסוללה או להשכיר.עבור מטוס אזורי חשמלי טיפוסי של 19-מטען, צמצום משקל מגן החום על ידי 100 ק"ג יכול להגדיל את טווח עד 15% או לאפשר מושב נוסף.
• (FLT:0) גבוה יותר Cruise Speeds: FLT:103 עם ניהול חום יעיל, מטוסים חשמליים יכולים לטוס מהר יותר ללא חימום רכיבים קריטיים.זה חשוב במיוחד עבור כלי רכב eVTOL כי צריך לעבור בין מרחף לטיסה קדימה, שבו עומסי מנוע משתנים באופן דרמטי.
• (FLT:0) שיפור הבטיחות מרג'ינס: ההרחבה של מגיני חום מתקדמים מספקים ריצוף.גם אם מערכת קירור נכשלת, מגן החום הפסיבי יכול לשמור על טמפרטורות בטוחות במשך כמה דקות, ומאפשר זמן לנטישה חירום.
• (FLT:0) יותר Aeroדינמית Shapes:FLT:1 משקל אור, מגן חום תואם מאפשר משטחים חלק יותר, אווירודינמי יותר ללא בידוד מסיבי שנמצאו במטוסים קונבנציונליים.
• (FLT:0simpler Cooling Systems:FLT:1) מגן חום טוב יותר יכול להפחית את הגודל והמורכבות של לולאות קירור פעיל, הורדת תחזוקה ומשקל. כמה עיצובים עלולים לחסל קירור נוזלי לחלוטין עבור רכיבים מסוימים.

מחקר שנערך על ידי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) מעריך כי החלפת מגיני חום מתכתיים מסורתיים עם תרכובות CMC / aerogel ממותגות בעיצוב eVTOL טיפוסי יכול לחסוך 12% מהמשקל הריק הכולל, צמצום צריכת האנרגיה ב 8% לשעה טיסה.

תחזית: Multifunctional and Sustainable Heat Shields

במבט קדימה, ההתפתחות הטרנספורמציה ביותר תהיה מגיני חום רב-תפקודיים שתורמים באופן פעיל לביצועי מטוסים.

• (FLT:0) Thermal-Energy Harvesting Shieldssib:FLT ( 1:1 שימוש בחומרים תרמואלקטריים משובצים במגן כדי להמיר חום פסולת לחשמל, כוח של מערכות אצילות. אבטיפוס ראשוני מראה יעילות סביב 5–8%, אשר יכול לשחזר 100-200 W ב eVTOL טיפוסי.
• (FLT:0)Self-Sensing and Damage Detection:BuildFLT) 1 מגן חום כלי עם חיישני סיבים אופטיים או רשתות התנהגותיות יכול לזהות ⁇ טמפרטורה, מומים, או השפעות.זה מאפשר תחזוקה מבוססת מצב ולא מרווחים קבועים.
• (FLT:0)Bio-Inspired Design: FIRLT:1 Structures מחקים אורנוסים או פגזים טפילים כי פתוח באופן פסיבי קרוב להסדיר את זרימת החום, שילוב מאפיינים פסיביים ופעילים ללא חלקים נעים.
• (FLT:0) חומרים בלתי אפשריים:FLT:1igived aerogels (למשל, מ- resorcinol-formaldehyde או cellulose) וסיבים פחמן ממוחזרים עבור CMCs מפותחים כדי להפחית את טביעת הרגל מחזור חיים.

לסיכום, העתיד של קל משקל, ביצועים גבוהים של מגינים חום עבור מטוסים חשמליים הוא בהיר.ההתכנסות של חומרים מתקדמים, ייצור תוספת ועיצוב חכם מניב פתרונות כי הם גם קלים יותר ומסוגלים יותר מכל דבר אפשרי עם מתכות קונבנציונליות. חידושים אלה לא רק לשפר את הבטיחות והיעילות, אלא גם יאפשר תצורה חדשה לחלוטין של מטוסים, מרחפנים ארוכי טווח ועד למונית אווירית מהירה.