Table of Contents
התפקיד הקריטי של ניהול הירומל במטוסי מטוסים מודרניים
בתעופה המודרנית, הזינוק - החלק הזנב של מטוס - בתים חבילה של פועלים קריטיים ומערכות אלקטרוניות השולטות על מדרגות, מעליות, וייצובים. רכיבים אלה הם קומפקטיים יותר, חזקים, ארוזים בצפיפות, ומייצרים חום משמעותי במהלך פעולה.ללא ניהול תרמי יעיל, חום זה יכול לחדד ביצועים, לגרום להיכשל מוקדמת, ואפילו להוביל לאובדן קטסטרופלי של שליטה.
למה Cooling הוא בלתי-נשכח עבור מערכות Empennage
ההתגלמות היא סביבה מאתגרת ייחודית לניהול תרמי. Actuators - בין אם הידראולי, אלקטרומכאי או ⁇ אלקטרי - לייצר חום באמצעות הפסדים חשמליים, חיכוך, ו מולקולוס בנוזל הידראולי.אלקטרוניקה כגון מחשבי בקרת טיסה, נהגים משמרים, וממירי חשמל להוסיף עומסים תרמיים נוספים.
שיטות קירור מסורתיות: חיזוקים ומגבלות
במשך עשרות שנים, יצרני מטוסים התבססו על קומץ טכניקות קירור מבוססות.הבנת המורשת שלהם עוזרת להעריך מדוע דרושים פתרונות חדשים.
Air Cooling באמצעות וידוי דוקטס
אוויר מחוזק, נמשך מהבקתה או הסביבה הממוקדת, מכוון על מרכיבים לייצור חום. פשוט וקל משקל, שיטה זו עובדת היטב עבור עומסי חום בינוניים.עם זאת, במגום, פעמוני גילוח הוא פולשני מבנית ומוסיף צפיפות אווירית בגובה גם מקטין את יכולת החום שלה, מה שהופך אוויר פחות יעיל בגובה גבוה.
מערכות קירור נוזליות
קירור נוזלי סגור, באמצעות תערובת קרירות של מים וגליקול או נוזל dielectric, מציע הרבה מוליכות תרמית גבוהה יותר מאשר אוויר.חליפוrs חום לדחות חום לדלק או מעגל אווירי.בעוד יעיל, מערכות אלה להוסיף משקל משמעותי (pumps, צינורות, צינורות, צינורות, מאגרים), מורכבות (ניהול תרמי, משאבה), ותחזוקה (החלפת אווירית, קורוזיציה).
החלפה עם נקניקיות ו-Thermal Insulation
אלומיניום או נחושת חום שוקעת מגביר את שטח פני השטח עבור בידוד טבעי.התרמי מונעת התפשטות חום לרכיבים הסמוכים. הפתרונות האלה הם אפס כוח ואמין מאוד.אבל הם לעתים קרובות גדולים מדי כדי להתאים בתוך נפח זמין, וזיהום טבעי חלש באוויר בעלות נמוכה בגובה. כיור חום יכול גם לנהל חום למבנה המטוס, יצירת כתמים חמים במקום אחר.
בעוד שיטות מסורתיות אלה שירתו היטב עבור עיצובים מטוסים ישנים יותר, דרישות מודרניות - יותר נחיתות כוח, חשמל, חיסכון במשקל וצמצום תחזוקה - לדחוף אותם לגבולות שלהם.תעשיית החלל הופכת עכשיו לדור חדש של טכנולוגיות קירור.
פתרונות קירור חדשניים עבור מטענים ואלקטרוניקה
ההתקדמות האחרונה במדעי החומרים, מיקרו-תזונה, ושליטה יצרו חבילה של שיטות קירור חדשניות המותאמים למגבלות אווירו-מרחב.הסעיפים הבאים מפורטים את הגישות המבטיחות ביותר.
שינוי חומרים (PCMs)
חומרים לשינוי שלב סופגים אנרגיה תרמית במהלך מעבר מוצק-ל-לחוץ בטמפרטורה כמעט קבועה. על ידי הטמעת PCMs (למשל, שעווה פרפין, לחות מלח, או ⁇ מתכתית) ב matrix מוליכת מוליכים תרמי סביב אקטוטורים או מודולים אלקטרוניים, עומסי חום שיא ניתן לספוג. במהלך תמרונים גבוהים, PCM ממיס, אחסון מאוחר של מתחמי חום, מניעת מתחמי חום יציבים או טמפרטורה.
(FLT:0) Advantages:FLT:1 מלא פסיבי, לא חלקים נעים, אפס כוח parasitic. PCMs יכול להשתלב לוחות מבניים או מפיץ חום.התפתחויות האחרונות בתרכובות גרפיטי-PCM מורחבות שיפרו את ההתנהגויות התרמיות והעצבות, מניעת הדלפה במצב הנוזלי.
(FLT:0)Challenges:FLT:1 מוגבל אחסון קיבולת אחסון חום - פעם נמס, PCM לא יכול לספוג יותר חום עד שהוא מחדש solidifies. קצב דחיית חום במהלך דחיסה יכול להיות איטי. הברירה חומרית חייב לקחת בחשבון עבור החיסרון, רעילות, והקפאת אופניים בטווח הטמפרטורה הרחב של פעולות מטוסים (-55 מעלות צלזיוס ל +C ל-125 מעלות צלזיוס).
מיקרו ערוצים ל-Hy Exchangers
חילופי חום מיקרו ערוצים (MCHXs) מורכבים ממערך של ערוצים קטנים מאוד (בדרך כלל 100-1000 מיקרומטר בקוטר הידראולי) העוברים קרירה.יחס פני השטח הגדול-לכול מניב באופן יוצא דופן את התקני העברת חום גבוהים במיוחד.ביישומים empennage, MCHXs ניתן לרטו ישירות על דיור או מוטבעים במעגלים באמצעות תוספי ייצור או מיקרו-מדומים (Crechid) אפילו ביצועים חד-מדומים (Crephaative) או 2.
(FLT:0) Advantages: FLT:1 קומפקטי מאוד - קריר מיקרו ערוצים יכול להיות 10-20 פעמים קטן יותר מאשר כיור חום דומה אווירי.המסה נמוכה נפח מינימלי הם קריטיים בחלק הזנב הרגיש משקל. MCHXs יכול גם להיות משולב עם קירור דיאלקטרי כי זורם ישירות על אלקטרוניקה, לחסל את הצורך עבור חומרים תרמיים.
(ב) [ה]התעלים: [ה] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]][ה]]] [ה][דרוש]]]]] [ה[ה]]]]] [ה[ה]]] [הההההההההההההההההההתעלולה] [התעל-ה] [ה] [ה] [ה] [ה]]]] [ה[ה[ה]] [ה[הה]] [ה[ה[ה]]]] [ה] [ה[ה[ה[ה[ה]]]]]]]]]]]]] [ה[ה[ה[ה[ה[ה[ה[ה[ה[ה]]]]]]]]]] [ה[ה[ה[ה[ה]]]]]]]]]]]] [ה[ה[ה]]] [ה[ה[ה[ה[ה[ה[ה]]]]]]]]]]]]]]]]] [ה[ה
מכשירי קירור קוליים (Peltier Coolers)
קרירים אנדרומואלקטריים (TECs) משתמשים באפקט השכבה כדי להשקות חום מצד אחד של צומת מוליכים למחצה אל השני כאשר זרם DC הוא מיושם.הם הם מצב מוצק, שקט, ויכולים לספק קירור מקום לרכיבים ספציפיים (למשל, מעבד בקרת טיסה או חיישן רגיש). TECs מודרניים מעסיקים סגסוגת מספרים או kuudite מתקדם של חומרים פשוטים (COPD) ליד ביצועים קטנים של טמפרטורה 1.0.
(FLT:0) Advantages: 1FLT לא חלקים נעים, אפס רטט, טופס קומפקטי גורם. TECs יכול להיות מונע על ידי מערכת החשמל של המטוס נשלט עם פשוט דופק-width Modulation כדי לשמור על נקודות טמפרטורה מדויקת להגדיר נקודות. הם יכולים גם להפוך את הקוטביות כדי לספק חימום, שימושי עבור תנאים קר-soak בגובה.
(ב) COPD (FLT:0) צ'אלנגס: (FLT:1 COP יורד ככל הבדל הטמפרטורה על פני ה- TEC עולה. עבור עומסי חום גדולים, מספר TECs ב cascade נדרשים, צמצום היעילות וההוספת עלות.הצד החם של TEC עדיין צריך כיור חום או התפשטות, ופסולת חייבת להיות דחו - לעתים קרובות למבנה אווירי או חומרי תחת אמינות תרמיל.
Air Cooling: Synthetic Jets ו- EHD
מעבר לקירור אווירי פסיבי, עוברים אוויר פעילים ללא מעריצים מסתובבים הופיעו.סינתטיים סילון פועל להשתמש בדאוגזם רוטטיבי כדי ליצור מטוסי סילון אוצילטוריים שמשפרים את העברת החום המאוחדת.אלקטרו הידרודינמיקה (EHD) שואבים שדות חשמליים כדי להעביר אוויר דרך רוח איטונית.שני טכנולוגיות ניתן להדפיס על לוחות מעגלים או משולבים לתוך מחסנים, לספק אוויר מקומי ללא משקל, וחרדה.
(FLT:0) Advantages: 1FLT:1 Noנשאs או מנועים ללבוש, פרופיל נמוך מאוד (התאים למרחבי גילוח דקים), ויכולת להיות מכוונת בדיוק במקומות חמים.
(הופנה מהדף EF)0(Challenges:0) ,HalfLT:1 , שיפור העברת חום הוא צנוע בהשוואה להורדת קירור.ביצועים תלויים בתכונות נוזליות, אשר מסתכם בגובה גבוה.
מערכות קירור היברידיות והתאמה
אף שיטת קירור אחת היא אופטימלית עבור כל התנאים.עיצובים מודרניים משלבים יותר ויותר עקרונות מרובים.לדוגמה, כיור חום PCM יכול להתמודד עם עומסים טרנסיים, בעוד צלחת קר מיקרו-ערוצית מספקת דחיית חום רציפה ללחיצת דלק.כאשר ה- PCM הואשם במלואו, ניתן להפעיל זעיר TEC כדי לסייע solidification. חיישנים חכמים (זמן, לחץ, זרימה) להאכיל נתונים לניהול תרמי שמתאים, מאיצים, ממהירויות בזמן אמת או ממהירות בזמן TEC.
(הופנה מהדף LT:0) ,(FLT:1) הסתגלות של שלבי טיסה שונים (העלייה בטפס, הפלגה, הירידה, הירידה, משקל וכוח משמשים רק כאשר הם נדרשים.
דוגמה:0 (FLT:1 ; The Airbus A350 משתמשת במערכת ניהול תרמי מתוחכמת עבור מוצרי בקרת הטיסה שלה, המשלבת קירור דלק עם אוויר מאולץ.דור הבא עיצובים תחת מחקר של בואינג ואמברר משלבת חיישנים מבוססי MEMS וחילופי חום מבוססי תוספת ממין חומרים כדי למזער עוד מערכות היברידיות אלה.
חומרים חדשניים נהיגה ב- Cooling Performance
במקביל להתקדמות ברמת המערכת, חומרים חדשים מאפשרים העברת חום טובה יותר. Graphene ו- Carbon nanotube (CNT) מורכב מהתנהגויות תרמיות מעל 2000 W/mK בכמה אוריינטציות, הרבה מעל 400 W / mK של נחושת כאשר משמשים כחומרי ממשק תרמיים או בהתפשטות חום, הם יכולים להפחית באופן דרמטי את ההתנגדות דמוי יהלום (DLC) משפר חום מתפשט על פני השטח תרמיל (C) אבל יש צורך ב-cotic) כדי להפחית את התקני אחסון (מפלקס) עם זאת, אך ורק כדי להפחית את רמת תפקוד מגנטי (Ricial) של תאים מורכבים (Ricial) אבל עם זאת, אך ורק כדי להפחית את התקני אחסון (N) של תאים מתקדמים של תאים מתקדמים של תאים גמישים (D) עם התרחבות מגנטיים).
אתגרים ושיקולים רגולטוריים
פתרונות קירור חדשניים חייבים לעמוד בסטנדרטים של כשירות אווירי (DO-160, MIL-STD-810, RTCA) ויברציה אלקטרומגנטית (EMI), לחץ על גובה, ערפל המלח וטמפרטורות קיצוניות משפיעים על אמינות.לדוגמה, PCM אשר מבצע היטב במצב של תחזוקת מיקרו-הגנה עשוי להדליפה בגובה של 12,000 מ"מ בשל לחץ מופחת.
פרספקטיבה עתידית: מה שקרים
המסלול של טכנולוגיית קירור עבור ממריצים ונקודות אלקטרוניקה לעבר אדריכלות תרמית משולבת לחלוטין, אינטליגנטית. אדריבית ייצור - במיוחד אבקת לייזר היתוך - מאפשר יצירת של מחליף חום מורכב, טופולוגיה-אופטימי עם מבנים פנימיים של צמיגים כי יהיה בלתי אפשרי למכונה גנרטורים תרמואלקטריים דק-סרטים (TEG) יכול venge חום חום נמוך לכדי חיישנים דלקתיים חום-חום קטן, גם כן, הם לא יכול להפיץ חום-חום גדול.
(ההפצה של מטוסים, כולל חומרים היברידיים חשמליים וכל הנעה חשמלית, תגביר עוד דרישות קירור.ההמגמנט עשוי להחנות בקרים מנועים בעוצמה גבוהה עבור רוטרים חשמליים או מעריצים חשמליים מבוזרים, הדורשים מערכות קירור המטפלות בעשרות קילווואט כאן, שתי מערכות ניהול אדפטימציה - אלקטרוניקה ישירות בנוזל דיאלקטרי - עשוי להפוך לזמין, למרות שישנן בעיות נוספות של ניהול: 1.
מסקנה
קירור יעיל של ממריצים ואלקטרוניקה הוא אבן הפינה של בטיחות מטוסים מודרנית, ביצועים וארוכותיות. בעוד שיטות מסורתיות סיפקו בסיס מוצק, דחיפה לכיוון של נחיתות כוח גבוהות יותר, חשמל, והפחתה במשקל דורש חדשנות.שלב שינויים חומרים, החלפת חום מיקרו ערוצים, תרמילאים חשמליים, מטוסי סילון סינתטיים ומערכות היברידיות מציעים יתרונות ייחודיים והופכים להתאמה קשה של סביבת פיתוח יעיל יותר, ולהבטיח את האתגרים האפשריים שלהם, כדי לשפר את הפיתוח של מערכות מתקדמות יותר, כדי לשפר את החומרים שלהם.