تواجه المركبات الفرط صوتية - تلك التي تسير بسرعة ماخ 5 وما فوق - واحدة من أقسى البيئات في الطيران: حيث يؤدي الاحتكاك الجوي إلى تسخين أسطحها إلى آلاف الدرجات. وتتطلب حماية الإلكترونيات الحساسة والحفاظ على السلامة الهيكلية أنظمة تبريد متطورة. لكن أجهزة الإدارة الحرارية الحالية ثقيلة وضخمة، وغالبًا ما تكون عاملاً مقيدًا لأداء المهمة. يطور مهندسون في مختبر الفيزياء التطبيقية (APL) بجامعة جونز هوبكنز نوعًا جديدًا من المبددات الحرارية يمكن أن يكون تغييرًا جذريًا، باستخدام التصنيع المضاف ومواد تغيير الطور لتقليل حجم ووزن نظام التبريد بأكثر من 50 بالمائة.
الاختناق الحراري للطيران الفرط صوتي
عند السرعات الفرط صوتية، لا يمر الهواء حول المركبة ببساطة - بل ينضغط ويسخن ويتفاعل كيميائيًا. يمكن أن يؤدي التسخين الديناميكي الهوائي الناتج إلى رفع درجات الحرارة إلى ما يتجاوز 2000 درجة مئوية على الحواف الأمامية، بينما قد تفشل إلكترونيات الطيران الداخلية إذا تجاوزت بضع مئات من الدرجات فقط. غالبًا ما تكون حلول التبريد التقليدية مثل حلقات التبريد النشط أو الألواح الباردة المبردة بالسائل كبيرة جدًا أو ثقيلة جدًا بالنسبة للمنصات الانسيابية السريعة. كما أنها تستهلك طاقة ثمينة وتضيف تعقيدًا.
التحدي حاد بشكل خاص بالنسبة للصواريخ الفرط صوتية الصغيرة والمركبات الاعتراضية والطائرات التجريبية التي تعمل بمحركات التنفس الهوائي، حيث كل كيلوغرام مهم. المركبة التي تفقد وزن أجهزة التبريد يمكنها حمل المزيد من الوقود أو الحمولة أو الطيران أبعد وأسرع. لهذا السبب جذبت جهود APL لدفع مبدد حراري مدمج وخفيف الوزن الانتباه عبر دوائر الطيران والدفاع.
كيف تعمل المبددات الحرارية بتغيير الطور
تمتص مواد تغيير الطور (PCMs) كميات كبيرة من الحرارة أثناء انتقالها من الحالة الصلبة إلى السائلة، وتعمل مثل الإسفنج الحراري. على عكس المبددات الحرارية العادية التي تقوم فقط بتوصيل الحرارة وتبديدها، يمكن لمواد تغيير الطور امتصاص الحرارة دون ارتفاع كبير في درجة الحرارة. هذا يجعلها مثالية للأحداث عالية الحرارة وقصيرة المدة مثل الاندفاع الفرط صوتي.
يقوم مبدد حراري نموذجي قائم على مواد تغيير الطور بتضمين المادة في هيكل معدني، غالبًا من الألومنيوم أو النحاس. عندما تسخن المركبة، تذوب مادة تغيير الطور، وتخزن الطاقة الحرارية وتحافظ على الإلكترونيات المرفقة تحت درجات حرارة حرجة. لكن تغير الحجم أثناء الذوبان، والتوصيل الحراري المنخفض للعديد من مواد تغيير الطور، والحاجة إلى احتواء قوي، حدت تاريخيًا من تطبيقها.
التصنيع المضاف كتغيير جذري
يكمن ابتكار APL في كيفية صنع المبدد الحراري. باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن للمهندسين إنشاء أشكال هندسية داخلية معقدة يستحيل تحقيقها بالتصنيع التقليدي. يمكن ضبط هذه البنى الدقيقة لتحسين تدفق الحرارة، وإدارة تمدد مادة تغيير الطور، ودمج ميزات تزيد من مساحة السطح وتحسن الأداء الحراري.
كما يبسط التصنيع المضاف التكامل. في النظام المصنع تقليديًا، يجب تشكيل المبدد الحراري بشكل منفصل، وإغلاقه، وتوصيله بمصدر الحرارة. في تصميم APL، يمكن طباعة المبدد الحراري، واحتواء مادة تغيير الطور، ونقاط التوصيل كهيكل واحد متكامل. هذا يقلل من الوصلات ومسارات التسرب المحتملة ووقت التجميع. كما يتيح أن يكون المبدد الحراري مطابقًا للشكل - مشكلًا ليتناسب مع المساحة المتاحة داخل المركبة الفرط صوتية بدلاً من إجبار المصممين على تكييف تخطيطهم حول صندوق غير فعال حراريًا.
توفير الوزن والحجم
وفقًا للباحثين، يقلل النهج الجديد من الحجم والوزن بأكثر من 50 بالمائة. هذا التخفيض مهم لأن التبريد يمكن أن يمثل حصة كبيرة من الحجم الداخلي للمركبة الفرط صوتية. استبدال لوحة باردة قياسية بمبدد حراري بتغيير الطور يشغل نصف المساحة يحرر مساحة لأنظمة التوجيه أو الرؤوس الحربية أو الوقود. وبالمثل، فإن خفض وزن نظام الإدارة الحرارية إلى النصف يمكن أن يتيح حمولة أكبر أو يمدد المدى.
كما يبحث الفريق في استخدام مواد تغيير الطور المعدنية، التي توفر توصيلًا حراريًا أعلى من الشموع العضوية ويمكن أن تعمل في درجات حرارة أعلى. هذه المواد، جنبًا إلى جنب مع البنى الدقيقة المطبوعة التي توفر مسارًا عالي التوصيل من المكون الساخن إلى مادة تغيير الطور، تعد بأداء أكبر.
الاختبار والتحقق
الاختبارات المعملية ضرورية لإثبات أي تقنية حرارية. أفاد مهندسو APL أنهم عرضوا المبددات الحرارية المطبوعة ثلاثية الأبعاد لمحاكاة ملفات التسخين الفرط صوتية، وقاسوا مدى نجاحها في الحفاظ على الإلكترونيات الاختبارية المرفقة ضمن حدود درجة الحرارة الآمنة. يقال إن النتائج الأولية تطابق نماذج الكمبيوتر، التي تتنبأ بدقة بأوقات امتصاص الحرارة ومعادلة درجة الحرارة.
يستخدم المختبر أيضًا التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية وتقنيات فحص أخرى للتحقق من أن القنوات والشبكات الداخلية مطبوعة كما هو مصمم. أي عيب مجهري في الطباعة يمكن أن يضر بالأداء الحراري أو يؤدي إلى الفشل أثناء الاهتزاز الشديد والصدمة الحرارية. من خلال الجمع بين مراقبة الجودة الصارمة والتصميم المضاف، تقترب APL من أجهزة جاهزة للطيران.
ما بعد الفرط صوتية: تطبيقات دفاعية أوسع
في حين أن المركبات الفرط صوتية هي الدافع المباشر، يمكن أن تفيد التقنية الأساسية أنظمة أخرى تتعرض لتسخين شديد عابر. يمكن للمركبات الفضائية القابلة لإعادة الاستخدام استخدام مبددات حرارية مطبوعة بتغيير الطور على حوامل المشغلات وحجرات إلكترونيات الطيران. يمكن للإلكترونيات عالية الطاقة على الطائرات والأقمار الصناعية والسفن البحرية أن تشهد أيضًا توفيرًا في الوزن والمساحة. تبحث صناعة الدفاع والطيران دائمًا عن طرق لحزم المزيد من القدرات في حزم أصغر وأخف.
يجب على الصواريخ الاعتراضية للدفاع الصاروخي التي تناور بسرعات فرط صوتية داخل الغلاف الجوي أن تبدد الحرارة أثناء تغيير مسارها. المبدد الحراري خفيف الوزن الذي لا يتداخل مع أسطح التحكم الديناميكي الهوائي هو عامل تمكين قيم لمثل هذه الأنظمة. حتى بالنسبة للمنصات الأبطأ التي تفوق سرعتها سرعة الصوت، فإن فوائد الكفاءة الحجمية والنمطية جذابة.
نهج هجين
يقال إن APL تستكشف استراتيجيات تبريد هجينة تجمع بين المبددات الحرارية بتغيير الطور وطرق أخرى. على سبيل المثال، استخدام تدفق سائل رقيق لإزالة الحرارة أثناء التشغيل المستقر، ثم التحول إلى ذوبان مادة تغيير الطور أثناء القمم العابرة عالية النبض. يمكن أن يدعم مشعب مطبوع ثلاثي الأبعاد كلا الوضعين في هيكل واحد متكامل. يمكن لمثل هذه الأساليب الهجينة التعامل مع كل من ظروف الانطلاق والاندفاع في العروض التوضيحية الفرط صوتية المستقبلية.
علاوة على ذلك، تسمح مرونة تصميم التصنيع المضاف للمهندسين بتخصيص الخصائص الحرارية للمبدد الحراري لاتجاه الجاذبية أو التسارع. في مركبة فرط صوتية تخضع لمناورات عالية الجاذبية، يمكن إدارة حركة مادة تغيير الطور المنصهرة بواسطة هياكل شعرية تبقيه في مكانه. يمكن تصميم ألياف وحواجز ماصة مطبوعة للعمل في أي اتجاه أو تحت تسارع عالٍ.
من المقعد إلى الطيران
أخذ تقنية جديدة من مقعد المختبر إلى مركبة ماخ 5 ليس بالأمر الهين. يجب أن يتحمل المبدد الحراري الاهتزاز والصدمات وتدرجات الضغط الشديدة. يجب أن يكون متوافقًا مع الوقود والهيدروليك ومواد النظام الأخرى. ويجب أن يفي بمعايير الموثوقية الصارمة.
من المتوقع أن تواصل مجموعة APL الاختبارات البيئية في المراحل التالية، بما في ذلك التدوير الحراري تحت الفراغ أو في الغاز عالي الضغط. في النهاية، يمكنهم اختبار المبدد الحراري في رحلة على مركبة اختبار فرط صوتية، إما كتجربة مخصصة أو كجزء من منصة إلكترونيات أكبر. إذا نجح، يمكن أن يصبح المبدد الحراري المطبوع ثلاثي الأبعاد بتغيير الطور خيارًا قياسيًا لبرامج الفرط صوتية المستقبلية.
آثار على أنظمة الطيران المستقبلية
الوعد بتخفيض بنسبة 50٪ أو أكثر في حجم ووزن نظام التبريد يغير حسابات مصممي المركبات. قد يسمح لصاروخ فرط صوتي مضغوط يُطلق من الجو بحمل باحث أكثر قدرة أو مجموعة إجراءات مضادة أفضل. يمكن أن يساعد طائرة بحثية فرط صوتية غير مأهولة في حزم المزيد من الأدوات في جسم صغير. للوصول إلى الفضاء، يمكن استخدام مبدد حراري مطبوع بتغيير الطور لتبريد إلكترونيات الطيران في معزز قابل لإعادة الاستخدام أثناء إعادة الدخول.
انتشار الابتكار
التصنيع المضاف جنبًا إلى جنب مع مواد تغيير الطور هو مثال ممتاز لكيفية تأثير الابتكارات في مجال واحد عبر الصناعات. يمكن تطبيق نفس الهياكل الشبكية المطبوعة على البطاريات الحرارية أو تخزين الطاقة الشمسية الحرارية أو حتى التحكم في مناخ المباني على الأرض. يستكشف قطاع الطاقة، على سبيل المثال، مواد تغيير الطور لتخزين الحرارة من محطات الطاقة الشمسية خلال ساعات خارج الذروة. يمكن للحاوية المطبوعة خفيفة الوزن وعالية التوصيل تحسين كفاءة أنظمة التخزين هذه.
لا يزال بحث فريق APL قيد التطور، لكن المفهوم الأولي أثار اهتمامًا كبيرًا بين مقاولي الطيران الرئيسيين ومخططي الدفاع. الحفاظ على ميزة تنافسية في الفرط صوتية هو على جدول أعمال عسكري للعديد من الدول، والإدارة الحرارية جزء حاسم. الابتكارات التي تقلص بشكل كبير حجم ووزن أنظمة التبريد يمكن أن تساعد في تمكين مركبات فرط صوتية أسرع وأطول مدى وأكثر قدرة على المناورة.
في عصر حيث تبدو التحديات الهندسية غالبًا أنها تتطلب حلولًا غريبة ومبالغًا في هندستها، يوضح هذا النهج أن مزيجًا ذكيًا من المواد والتصنيع - باستخدام الفيزياء المعروفة وإمكانيات الطباعة ثلاثية الأبعاد الجديدة - يمكن أن يحقق مكاسب كبيرة. بينما لا يزال هناك المزيد من العمل قبل أن تطير هذه المبددات الحرارية بسرعات فرط صوتية، فإن الاتجاه واضح: مستقبل الطيران عالي السرعة سيُبنى مع مبتكرين يمكنهم تبريد الأشياء والحفاظ على خفتها.
هذا المقال مبني على تقارير من Interesting Engineering. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on interestingengineering.com