خنک‌کننده‌های مایع برای سیستم‌های اویونیک آینده

نسل آینده جت‌های مسافربری، هواپیماهای نظامی و هواگردهای عمودپرواز از انرژی الکتریکی بسیار بیشتری استفاده می‌کنند که نتیجه آن افزایش چگالی مصرف انرژی خواهد بود. این چگالی زیاد منجر به تولید گرمای زیاد می‌شود و این مسأله یکی از چالش‌های طراحان هواپیماهای آینده است. سیستم‌های الکترونیکی همچون رادار، سیستم‌های کنترل سلاح و سیستم کنترل پرواز از مهم‌ترین منابع تولید گرما محسوب می‌شوند و این گرمای تولیدی باید به طریقی از پنل‌های تجهیزات و کابین هواپیما دفع شود. چالش طراحان هواپیما این است که کامپوزیت‌های بکار رفته در بدنه تجهیزات و هواپیما معمولا رسانای خوبی برای گرما محسوب نمی‌شوند. بنابراین باید از ابزارهای جایگزین برای استخراج گرما از داخل تجهیزات اویونیک استفاده کرد. در حال حاضر بسیاری از سیستم‌های اویونیک هواپیماهای مسافری و نظامی از روش انتقال حرارت با هوا در مکانیزم خنک‌سازی خود استفاده می‌کنند.

روش‌های خنک‌کنندگی با مایعات در مقایسه با سیستم‌های خنک‌کننده هوا دارای مزیت‌هایی از جمله سرعت انتقال حرارت بسیار بالاتر هستند. همچنین باید به این واقعیت اشاره کرد که از طریق مایعات می‌توان حرارت را به فواصل بسیار زیادی از محل تولید آن انتقال داد. با این حال باید گفت روش‌های خنک‌سازی با مایعات نیز چالش‌های خاص خود را دارد. معماری تجهیزات اویونیک بخصوص در بخش صفحات خنک‌کننده باید متناسب با این روش‌ها بهینه‌سازی شوند و از سوی دیگر حرکت مایعات نیازمند ابزاری مثل لوله، پمپ، شیرآلات و مبدل‌های حرارتی است. این تجهیزات اضافی به معنای افرایش وزن، اندازه و توان مصرفی (SWaP) در هواپیما است.

البته باید یادآور شد که ایده استفاده از مایعات به عنوان سیستم خنک‌سازی طرحی جدید محسوب نمی‌شود و سوخت به عنوان گرماگیر (Heat Sink) اصلی در بسیاری از پلتفرم‌های نظامی محسوب می‌شود. در اواخر دهه 1960 میلادی بود که ایده استفاده از سوخت یک هواپیما به عنوان گرماگیر توسط شرکت ژنرال الکتریک مطرح شد.

خنک‌کننده‌های مایع برای سیستم‌های محاسباتی اویونیک

آقای ایوان استرازنیکی مدیر اداره فناوری شرکت کورتیس‌رایت در رابطه با مسأله مدیریت گرما و چالش‌های اضافه دما اشاره می‌کند که ارائه هر نسل جدید از تراشه‌های پردازنده و FPGA منجر به قابلیت‌های جدیدی می‌شود که نتیجه آن افزایش در توان مصرفی و گرمای تولیدی وسط سیستم‌ها است. در 20 سال قبل یک کارت با ابعاد 6U حدود 20 وات توان مصرف می‌کرد؛ اما اکنون یک چنین کارتی تا بیش از 200 وات توان الکتریکی نیاز دارد. طبق گفته آقای استرازنیکی، هر چند منبع اصلی گرما از تراشه‌های پردازنده است، اما همچنان این دمای زیاد باید در سطح بوردها، شاسی و سیستم دفع شود.

به‌طور سنتی تامین‌کنندگان سیستم‌های تعبیه‌شده مسأله مدیریت دما در طراحی اویونیک را با روش‌هایی همچون هدایت دما در سطح ماژول و کارت‌ها دنبال می‌کنند. در این نوع روش، گرما از طریق صفحه‌ای فلزی به یک سیستم خنک‌سازی با هوا یا مایع منتقل می‌شود.

یک روش مدرن دیگر برای خنک‌سازی خودکار سیستم‌های اویونیک استفاده از روش خفه‌کردن پردازش‌ها است. در این رویکرد طراحان با استفاده از سیستم‌عامل و ابزار نرم‌افزاری یک آستانه برای دمای تراشه‌ تعیین می‌کنند و به محض رسیدن دما به این مقدار، به‌طور خودکار فرکانس پردازنده کاهش می‌یابد. برای مثال اگر برای یک پردازنده 3 گیگاهرتزی آستانه 100 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته شده باشد، هنگامی که دمای تراشه به نزدیک این عدد برسد فرکانس به 5/2 یا 25/2 گیگاهرتز کاهش می‌یابد.

با این حال روش‌های سنتی دیگر پاسخگوی نیاز صنعت نبوده و سیستم‌های محاسباتی اویونیک نیازمند روش‌های جدید برای کاهش دمای خود هستند. آقای استرازنیکی در این‌باره می‌گوید: «دلیل جذابیت بیشتر روش‌های خنک‌سازی جریان داخلی هوا (air flow through) و جریان داخلی مایع (liquid flow through) در برابر روش هدایت دما، نزدیکی بیشتر سیستم خنک‌کننده به محل تولید حرارت است. در این روش‌ها شما مقاومت حرارتی بسیار کمتری بین عنصر تولیدکننده گرما و سیستم خنک‌کننده نسبت به روش‌های سنتی هدایت دما خواهید داشت. ایجاد یک مسیر برای جریان هوا و مایع از کنار منبع تولید حرارت، مقاومت حرارتی را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.»

مقایسه روش‌های خنک‌سازی با هدایت دما (تصویر بالا) و جریان داخلی هوا (تصویر پایین)

مثالی از سیستم خنک‌سازی جریان داخلی هوا

در گذشته از روش‌های خنک‌سازی مایع در طراحی سیستم‌های اویونیک به ندرت استفاده می‌شد، اما امروزه این روش در بین صنایع هوایی و دفاعی بزرگ جهان همچون لاکهیدمارتین و نورث‌روپ گرومن از محبوبیت زیادی برخوردار است. یک مثال خوب برای استفاده از سیستم خنک‌کننده مایع در صنعت هوایی، جنگنده F-22 لاکهیدمارتین است. سیستم اویونیک این جت جنگنده دارای یک مکانیزم خنک‌کننده پیشرفته است که در آن از مایع پلی آلفا الفین (PAO) استفاده می‌شود. این ماده یکی از رایج ترین روغن‌های صنعتی مصنوعی است که در صنایع خودرویی کاربرد زیادی دارد. در جنگنده F-22 این ماده توسط سیستم خنک‌کننده داخل تجهیزات ماموریت- بحرانی کابین خلبان به چرخش در آمده و سپس برای خنک‌سازی حسگر‌های تعبیه‌شده، به داخل بال‌های هواپیما پمپ می‌شود.

طرح ساده‌ای از سیستم خنک‌کننده مایع در جنگنده F-22

در این طراحی پیش‌بینی شده است که تجهیزات ماموریت- بحرانی جنگنده در دمای مطلوب 68 درجه فارنهایت (20 درجه سلسیوس) قرار گیرند. این سیستم خنک‌کننده به صورت یک حلقه بسته عمل می‌کند که در آن تانکر سوخت و محتوای آن نیز نقش یک گرماگیر را ایفا می‌کنند. به منظور دستیابی به اهداف این مکانیزم، بخش‌های مختلف سیستم از جمله صفحات سرد، لوله‌کشی‌ها و مبدل‌های حرارتی باید به‌طور همزمان طراحی شوند. به منظور صحت‌سنجی این طراحی می‌توان از شبیه‌سازی‌های سه بعدی حرارتی استفاده کرد.

استاندارد جدید VITA 48.4 با تعریف یک روش خنک‌کننده مایع برای سیستم‌های ماژولار نصب شونده روی یک backplane، محبوبیت این مکانیزم خنک‌سازی را تا حد زیادی افزایش داده است. بر اساس مشخصات این استاندارد، ماژول‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که گرماگیر آن‌ها امکان به جریان افتادن یک مایع را در نزدیکی بوردها و تراشه‌های الکترونیکی فراهم می‌کند.

آقای استرازنیکی ضمن امیدواری به توسعه بیشتر روش‌های خنک‌کنندگی با مایعات اظهار داشت: «تا چند وقت گذشته تقاضای زیادی برای استفاده از این روش خنک‌سازی وجود نداشت، اما انتشار استاندارد VITA 48.4 باعث شده است تا تولیدکنندگان نگاه ویژه‌ای به آن داشته‌ باشند. مسأله دیگر توجه زیاد تولیدکنندگان اویونیک به تراشه‌ها و قطعات COTS است. آن‌ها منتظر هستند تا ابتدا سازندگان قطعات و ماژول‌های تجاری به استفاده از سیستم خنک‌سازی مایع در محصولات خود روی آورند.»

شرکت منتور گرافیک (از زیر مجموعه‌های زیمنس) یکی از شناخته‌ترین طراحان سیستم‌های خنک‌سازی مایع برای دستگاه‌های اویونیک محسوب می‌شود. این شرکت از یک شبیه‌ساز سه بعدی دینامیک سیالات برای ارزیابی‌های اولیه از سیستم خنک‌سازی و عملکرد آن در مقابل فعالیت‌های ماژول و بوردهای الکترونیکی استفاده می‌کند. از طریق این روش شرکت‌ می‌تواند حتی قبل از خرید و تهیه قطعات الکترونیکی و ساخت ماژول نهایی، وضعیت سیستم خنک‌سازی طراحی شده را مورد بررسی قرار دهد. هر چند مفاهیم طراحی مبتنی بر مدل سال‌هاست که مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما روش‌ پیشنهادی شرکت منتور نتایج بسیار دقیق‌تری را ارائه می‌دهد.

ارائه سیستم‌های خنک‌سازی مختلف توسط شرکت مرکوری برای بوردهای 6U OpenVPX

یکی دیگر از جنبه‌های مدیریت حرارت در صنعت هوایی، حل چالش‌های مربوط به آن در هواپیماهای مدرن الکتریکی آینده است. جایی که یک هواپیما می‌تواند بین 8000 تا 10000 وات ساعت برای فازهای برخاست و نشست خود مصرف کند. این حجم از انرژی الکتریکی که می‌تواند حرارت بسیار زیادی را تولید کند، خود یک عامل برای خرابی سیستم پیشران یا کاهش بازدهی آن است.

در پایان مجدد اشاره می‌کنیم آینده صنعت هوانوردی نشان می‌دهد که سیستم‌های اویونیک نیازمند طرح‌های نوین برای خنک‌سازی هستند و مطمئنا می‌توان از روش خنک‌سازی جریان داخلی مایع به عنوان یکی از راه‌کارهای مطلوب برای این چالش نام برد.