في السنوات الأخيرة، تم إدماج اقتصاد الطيران منخفض الارتفاع في الخطط الوطنية للتنمية الاستراتيجية، وتُسجِّل صناعة الطائرات المُسيَّرة نموًّا سريعًا. وفقًا لبيانات من إدارة الطيران المدني الصينية، بلغ عدد الطائرات المُسيَّرة المسجَّلة في الصين ٣,٢٨٧ مليون وحدة بحلول نهاية عام ٢٠٢٥، ومن المتوقَّع أن يتجاوز إجمالي حجم السوق لاقتصاد الطيران منخفض الارتفاع تريليون يوان صيني بحلول عام ٢٠٢٦.
مع ارتفاع الطائرات المُسيَّرة وابتعادها أكثر وأطول مدةً في الجو، تزداد متطلبات استقرار الأنظمة الإلكترونية المركَّبة عليها صرامةً بشكلٍ متزايد. وبسبب التكامل العالي للأنظمة الفرعية مثل التصوير بالأشعة تحت الحمراء، وبطاريات الليثيوم عالية الأداء، ونظام التحكم في الطيران، ووحدات الاتصال، أصبح تراكم الحرارة خطرًا جسيمًا يؤثر على سلامة الطيران.
عندما تواجه أنظمة التبريد الهوائي التقليدية صعوبةً في التعامل مع الحمل الحراري، بينما تُعتبر أنظمة التبريد السائلة غالبًا ثقيلةً ومعقدةً جدًّا، فإن تقنية التبريد الحالة الصلبة الهادئة والفعَّالة للغاية—والمُعرفة بتبريد الوحدة الحرارية الكهربائية (TEC)—تبرز كحلٍّ واعدٍ لإدارة الحرارة في الطائرات المُسيَّرة.
ربما تكون قد رأيت ظاهرةً مذهلةً: فعند تغذية وحدة حرارية كهربائية صغيرة بتيار مستمر، تبرد إحدى جهتيها بسرعةٍ وتتكوَّن عليها طبقة من الصقيع أحيانًا، بينما تسخن الجهة الأخرى.
يستند هذا إلى "أثر بيلتييه"، الذي اكتشفه الفيزيائي الفرنسي جان شارل أثاناس بيلتييه عام ١٨٣٤. وعندما يمر تيار كهربائي مستمر عبر دائرة كهربائية مؤلفة من مواد شبه موصلة من النوع N والنمط P، فإن الإلكترونات تنقل الحرارة من جانب إلى الآخر، مما يؤدي إلى امتصاص الحرارة وإطلاقها في الوقت نفسه.
وتتكوّن وحدة حرارية كهربائية (TEC) من عدة أزواج حرارية كهربائية متصلة على التوالي، ما يسمح بالتحكم الدقيق في درجة الحرارة ضمن نطاق واسع يبلغ تقريبًا من –١٣٠°م إلى ١٥٠°م. ويمكن تحقيق التسخين والتبريد ببساطة عن طريق عكس اتجاه التيار.
وبالمقارنة مع الأنظمة التقليدية القائمة على الضواغط وحلول التبريد السائلة المعقدة، تقدم تقنية الوحدات الحرارية الكهربائية (TEC) عدّة مزايا رئيسية لتطبيقات الطائرات المُسيَّرة:
حالة صلبة مقاومة للاهتزازات: لا تحتوي على أجزاء متحركة، مما يضمن تشغيلًا هادئًا وموثوقًا للغاية في ظل الاهتزازات والصدمات.
التحكم الدقيق في درجة الحرارة: زمن استجابة سريع، ما يمكّن من تنظيم درجة الحرارة بدقة تصل إلى أقل من ٠٫٠١°م في بعض التطبيقات.
تصميم صغير الحجم وسهل التكامل: هيكل بسيط، مثالي لمنصات الطائرات المسيرة المقيَّدة من حيث المساحة والوزن.
صديقة للبيئة: لا يتطلب استخدام مواد تبريد؛ إذ يُمكِّن وحدة واحدة فقط من التبريد والتسخين معًا عن طريق عكس اتجاه التيار.
إن تطبيق وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC) في الطائرات المسيرة لا يقتصر على نظام فرعي واحد، بل يشمل النظام الحراري الكامل المحمول على متن الطائرة وأنظمة الدعم الأرضية.
يُعَدّ الليدار مستشعرًا أساسيًّا في الطائرات المسيرة الصناعية المستخدمة في أعمال المسح والتفتيش والأمن. وفي أنظمة رادار الليزر، يعتمد طول موجة الإشعاع المنبعث من ثنائيات الليزر أشباه الموصلات اعتمادًا قويًّا على درجة حرارة الوصلة: فمع كل زيادة بمقدار ١°م، يزاح الطول الموجي عادةً بمقدار ٠٫٢–٠٫٣ نانومتر.
ويمكن أن يؤدي هذا الانزياح في الطول الموجي إلى خروج إشارة الاسترجاع عن نطاق مرشح الضوء ذي النطاق الضيق، ما يؤدي إلى فشل القياس تمامًا. ولذلك فإن استقرار الطول الموجي يُعَدُّ شرطًا وظيفيًّا وليس مجرد تحسينٍ للأداء.
تتفاوت نطاقات درجات الحرارة التشغيلية لأنظمة الليدار باختلاف التصميم والتطبيق، وعادةً ما تكون بين –40°م و85°م.
التبريد الكهروحراري (TEC) هو حلٌّ عتادي رئيسي للحفاظ على استقرار طول موجة ديود الليزر في أنظمة الليدار. وتشمل التحديات الهندسية التحكم في درجة الحرارة بدقة تصل إلى جزء من الملي كلفن، وإدارة الحرارة المُنتَجة في المكونات البصرية، بل وحتى التبريد المتعدد المراحل لتطبيقات ضبط الطول الموجي.
تُعَدُّ البطاريات عاملاً رئيسياً يحد من مدة تشغيل الطائرات المُسيَّرة. وفي البيئات شديدة الحرارة، قد تتعرض بطاريات الليثيوم-أيون لمشاكل مثل ارتفاع درجة الحرارة أو الانتفاخ أو الانفجار الحراري. أما في درجات الحرارة المنخفضة دون –10°م، فقد تنخفض السعة القابلة للاستخدام بنسبة تصل إلى ٣٠٪.
يمكن دمج أنظمة التبريد الكهروحراري (TEC) في نظام إدارة البطارية (BMS) لتوفير تنظيم حراري نشط: التبريد عند ارتفاع درجات الحرارة بشكلٍ مفرط، والتسخين عند انخفاضها بشكلٍ مفرط. ويُحافظ هذا على البطارية ضمن نطاق التشغيل الأمثل الممتد من ٢٥ إلى ٤٠°م، ما يحسّن كلاً من عمرها الافتراضي وكفاءة الشحن/التفريغ.
وببساطةٍ عن طريق عكس اتجاه التيار، تتيح وحدات التبريد الكهروحراري (TEC) تحكّماً حرارياً ثنائي الاتجاه بسلاسةٍ تامة، بما يتوافق تماماً مع متطلبات التسخين والتبريد المزدوجة لأنظمة بطاريات الطائرات المسيرة.
في البيئات المرتفعة أو القاسية، يكتسب التشغيل المستقر لمتحكمات المحركات وأنظمة التحكم بالمحركات (Servo) أهميةً بالغة.
يمكن لوحدات التبريد الكهروحرارية أن تبدد الحرارة الناتجة عن الإلكترونيات القدرة أثناء التشغيل العادي، ثم تتحول إلى وضع التسخين في البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة وعلى الارتفاعات العالية، مما يضمن بقاء المكونات الإلكترونية ضمن ظروف التشغيل المثلى. ويؤدي ذلك إلى تعزيز موثوقية النظام بشكل كبير، مع الحد من القيود الصارمة المفروضة على التصميم البيئي.
تُعَدُّ محطات الطائرات المسيرة «محورًا أساسيًّا» لشحن هذه الطائرات ووقوفها في البيئات الخارجية. وتُحدِّد أنظمة التحكم في درجة الحرارة الداخلية فيها مباشرةً إمكانية تحقيق عمليات تشغيلية ذاتية بالكامل.
وفي فصل الصيف، قد تتجاوز درجات الحرارة الداخلية ٦٠°م، ما يؤدي إلى خفض كفاءة الشحن وزيادة المخاطر الأمنية. أما في فصل الشتاء، فإن انخفاض درجات الحرارة يقلل بشكل كبير من سعة البطارية.
يمكن للنظام القائم على وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC) أن يوفّر كلًّا من التبريد والتسخين ببساطة عبر عكس اتجاه التيار الكهربائي. وعند دمجه مع مستشعرات درجة الحرارة عالية الدقة وخوارزميات التحكم بالتناسبي التكاملي التفاضلي (PID)، يمكن تحقيق استقرار في درجة الحرارة ضمن مدى ±0.1°م.
وبما أن وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC) لا تحتوي على أجزاء متحركة ولا تتطلب مواد تبريد، فهي ذات موثوقية عالية لمحطات الطائرات المسيرة المُركَّبة في البيئات النائية أو الصعبة الصيانة مثل الجبال أو أسطح المباني.
ورغم المزايا التي تتمتع بها، يظل دمج وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC) في أنظمة الطائرات المسيرة تحديًا هندسيًّا على مستوى النظام ككل:
تنسيق الكفاءة الطاقوية: تُعد وحدات التبريد الكهروحرارية (TEC) في الأساس مضخة حرارية. وبغياب التبريد الكافي للجانب الساخن، تنخفض أداء النظام بسرعة كبيرة. وفي التطبيقات عالية القدرة، غالبًا ما يتطلّب الأمر تبريدًا إجباريًّا بالهواء باستخدام مشتِّتات حرارية أو حتى أنظمة تبريد سائلة.
التحكم الحراري الدقيق: يتطلّب التنظيم الديناميكي للطاقة وتحسين الاستهلاك الطاقي استخدام مستشعرات مقاومة حرارية سالبة (NTC) عالية الدقة جنبًا إلى جنب مع خوارزميات التحكم بالتناسبي التكاملي التفاضلي (PID).
تصميم الحماية البيئية وتدفق الهواء: تتطلب غرف الطائرات المُسيرة حماية من الدرجة IP65 أو أعلى، ويجب تصميم تدفق الهواء الداخلي بعناية لضمان توزيع متساوٍ للحرارة.
اعتبارات التكلفة على مدى دورة الحياة: ورغم أن التكاليف الأولية قد تكون أعلى من الحلول التقليدية، فإن أنظمة التبريد الكهروحرارية (TEC) توفر مزايا طويلة الأجل مثل عدم احتوائها على أجزاء متحركة، وعدم الحاجة إلى صيانة مواد التبريد، وانخفاض تكاليف التشغيل.
في شركة P&N، نفضّل النظر إلى أنظمة التبريد الكهروحرارية (TEC) ليس مجرد مكوّن لتبريد، بل كأداة دقيقة للتحكم الحراري.
وبالنسبة للطائرات المُسيرة، ما يهم حقًّا ليس درجة الحرارة ذاتها، بل الاستقرار طويل الأمد للمكونات الحرجة في ظل ظروف التشغيل.
وتتفاوت المتطلبات باختلاف التطبيقات من حيث الدقة الحرارية، واستهلاك الطاقة، والوزن، والموثوقية. ولذلك، يجب أن يُصمَّم كل حل كنظام متكامل بدلًا من تحسينه ببساطة لتحقيق درجات حرارة أقل.
مع التطور السريع لتقنيات رصد الليدار (LiDAR) والاستشعار بالأشعة تحت الحمراء ومحطات الطائرات المُسيرة والمنصات ذات المدى الطويل، نؤمن بأن إدارة الحرارة بدقة ستؤدي دورًا متزايد الأهمية في أنظمة الطائرات المُسيرة المستقبلية.
ستواصل شركة P&N العمل بشكل وثيق مع العملاء لاستكشاف حلول أكثر كفاءة وموثوقية لإدارة الحرارة باستخدام التأثير الكهروحراري.
EN
