در سالهای اخیر، اقتصاد ارتفاع پایین در برنامههای توسعه استراتژیک ملی گنجانده شده و صنعت پهپاد با سرعت زیادی در حال رشد است. بر اساس دادههای اداره هوانوردی مدنی چین، تعداد پهپادهای ثبتشده در چین تا پایان سال ۲۰۲۵ به ۳٫۲۸۷ میلیون رسیده است و اندازه کلی بازار اقتصاد ارتفاع پایین تا سال ۲۰۲۶ از یک تریلیون یوان چینی فراتر خواهد رفت.
با افزایش ارتفاع، برد و مدت زمان پرواز پهپادها، نیازمندیهای مربوط به پایداری سیستمهای الکترونیکی نصبشده روی آنها بهطور فزایندهای سختگیرانهتر میشود. با ادغام بالای زیرسیستمهایی مانند تصویربرداری مادون قرمز، باتریهای لیتیوم با عملکرد بالا، کنترل پرواز و ماژولهای ارتباطی، تجمع گرما به خطری حیاتی برای ایمنی پرواز تبدیل شده است.
زمانی که سیستمهای سنتی خنککننده هوایی در مقابله با بار حرارتی دچار مشکل میشوند و سیستمهای خنککننده مایع اغلب بیش از حد سنگین و پیچیده هستند، فناوری خنککنندگی حالت جامد بیصدا و بسیار کارآمد — خنککنندگی ترموالکتریک (TEC) — بهعنوان راهحلی امیدوارکننده برای مدیریت حرارتی در پهپادها ظهور کرده است.
شاید پدیده جالبی را دیده باشید: وقتی یک ماژول ترموالکتریک کوچک با جریان مستقیم (DC) تغذیه میشود، یک سمت آن بهسرعت سرد میشود و حتی ممکن است یخ تشکیل دهد، درحالیکه سمت دیگر آن گرم میشود.
این بر اساس «اثر پلتیه» است که در سال ۱۸۳۴ توسط فیزیکدان فرانسوی جان شارل آتاناز پلتیه کشف شد. هنگامی که جریان مستقیم از مداری متشکل از مواد نیمههادی نوع N و نوع P عبور میکند، الکترونها گرما را از یک سمت به سمت دیگر منتقل میکنند و در نتیجه جذب و انتشار همزمان گرما رخ میدهد.
اتصال چندین جفت ترموالکتریک بهصورت سری، ماژول ترموالکتریک (TEC) را تشکیل میدهد که امکان کنترل دقیق دما در محدوده وسیعی تقریباً از ۱۳۰- درجه سانتیگراد تا ۱۵۰+ درجه سانتیگراد را فراهم میکند. گرمکردن و سردکردن تنها با معکوس کردن جهت جریان قابل انجام است.
در مقایسه با سیستمهای مبتنی بر کمپرسور سنتی و راهحلهای پیچیده خنککنندگی مایع، فناوری TEC مزایای کلیدی متعددی برای کاربردهای پهپاد ارائه میدهد:
حالت جامد و مقاوم در برابر ارتعاش: بدون قطعات متحرک، که عملکرد بیصدا و بسیار قابل اعتماد را تحت شرایط ارتعاش و ضربه تضمین میکند.
کنترل دقیق دما: زمان پاسخ سریع، که در برخی کاربردها امکان تنظیم دما با دقت زیر ۰٫۰۱ درجه سانتیگراد را فراهم میکند.
فشرده و ادغام آسان: ساختار ساده، ایدهآل برای پلتفرمهای پهپادی که در معرض محدودیتهای فضایی و وزنی قرار دارند.
دوستدار محیط زیست: نیازی به روانکنندههای سرمایشی نیست؛ یک ماژول تکی با معکوس کردن جریان، هم عملیات گرمایش و هم سرمایش را امکانپذیر میسازد.
کاربرد اثر پلتیر (TEC) در پهپادها محدود به یک زیرسیستم خاص نمیشود، بلکه در سراسر اکوسیستم حرارتی داخلی پهپاد و سیستمهای پشتیبانی زمینی آن گسترده است.
لیدار حسگری اصلی در پهپادهای صنعتی است که در کاربردهای طرحبرداری، بازرسی و امنیت به کار میرود. در سیستمهای رادار لیزری، طول موج تابش دیودهای لیزر نیمههادی بهطور قوی وابسته به دمای اتصال است: با افزایش هر ۱ درجه سانتیگراد، طول موج معمولاً حدود ۰٫۲ تا ۰٫۳ نانومتر تغییر میکند.
این تغییر طول موج میتواند باعث شود سیگنال بازگشتی از فیلتر نوری باریکباند خارج شود و منجر به شکست کامل اندازهگیری گردد. بنابراین، پایداری طول موج یک الزام عملکردی و نه صرفاً یک بهینهسازی عملکردی محسوب میشود.
محدوده دماهای کاری سیستمهای لیدار بسته به طراحی و کاربرد متفاوت است و معمولاً بین ۴۰- درجه سانتیگراد تا ۸۵ درجه سانتیگراد متغیر است.
خنککنندگی ترموالکتریک (TEC) راهحل سختافزاری رایجی برای حفظ پایداری طول موج دیود لیزر در سیستمهای لیدار است. چالشهای مهندسی شامل کنترل دما با دقت زیر یک میلیکلوین، مدیریت حرارتی اجزای نوری و حتی خنکسازی چندمرحلهای برای کاربردهای تنظیم طول موج است.
باتریها عامل اصلی محدودکننده طول عمر پهپادها هستند. در محیطهای با دمای بالا، باتریهای لیتیومیون ممکن است دچار گرمشدن بیش از حد، متورمشدن یا فرار حرارتی شوند. در دماهای پایینتر از ۱۰- درجه سانتیگراد، ظرفیت قابل استفاده میتواند تا ۳۰٪ کاهش یابد.
سیستمهای TEC میتوانند در سیستم مدیریت باتری (BMS) ادغام شوند تا تنظیم فعال دمایی را فراهم کنند: خنککنندگی در صورت بالا بودن دما و گرمکنندگی در صورت پایین بودن دما. این امر باعث نگهداشتن باتری در محدوده بهینه عملیاتی ۲۵ تا ۴۰ درجه سانتیگراد میشود و هم طول عمر و هم بازده شارژ/دشارژ را بهبود میبخشد.
با معکوس کردن ساده جهت جریان، ماژولهای TEC کنترل حرارتی دوطرفه بیدرزی را فراهم میکنند که بهطور کامل با نیازهای همزمان گرمکنندگی و خنککنندگی سیستمهای باتری پهپاد سازگار است.
در ارتفاعات بالا یا محیطهای شدید، عملکرد پایدار کنترلکنندههای موتور و سیستمهای سروو حیاتی است.
ماژولهای خنککننده ترموالکتریک میتوانند در حین کار عادی، گرما را از الکترونیک قدرت دفع کنند و در محیطهای با دمای پایین و ارتفاع بالا به حالت گرمایشی تغییر وضعیت دهند تا اطمینان حاصل شود که اجزای الکترونیکی در محدوده دمایی بهینه عملکرد خود باقی بمانند. این امر قابلیت اطمینان سیستم را بهطور چشمگیری افزایش داده و محدودیتهای طراحی زیستمحیطی سختگیرانه را کاهش میدهد.
ایستگاههای پهپاد بهعنوان «هابهای پایه» برای شارژ و ایستادن در محیطهای باز عمل میکنند. سیستمهای کنترل دمای داخلی آنها بهطور مستقیم تعیینکننده این است که آیا امکان دستیابی به عملیات کاملاً خودکار فراهم میشود یا خیر.
در تابستان، دمای داخلی ممکن است از ۶۰ درجه سانتیگراد فراتر رود که این امر باعث کاهش بازدهی شارژ و افزایش خطرات ایمنی میشود. در زمستان نیز دماهای پایین ظرفیت باتری را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهند.
سیستمی مبتنی بر TEC میتواند با معکوس کردن جهت جریان، هم سرمایش و هم گرمایش را فراهم کند. این سیستم در ترکیب با سنسورهای دمای با دقت بالا و الگوریتمهای کنترل PID، قابلیت دستیابی به پایداری دمایی در محدوده ±۰٫۱ درجه سانتیگراد را دارد.
از آنجا که ماژولهای TEC فاقد قطعات متحرک بوده و نیازی به عوامل سرمایشی ندارند، از قابلیت اطمینان بسیار بالایی برخوردارند و برای ایستگاههای پهپادی که در محیطهای دورافتاده یا دشواربرای نگهداری (مانند کوهها یا پشتبامها) نصب میشوند، مناسب هستند.
با وجود مزایایش، ادغام TEC در سیستمهای پهپاد همچنان یک چالش مهندسی در سطح سیستم است:
هماهنگسازی بازده انرژی: TEC در اصل یک پمپ حرارتی است. در صورت عدم داشتن تخلیه کافی گرما از سمت گرم، عملکرد سیستم به سرعت کاهش مییابد. در کاربردهای با توان بالا، اغلب نیاز به سیستمهای سرمایش اجباری با استفاده از رادیاتور یا حتی سیستمهای سرمایش مایع است.
کنترل دقیق حرارتی: برای تنظیم پویای توان و بهینهسازی انرژی، نیاز به سنسورهای NTC با دقت بالا در ترکیب با الگوریتمهای PID است.
طراحی حفاظت از محیط زیست و جریان هوا: پوششهای پهپاد نیازمند حفاظتی با درجه IP65 یا بالاتر هستند و جریان هوا درونی باید با دقت طراحی شود تا توزیع یکنواخت گرما تضمین گردد.
ملاحظات هزینه عمر مفید: اگرچه هزینه اولیه ممکن است بالاتر از راهحلهای سنتی باشد، اما سیستمهای TEC مزایای بلندمدتی از قبیل عدم وجود قطعات متحرک، عدم نیاز به نگهداری مبرد و کاهش هزینههای عملیاتی را ارائه میدهند.
در P&N ما ترجیح میدهیم TEC را نه صرفاً به عنوان یک مؤلفه خنککننده، بلکه به عنوان یک ابزار دقیق کنترل حرارتی در نظر بگیریم.
برای پهپادها، آنچه واقعاً اهمیت دارد دمای خود نیست، بلکه ثبات بلندمدت اجزای حیاتی تحت شرایط کاری است.
کاربردهای مختلف نیازمندیهای متفاوتی از نظر دقت حرارتی، مصرف توان، وزن و قابلیت اطمینان دارند. بنابراین، هر راهحل باید بهصورت یکپارچه و سیستمی طراحی شود، نه اینکه صرفاً برای دستیابی به دمای پایینتر بهینهسازی شود.
با توسعه سریع فناوریهای رادار نوری (LiDAR)، حسگرهای مادون قرمز، ایستگاههای پهپاد و پلتفرمهای با توان عملیاتی طولانی، ما باور داریم که مدیریت دقیق گرمایی نقش فزایندهای در سیستمهای پهپاد آینده ایفا خواهد کرد.
شرکت P&N به همکاری نزدیک با مشتریان خود برای بررسی راهحلهای کارآمدتر و قابلاطمینانتر در زمینه مدیریت گرمایی ترموالکتریک ادامه خواهد داد.
EN
