בשנים האחרונות, הכלכלה בגבהים נמוכים נכללה בתוכניות הפיתוח האסטרטגיות הלאומיות, ותעשיית המטוסים הלא מאוישים חווה צמיחה מהירה. לפי נתוני הרשות האזרחית לאוירנאוטיקה של סין, מספר המטוסים הלא מאוישים שהוגדרו במדינה הגיע ל-3.287 מיליון עד סוף 2025, וגודל השוק הכולל של הכלכלה בגבהים נמוכים צפוי לעלות על טריליון יואן סיני עד 2026.
כשמטוסים לא מאוישים עפים גבוה יותר, רחוק יותר ולמשך זמן ארוך יותר, דרישות היציבות למערכות האלקטרוניות שעל הסיפון הופכות מחמירות יותר ויותר. עם האינטגרציה הגבוהה של תת-מערכות כגון הדמיה באינפראד אדום, סוללות ליתיום ביצועים גבוהים, בקרת תעופה ומודולי תקשורת, הצטברות החום הפכה לסיכון קריטי המשפיע על בטיחות התעופה.
כשמערכות הקירור באוויר מסורתיות מתקשות להתמודד עם עומס החום, ומערכות הקירור בנוזל הן לעתים קרובות כבדות מדי ומסובכות מדי, טכנולוגיית הקירור המוצקה השקטה והיעילה ביותר — קירור תרמו-אלקטרוני (TEC) — עולה לאט לאט כתחליף מבטיח לניהול החום בדرون.
ייתכן שראיתם תופעה מרתקת: כשמערכת תרמו-אלקטרונית קטנה מחוברת לזרם ישר, אחד הצדדים הופך קר במהירות ואפילו מתעבה קרח, בעוד הצד השני הופך חם.
התופעה מבוססת על "אפקט פלטייה", שהתגלה בשנת 1834 על ידי הפיזיקאי הצרפתי ז'אן שארל אטנזה פלטייה. כאשר זרם ישר עובר דרך מעגל המורכב מחומרים מוליכים למחצה מסוג N וסוג P, האלקטרונים מעבירים חום מאחד הצדדים לצד השני, מה שמוביל לספיגת חום ופליטת חום בו זמנית.
מספר זוגות תרמו-אלקטריים מחוברים בטור יוצרים מודול תרמו-אלקטרי (TEC), המאפשר שליטה מדויקת בטמפרטורה על טווח רחב של כ־–130°C עד 150°C. ניתן להשיג חימום וקירור פשוט ע"י הפיכת כיוון הזרם.
בהשוואה למערכות מבוססות מדחס מסורתיות ופתרונות קירור נוזליים מורכבים, טכנולוגיית TEC מציעה מספר יתרונות מרכזיים ליישומים של רכבים טיסאתיים (דרונים):
מצב מוצק, עמיד לרטט: ללא חלקים נעים, מה שמבטיח פעילות שקטה ואמינה ביותר גם תחת תנאים של רטט ומכות.
שליטה מדויקת בטמפרטורה: זמן תגובה מהיר, המאפשר סיבוב של שיפוע טמפרטורה ברמה של פחות מ-0.01°C ביישומים מסוימים.
קומפקטי וקל לאינטגרציה: מבנה פשוט, אידיאלי לפלטפורמות דרונים עם מגבלות מקום ומשקל.
ידידותי לסביבה: אין צורך בחומרים קירור; מודול בודד מאפשר הן חימום והן קירור באמצעות הפיכת כיוון הזרם.
השימוש בטכנולוגיית הזרם החשמלי התרמי (TEC) בדروנים אינו מוגבל לתת-מערכת אחת בלבד, אלא משתרע על פני כל מערכת התחממות הפנימית של הדرون וכן מערכות התמיכה הקרקעיות.
LiDAR הוא חיישן מרכזי בדروנים תעשייתיים המשמשים ליישומים בתחום הסקר, הבדיקה והאבטחה. במערכות רדאר לייזר, אורך הגל הנפלט של דיודות לייזר חצי-מוליכות תלוי באופן חזק בטמפרטורת המפגש: עבור כל עלייה של 1°C, אורך הגל מתחלף בדרך כלל ב-0.2–0.3 ננומטר.
השינוי הזה באורך הגל עלול לגרום לאות החזר ליפול מחוץ לסינון האופטי הצר, מה שיגרום לכישלון מוחלט של המדידה. לפיכך, יציבות אורך הגל היא דרישה פונקציונלית ולא רק שיפור ביציאות.
טווחי הטמפרטורות בהן פועלת מערכת LiDAR משתנים בהתאם לעיצוב וליישום, ועומדים בדרך כלל בין 40-°C ל-85°C.
קירור תרמו-אלקטרוני (TEC) הוא פתרון חומרה נפוץ לשמירה על יציבות אורך הגל של דיודת الليיזר במערכות LiDAR. אתגרי ההנדסה כוללים בקרה על הטמפרטורה ברמת תת-מיליקלווין, ניהול תרמי של רכיבים אופטיים ואפילו קירור רב-שלבי ליישומים של התאמת אורך הגל.
סוללות הן גורם מגביל עיקרי למשך הפעולה של רכבים טסים ללא צוות. בסביבות טמפרטורות גבוהות, סוללות ליתיום-יון עלולות לסבול מחימום יתר, נפיחות או פגיעה תרמית. בטמפרטורות נמוכות מתחת ל-10- מעלות צלזיוס, הקיבולת השימושית יכולה לרדת עד 30%.
מערכות TEC יכולות להיות משולבות במערכת ניהול הסוללה (BMS) כדי לספק רגולציה תרמית פעילה: קירור כאשר הטמפרטורות גבוהות מדי וחימום כאשר הטמפרטורות נמוכות מדי. בכך שומרים על הסוללה בתוך טווח הפעולה האופטימלי של 25–40° צלזיוס, מה שמשפר גם את משך החיים וגם את יעילות הטעינה/פריקה.
על ידי הפיכת כיוון הזרם הנוכחי בלבד, מודולי TEC מאפשרים בקרה תרמית דו-כיוונית חלקה, התואמת באופן מושלם את דרישות החימום והקירור הכפולות של מערכות הסוללות של רכבים אוויריים ללא טייס.
בטיסות בגבהים גבוהים או בסביבות קיצוניות, פעילות יציבה של בקרים חשמליים של מנועים ומערכות סרוו היא קריטית.
מודולי הקירור התרмо-אלקטרוניים יכולים לפרק חום מרכיבי האלקטרוניקה העוצמיים במהלך הפעולה הרגילה ולהחליף למצב חימום בסביבות טמפרטורה נמוכה בגבהים גבוהים, מה שמבטיח שהרכיבים האלקטרוניים ישארו בתנאי פעולה אופטימליים. זה משפר משמעותית את אמינות המערכת ומצמצם את אילוצי העיצוב הסביבתי החמורים.
תחנות רכבים אוויריים ללא טייס משרתות כ"מרכזי בסיס" להטענה ולעגינה בסביבות פתוחות. מערכות הבקרה הטמפרטורת הפנימיות שלהן קובעות ישירות האם ניתן להשיג פעילות אוטונומית מלאה.
בקיץ, הטמפרטורות הפנימיות עלולות לעלות por 60° צלזיוס, מה שמקטין את יעילות הטעינה ומעלים את הסיכונים לבטיחות. בחורף, טמפרטורות נמוכות מפחיתות באופן משמעותי את קיבולת הסוללה.
מערכת מבוססת TEC יכולה לספק הן קירור והן חימום פשוט על ידי הפיכת כיוון הזרם. בשילוב עם חיישני טמפרטורה בעלי דיוק גבוה ואלגוריתמי בקרת PID, ניתן להשיג יציבות טמפרטורה בתוך טווח של ±0.1° צלזיוס.
מכיוון שמודולי TEC אינם מכילים חלקים נעים ואינם דורשים גזים מקררים, הם אמינים מאוד עבור תחנות רכבים ללא טייס באיזורים מרוחקים או קשים לתיקון, כגון הרים או גגות.
למרות היתרונות שלה, שילוב של TEC במערכות רכבים ללא טייס מהווה אתגר הנדסי ברמה של מערכת:
תיאום יעילות אנרגטית: ה-TEC הוא ביסודו משאבת חום. ללא פיזור חום מספק בצד החם, ביצועי המערכת מתדרדרים במהירות. ביישומים בעלי הספק גבוה, נדרשת לעיתים קרובות הקירור принוד על ידי אוויר עם רכיבי פיזור חום או אפילו מערכות קירור נוזלי.
בקרת חום מדויקת: חייבות להיות חיישני NTC בעלי דיוק גבוה בשילוב עם אלגוריתמים מסוג PID כדי לאפשר התאמת הספק דינמית ואופטימיזציה של האנרגיה.
הגנה סביבתית ועיצוב זרימת האוויר: קופסאות הרחפנים צריכות לעמוד בדרישת הגנה IP65 או גבוהה יותר, וזרימת האוויר הפנימית חייבת להיות מעוצבת בקפידה כדי להבטיח פיזור אחיד של החום.
שקולות עלות מחזור חיים: למרות שעלות ההתקנה הראשונית עשויה להיות גבוהה יותר מאשר פתרונות מסורתיים, מערכות ה-TEC מציעות יתרונות לטווח הארוך כגון חוסר חלקים נעים, חוסר צורך בתחזוקת נוזלי קירור ועלות תפעול נמוכה יותר.
ב-P&N אנו מעדיפים לראות את ה-TEC לא רק כרכיב קירור, אלא ככלי לבקרת חום מדויקת.
עבור רכבים טיסים לא מאוישים (דrons), מה שחשוב באמת אינו הטמפרטורה עצמה, אלא היציבות האורכת של רכיבים קריטיים בתנאי הפעלה.
לכל יישום יש דרישות שונות במונחי דיוק תרמי, צריכת הספק, משקל ואמינות. לכן, כל פתרון חייב להיות מעוצב כמערכת ולא רק מותאם לטמפרטורות נמוכות יותר.
עם ההתפתחות המהירה של LiDAR, חישה אינפראאדום, תחנות לרכבים טיסים לא מאוישים (drones) ופלטפורמות עם עמידות ארוכה, אנו מאמינים שהניהול התרמי המדויק ישתלב באופן גובר במערכות רכבים טיסים לא מאוישים (drones) בעתיד.
P&N ימשיך לעבוד בצמוד ללקוחות כדי לחקור פתרונות נוספים להגנה תרמית יעילה ואמינה באמצעות טכנולוגיית אלקטרו-תרמית.
EN
