ככל שהיקף הנתונים שמועברים בשידורי RF הולך וגדל, כך גם מתרבים מספרן של האנטנות החכמות שמשולבות עם מערכות אלקטרוניות המותקנות על גבי כלי טיס ומערכות תעופה.
ההתקדמות בסימולציות אלקטרומגנטיות שיפרה באופן משמעותי את תהליכי התכנון של מערכות אלו והביאה להפחתת עלויות וצמצום זמני ביצועי הבדיקות הנדרשות. שוחחנו עם דוד אבירם, מוביל תחום סימולציות אלקטרומגנטיות בחברת Altair ישראל.
ראשית, חשוב להבין מדוע התעשיה מאמצת את הגישה של סימולציות אלקטרומגנטיות בתהליך הפיתוח?
כדי לענות על השאלה הזו כדאי להבין מה היה קיים לפני שהמחשבים הגיעו לבשלות מספקת.
לרוב, התכן בוצע על פי הניסיון של המהנדס תוך שימוש בספרות המקצועית שהייתה זמינה עבורו.
מסלול פיתוח כזה הוביל במקרים רבים להתמודד עם הבעיות שהתעוררו רק בשלבים מאוחרים למדי של הפיתוח וכתוצאה מכך כישלון בבדיקות, כגון אי-עמידה בתקנים נדרשים או בביצועים הפונקציונאליים של המערכת, הוביל בהכרח לסבב פיתוח נוסף. במקרה שכזה, מדובר על סבב בדיקות מחודש, אשר חלקן אף אינו מתחום האלקטרומגנטי כגון בדיקות תנאי סביבה, דרך ייצור אבי-טיפוס, הצורך בהזמנה נוספת של חומרים ועוד. מקרים אלו באים לידי ביטוי בעלויות נוספות של משאבי פיתוח ועיכוב בלוחות זמנים.
עם שיפור יכולות המחשוב והבשלת התוכנות לשימוש הנדסי, החברות המובילות בתעשייה השכילו לאמץ באופן גורף את השימוש בסימולציות נומריות וביניהן הסימולציות האלקטרומגנטיות. המערכות שפותחו תוך כדי שימוש בסימולציות אלקטרומגנטיות, הגיעו לשלב הבדיקות הסופיות לאחר אינספור אופטימיזציות ובדיקות וירטואליות נוספות והועברו לייצור לרוב לאחר סבב פיתוח יחיד.
אחד התחומים המרכזיים להן נדרשות חברות בטחוניות, חלל, תעופה ובשנים האחרונות אף מתעשיית הרכב, הינו פיתוח ראדומים לאנטנות. היכולת למדל את התנהגות המערכת כבר בשלבים מוקדמים של הפיתוח יצרה מהפכה של ממש בתעשיות אלו.
מהו ראדום, מה מטרתו וכיצד בא לידי ביטוי בהגנה על האנטנה?
ראדום הוא מבנה העמיד בפני פגעי מזג האוויר, הראדום מגן על האנטנה או מערכות מכ”ם מהסביבה הפיזית שלה, ומתוכנן כך שתהיה לו השפעה מינימלית על הביצועים האלקטרומגנטיים של האנטנה. הראדום חייב להיות “שקוף” מבחינת תדרי הרדיו שבשימוש; ולכן הוא בנוי מחומרים ומבנה הפוגעים באופן מינימלי באות האלקטרומגנטי המשודר או המתקבל על ידי האנטנה. בחירת ראדום מתאים לאנטנה נתונה יכול לשפר את ביצועי המערכת הכלליים, לדוגמה ע”י מניעת הרעדת אנטנה כיוונית כתוצאה מרוחות ואף הזזת הכיול של המערכת. בנוסף הראדום יכול להגן על האנטנה ועל רכיבי מערכת רגישים ע”י הטמעת הגנות ברקים והוספת פילטרים מוטמעים בתוך שכבות הראדום ( FSS ) שמונעים פגיעה ממערכות משדרות שכנות.
יישומים כגון תקשורת לוויינית ומכ”ם מזג אוויר מוטס, דורשים ראדומים ענקיים כדי להגן על מערכות רגישות ועל אנטנות הגדולות.
מערך אנטנות מחורץ (Slotted Waveguide):
(א) פריסת האלמנטים של מערך האנטנות | (ב) כיווניות אנטנה ( Antenna Pattern )
אחת האנטנות הפופולריות ביותר עבור מכ”ם מזג אוויר היא מסוג מערך גלבו מחורץ (SWG). המערך מעוצב באופן המאפשר הזנה מלמטה ע”י גלבו יחיד שמאונך למערך האנטנות ,בדר”כ בחרטומי מטוסים נדרש ראדום היכול לעמוד בעומס אווירודינמי קיצוני.
מה הן חששות הנוגעים ל-HIRF בכבלים בכלי טיס?
השפעת ברקים ושדות קרינה בעוצמה גבוהה (HIRF) מהווים אתגר בקרב מתכנני כלי טיס, החל ממטוסי נוסעים ותובלה ועד מל”טים ורחפנים מבצעיים. מערכות קריטיות רבות מתבססות על חיישנים לצורך שליטה, בקרה וביצוע משימות ולכן רתמות כבלים נפרסות לאורכו ולרוחבו של כלי הטיס. כבלים אלה פגיעים במיוחד לקליטת הפרעות שנוצרות מברקים, אנטנות שידור שכנות ומכ”מים שונים. בדרך כלל הפתרונות ממוקדים לתכנון הרתמות או הגנה על המערכת בדגש על מיגון מינימלי וזאת בכדי לעמוד בדרישות של מגבלת משקל ונפח אפשריים.
באופן מסורתי, הושקעו זמן ומשאבים כספיים משמעותיים בביצוע מדידות באבי-טיפוס של כלי טיס. לעיתים נדרשה חזרה על שלב התכנון בכמה סבבים במידת הנדרש הוכנסו שינויים והגנות למערכות שהושפעו מההפרעות. לעומת זאת, סימולציות מחשב מסייעות למהנדסים לחקור בקלות יתרה תרחישי איום מגוונים, הבנת מסלולי ההפרעה והתאמת פתרון שיבטיח עמידה מוצלחת במבדקים ובדרישות התקינה.
בתמונה : דוגמא לסימולצית מטוס וכבלים לעמידה בבדיקת HIRF וברקים
היתרון העיקרי של ביצוע סימולציות מאפשר לזהות את רמת ההפרעה ולהתאים את המיגון המתאים הנדרש בכדי לעמוד בדרישות הסף כבר במבדק הראשון. כפי שתואר למעלה, בדיקות חוזרות ונשנות מגדילות את העלויות באופן משמעותי. יתרה מכך, הוספת מיגון יתר לרתמות כבלים שלא לצורך, מוסיפה משקל רב ומצמצמת את הגמישות בניתובו של הרתמה בעת ההרכבה.
תוכל לתת דוגמא? סיפור הצלחה ?
בהחלט, דוגמא טובה היא השימוש של Shanghai Aircraft Design and Research Institute (COMAC ) לצורך קביעת מיקומי אנטנות וזיהוי הפרעות. כאמור עם התפתחותן המהירה של המדע והטכנולוגיה, גדל מספרם של המשדרים והמקלטים המותקנים בכלי הטיס. בדרך כלל, כלי טיס מצויד בעשרות מערכות רדיו, כמו מכ”ם מזג אוויר, מערכות תקשורת,ניווט ומערכות בקרת תעבורה אווירית, הכוללות אנטנות רבות עם טווח תדרים רחב מאוד. עם זאת, בשל המגבלה באורכו של המטוס עצמו, לא נותר מקום רב למיקום האנטנות. נדרש תכנון אפקטיבי ומדויק למיקום האנטנות שכן, לעיתים, גוף כלי הטיס עצמו פוגע בביצועי האנטנות ובנוסף הפרעות אלקטרומגנטיות עלולות להגיע מאנטנות שכנות על כלי הטיס או ממערכות אלקטרוניות אחרות המותקנות בכלי ובכך לגרום לירידה בביצועי המערכת.
באחד מהמטוסים שתוכננו ע”י COMAC , זוהתה הפרעה בשלב טיסות המבחן. על-ידי שימוש בתוכנת FEKO לביצוע סימולציות אלקטרומגנטיות זוהה מסלול הצימוד האלקטרומגנטי בין מחשב הטיסה(FCC ), שממוקם בבטן המטוס ( Equipment bay ), ויצר הפרעה לאנטנת VHF שמותקנת על גוף המטוס בחלקו החיצוני. לאור המידע שהתקבל בוצעו התאמות שאפשרו את המשך טיסות המבחן. ניתן לראות שתוצאות הסימולציה הן בעלות ערך רב לא רק לתכנון ההנדסי בשלב הפיתוח, אלא גם לפתרון בעיות בשלבים מאוחרים של הפיתוח.
בתמונות: מודל מפושט ששימש לחקר התקלה , בתמונה האמצעית ממודל מחשב הטיסה , והאנטנה שביצועיה נפגעו.
מה הפתרונות הטכנולוגיים שחברת אלטאר מספקת בכדי לסייע לחברות להתמודד עם השינויים המתרחשים?
אלטאר מתמחה בתוכנות הנדסיות שמיועדות למהנדסי הפיתוח. בין הפתרונות שאלטאר מציעה בתחום האלקטרומגנטי הם:
Altair® FEKO® – תוכנה לסימולציות אלקטרומגנטיות עם התמחות בתחום האנטנות, מיקומי אנטנות, אפקטים של ברקים, בטיחות קרינה, RCS ובתחום הביולוגי שכולל אינטראקציה של שדות א”מ עם חומרים. בנוסף מודול של FEKO , בשם WinProp יודע לבצע אנליזות להתפשטות גלים במרחב ומשמש גם בתחום הצבאי וגם בתחום האזרחי, ובשנתיים האחרונות במיקוד בתחום הרכב האוטונומי.
בתמונה : התפשטות גלים בתוכנת WinProp באזור הונג-קונג, מודל שכולל מבנים וטופוגרפיה
בתמונה: תוצאות סימולציות להתקנת אנטנות בכלי טיס
כיצד הסימולציות אלקטרומגנטיות משפיעות על מה שקורה כיום ומבט אל העתיד?
החברות היצרניות כיום מפתחות מוצרים חכמים ומקושרים זה לזה ולאחרים. המגמה הזו הולכת ומתעצמת וכפועל יוצא, תחום פיתוח האנטנות הופך מורכב. החל ממוצרים לשימוש צבאיים וכלה במוצרים לשוק האזרחי אשר מגיעים לכל אדם. לדוגמה בטלפון חכם סטנדרטי ישנן בין 4 לעד 13 אנטנות המוטמעות במוצר. רכבים מקושרים ומוצרים ביתיים חכמים הינם רק התחלה.
ההתקדמות בסימולציות אלקטרומגנטיות שיפרה משמעותית את תהליך התכנון למיקום האנטנות, תכנון הראדום ומניעת הפרעות אלקטרומגנטיות – מה שהביא להפחתת זמן התכנון, העברה מהירה יותר לייצור והגעה מהירה יותר לשוק של מוצרים בטוחים וטובים יותר.
דוד אבירם משמש כמוביל תחום פתרונות האלקטרומגנטיות בחברת Altair ישראל.
בעל תואר B.Sc בפיזיקה מהאוניברסיטה העברית ולמעלה מ-16 שנות ניסיון בתחומי תאימות-אלקטרומגנטית בחברות גלובליות ומלווה כיום ארגונים ישראלים ובינלאומים בפיתוחים מתקדמים.
דוד אבירם, מוביל תחום
סימולציות אלקטרומגנטיות בחברת
Altair ישראל
