בשנים האחרונות קיימת מגמה של יצרני מטוסים מסחריים וצבאיים לתמוך בהחלפה ושדרוג של מערכות בקרה הידראוליות ופנאומטיות מיושנות במערכות קלות ויעילות יותר מבחינת הנעה חשמלית. מגמה זו מכונה “כלי טייס חשמלי יותר” (MEA – More Electric Aircraft) את המערכות המונעות חשמלית ניתן להשלים באמצעות יתירות (מערכת דיגיטלית מאפשרת התקנת “ערוצי” פעולה מרובים המגבים זה את זה ופועלים במקביל) עבור אמינות גבוהה ותגובה מהירה יותר, תוך כדי הפחתת משקל המטוס והגדלת יעילות הדלק. מערכות הכבלים, הגלגלות והקווים ההידראוליים הקיימים כיום במטוסים, רגישים יותר לפגיעות וכשלים ואף כבדים יותר מאשר למקביליהם החשמליים.
מומחי עיצוב תעופה משוכנעים כי מערכות החשמל החדשות הן אמינות ויעילות יותר. כמו כן הם מעודדים מדינות רבות להשקיע בכיוון זה ומצביעים על החשיבות להפניית משאבים נוספים לשדרוג מערכות התעופה הקיימות.
המעבר ל-MEA צפוי להפחית את עלויות הייצור, וכן את עלותו של המוצר הסופי, לשפר את יעילות ההנעה ולתרום למאמצים הגלובליים לאנרגיה הירוקה. על ידי מתן הזנה ישירה דרך אותות חשמליים, פקודות יכולות להיות חדות ומדויקות יותר עם פחות רעש – וכתוצאה מכך לספק בטיחות כוללת לנוסעים ויותר אמון במערכת לטייסים ואנשי הצוות.
חברת (Vishay Foil Resistors (VFR, המפתחת ומייצרת נגדי יריעה כחול לבן (Bulk Metal® Foil Resistors) זיהו את המגמה הנ”ל לפני מספר שנים והחלו להשקיע בפיתוח של נגדים המתאפיינים ברמת יציבות ודיוק גבוהה, אמינות מרבית ויחס עלות-תועלת אפקטיביים עבור MEA (ראה טבלת מס’ 1) המבוססים על שתי אפשרויות: הראשונה היא קונספט המסחר “מן המדף” ,(Commercial off-the-shelf (COTS, בתוספת בדיקות נוספות כדי להבטיח ביצועים יציבים ואמינים יותר כאשר COTS לבדו אינו מספיק. האפשרות השנייה הינה שיטת סינון לפי:EEE-INST-002 (קריטריונים לבחירה, סינון ובחינת רכיבים חשמליים ע”פ המלצות NASA) אשר ניתן לרכוש עבור יחידות קרקע עם אפשרות ה”U”- (קבוצה A בלבד) או בפרוטוקול מבחן המלא (קבוצת B ו-C) עבור יחידות מוטסות .כמו כן ניתן לראות בטבלה הסמכות/מבדקים נוספים בהם נגדי היריעה עומדים.
אוניברסיטאות ומכוני מחקר רבים, עובדים בנוסף על פיתוח ושיפור מתמיד של מערכות חשמל שכאלו, במטרה לשפר את אמינותם ואיכותם. בין היתר הם חוקרים רכיבים במבדקים: חשמליים, אלקטרוניים ואלקטרו-מכאניים (EEE) ומחפשים דרכים בטוחות ואמינות לבחירה, סינון, הרכבה ופיקוח על רכיבים אלה לאורך חיי פעולתם.
לאור הנ”ל – המערכות ההידראוליות והפנאומטיות מועמדות להחלפה במספר מקומות ברי שדרוג במטוס. מערכות הידראוליות ניתן למצוא במספר בקרי טיסה כגון מערכות בקרת טיסה משניים, מערכות בקרה סביבתיות, ציוד נחיתה (landing gears) בלמים, היגוי, דלתות, ופונקציות נוספות אחרות. מערכות פנאומטיות ניתן למצוא בציוד לבקרת טיסה, לחץ תא , מנוע, מנגנון הגנת קרח על הכנפיים ומערכת הצתת המנוע.
מרכיב נוסף ומשמעותי של ה-MEA היא מערכת “טוס על חוט” (FBW-Fly By Wire), זוהי סוג של מערכת בקרה שהופכת כעת לסטנדרטית ונפוצה יותר ויותר בשימוש במטוסים אזרחיים וצבאיים רבים ברחבי העולם, ומהווה את הליבה לכל פיתוח תעופתי חדש ומתקדם. מערכות בקרה מסוג FBW מחליפות את לוחות הבקרה הידניות של מטוסים עם ממשקים אלקטרוניים. מערכות בקרה מסוג “טוס על חוט” מאפשרות את החלפת חיבורי הבקרה המסורתיים עם מערכות בקרת טיסה ממוחשבת הניתנות להתאמה בקלות יחסית לדגמי המטוסים השונים. יחד עם זאת, המתכננים חייבים להיות זהירים על מנת לבחור רכיבים שאינם רגישים לניזקי פריקה אלקטרוסטטית , (Electro Static Discharge), כולל ליקויים סמויים אפשריים האופייניים לכמה מטכנולוגיות הנגדים הקיימים כיום בשוק.
באמצעות בחירה נכונה של רכיבים, ניתן להעלות את אמינות ובטיחות הטיסות על-ידי שימוש ב-FBW. את המשקל שנחסך כתוצאה ממעבר למערכות FBW ניתן להקצות מחדש למקום עבור נוסעים ומטענים נוספים ועל ידי כך להניב רווחים. זאת במקביל לצמצום עלויות תחזוקה ושיפור שביעות רצון נוסעים דרך הפחתת מספר העיכובים בטיסה עקב תיקונים נדרשים.
אין ספק כי ההתפתחות המואצת של הטכנולוגיות השונות הגיע לנקודה בה הערך הרב של שליטה ובטיחות המערכת מובנות היטב והן מיושמות בציוד בקרת הטיסה של מטוסים פופולריים רבים כגון: Airbus ו-Boeing. חברות אלה פועלות נמרצות להפחתת עלויות תפעול המטוסים, עלויות הדלק (מדאיג במיוחד כאשר התמחור בשוק הנפט הוא הפכפך כל כך), ובתקווה להפוך את התעופה לחלופת נסיעה במחיר סביר עבור נוסעים שכעת נאלצים להסתמך על אמצעי תחבורה איטיים יותר ואולי אף בטוחים פחות.
יחד עם זאת מחקר נוסף נדרש בצד האנלוגי של MEA/FBW על מנת לספק פלטפורמה אנלוגית איתנה המבוססת על שימוש ברכיבים חשמליים, כמו גם בנגדים מדויקים ויציבים הנדרשים לצורך פעולה אמינה ובטוחה של מערכות מוטסות. יש גם לזכור כי המורכבות של תהליך זה גדלה לצד הצורך לפתור אינטראקציות סותרות בין מספר מערכות ציוד על ידי שיפור היעילות של כל אחת מהן בנפרד.
מחקרים בשנים האחרונות בנושאי אנרגיה חלופית וטכנולוגיית רשתות חכמות (smart grid) הראו כי מערכות חשמל נוטות להיות חסכוניות באנרגיה וידידותיות לסביבה יותר מאשר מקביליהם ההידראוליים. כדי להשיג את הפתרונות הנכונים, יש לשקול לחוד את היתרונות של כל יישום ופונקציה במטוס. ביצועים, אמינות, והפחתת עלויות לטווח הארוך, כל אלה צריכים להילקח בחשבון.
בתחום הרכיבים הפסיביים, מספר טכנולוגיות של נגדים (Thick Film, Thin Film, Wirewound, Bulk Metal® Foil) זמינות כיום לשימוש במגוון מערכות של בקרת טיסה. רמת ביצועי הנגד תלויה באופן ישיר בסוג הטכנולוגיה בה הוא יוצר- עובדה התורמת משמעותית להשלכות שונות לכל מעגל. לדוגמה, מערכות חשמל עשויות להיות מופעלות לסירוגין כנדרש אך עלולות ליצור נחשולי מתח בנגדים. כמו כן, מקדם הטמפרטורה של ההתנגדות- TCR- ועקיבת TCR (יציבות היחס עם שינויי טמפרטורה בין שני נגדים או יותר במעגל) משתנים במידה ניכרת בהתאם לסוג טכנולוגיית הנגד.
כדי להשיג את רמת האמינות הנדרשת עבור רכיבים חשמליים בתחום התעופה והחלל, האופי המורכב של מערכת ההנעה החשמלית ושל מערכות הבקרה צריכות להילקח בחשבון. חברת Vishay Foil Resistors (), פיתחה כמה מוצרים חדשים בתצורות נגדים בדידים במעטפת (Through-Hole) והשמה משטחית (SMD) המבוססים על הטכנולוגיות הבלעדיות של יריעות (Foil) מסוג Z וZ1- כדי לאפשר ייצור של נגדים המסוגלים לענות על הדרישות הנוקשות לאמינות מרבית, בנוסף למקדם ה-TCR הטוב ביותר אשר קיים בשוק על פני טווח רחב של טמפרטורות. למרות שמערכות הבקרה והינע האלקטרוניות מציגות רמת מורכבות שאינן קיימות בבקרה הידראולית הנוכחית, השימוש באלקטרוניקה מורכבת ביישומיי-טיסה קריטיים הובן היטב על ידי חברת VFR ומוצרי ה-Bulk Metal® Foil Resistors (נגדי יריעה) משרתים את תחום התעופה ואת התעשייה האווירית במשך למעלה מ-50 שנים מאז הומצאה הטכנולוגיה על ידי המדען והפיסיקאי ד”ר פליקס זנדמן ז”ל לאחר ששרד את השואה.
נגדי היריעה
נגדי ה-Bulk Metal® Foil מיוצרים בישראל מסוף שנות ה-60 ומבוססים על סגסוגת Ni/Cr עם תכונות ידועות ונשלטות שמיושמת על מצע קרמי מיוחד באופן שמאפשר מאזן כוחות תרמו-מכניים. לאחר מכן מתבצע תהליך איכול סלקטיבי באמצעות הדפסת הגנה על ידי שכבה רגישה לאור (תהליך פוטוליטוגרפי). התהליך משלב באופן ייחודי את המאפיינים החשובים של TCR נמוך, יציבות ארוכת טווח וקצרת טווח (Stability), אי-השראות, אי-רגישות ל-ESD, קיבוליות נמוכה, התייצבות תרמית מהירה (Thermal Stabilization and Rise Time), רעש נמוך, והכל בטכנולוגיית נגדים אחת.
יכולות אלה מספקות יציבות ואמינות גבוהות לביצועי המערכת מבלי להתפשר על דיוק ומהירות.
מקדמי טמפרטורה סטנדרטיים של 1ppm/°C ופחות על פני טווח טמפרטורה של 0°C עד 60°C נגזרים מהתכונות של הסגסוגת והאיזון התרמו-מכני האינטראקטיבי שלה עם המצע.
ביריעה השטוחה של ה-Foil, תכנון תמונת ההולכה עם מסלולי זרם מקבילים מצמצם למינימום את ההשראות. ההשראות הכוללת הינה בסביבות 0.08µH והקיבוליות המרבית הינה סביבות 0.5pF. לנגד של 1kΩ יש זמן התייצבות קטן מ-1ns בתדירויות של עד 100MHz. זמן העלייה (rise time) תלוי בערך ההתנגדות, אבל ערכים גבוהים יותר ונמוכים יותר הינם איטיים רק במעט מערכים בטווח הביניים, תכונה שהינה ייחודית עבור נגדי ה-Foil. העדר גליות (Ringing) הינו פרמטר חשוב במיתוג במהירות גבוהה, כמו בהמרת אות.
התנגדות ה-DC של נגד יריעה עם ערך של 1kΩ בהשוואה להתנגדות AC שלו ב-100MHz יכלה לבוא לידי ביטוי באופן הבא: AC resistance/DC resistance – 1.001.
טכנולוגיית ה-FOIL מאפשרת שילוב של מאפייני נגדים מדויקים, יציבים ואידיאליים שבעבר לא ניתן היה להשיגם: TCR נמוך (0.05ppm/°C מ-0°C עד 60°C), טולרנסים (אפיצות) מדוייקים עד כדי 0.005% (שיורדים עד ל-0.001% כאשר הנגדים אטומים באריזה הרמטית, לדוגמא VHP100), יציבות לטווח ארוך של0.005% ב-70°C במשך יותר מ-2,000 שעות פעילות תחת עומס קבוע, Tracking בין מספר נגדים של 0.1ppm/°C מ-0°C עד 60°C, וחסינות ESD של לפחות עד 25,000V . כמו כן אתגרים של עמידה בטמפרטורות קיצון (נמוכות, וגבוהות במיוחד) מתאפשרת הודות לטכנולוגית ה-FOIL. (כיום עם טכנולוגיית ה-Z1 Foil ניתן להגיע עד
).
שימוש בנגדים מדויקים באיכות הטובה ביותר בתחום ה-MEA יתרום ליעילות רבה יותר, לצד כך שמערכות החשמל תשתמשנה בפחות אנרגיה מאשר מקביליהם הקונבנציונליים, כמו כן ההפסדים בכבלי חשמל הם בהחלט נמוכים מאלה בצנרת ההידראולית או הפנאומטית.
המחברים מבקשים להודות לדוד גזית על הסיוע יקר הערך בהכנת המאמר.
מאת: Yuval Hernik & Yosi Tzabari, Vishay Foil Resistors
