הינע במערכות צבאיות
מאת קמי בן-שם פלדשו וחזי קורן
בשנת 1997 הוקמה בסוכנות החלל האמריקאית NASA קבוצת עבודה “TWG" במטרה לבחור את טכנולוגית ההינע המשני העתידית שתיכנס לשימוש בסוכנות. הינע ראשוני הינו ההינע הרקטי ( מנועי הסילון וכו') של כלי טיס ואילו ההינע המשני הינו הינע של מערכות פנימיות בכלי הטייס כגון אקטואטורים, מפעילים, מנועים ותמסורות. להינע המשני שלושה סוגי הנעה מקובלים – הנעה הידראולית, הנעה פנאומטית והנעה חשמלית / אלקטרומגנטית.
בתום תקופת הבחינה פרסמה הקבוצה המלצה חד-ערכית וקבעה כי טכנולוגיות ההינע המשני העתידית היא הטכנולוגיה האלקטרומגנטית. בעקבות המלצה זו הוקמה בתוך מעבדת ההינע הסילוני (JPL) מחלקה חדשה בשם MEA – MORE ELECTRICAL AIRCRAFT ובתרגום חופשי: "כלי טיס עם יותר חשמל".
בתמונה: רכיבים עיקריים במערכת הנעה אלקטרו מגנטית
מאמר זה דן במערכות הינע חשמליות אלקטרומגנטיות צבאיות בלבד.
מערכת הינע צבאית (שתיקרא להלן מה"צ) נבדלת ממערכת דומה אזרחית ותעשייתית ב – 5 מדדים:
- תנאי סביבה ומאמץ סביבתי חמורים יותר
- אנרגיה מוגבלת
- זמני פעולה/מנוחה שונים
- אמינות גבוהה
- תאימות
תנאי סביבה ומאמץ סביבתי
מה"צ פועלת בסביבה משתנה, קשה, קיצונית ואף עוינת. כל סביבה מאופיינת במספר קטגוריות מאמץ עיקריות ומגוון רחב של קטגוריות מאמץ משניות. מגוון זה הוביל לכתיבת מפרטי בדיקה ומאמץ סביבתי. החשובים שבהם הם:
MIL-STD 810 – לצבא היבשה והצי
160 RTCA/DO – לכלי טייס ובחלקו לכלי טייס חלל וחלל עמוק.
המפרטים כוללים בדיקות לתנאי סביבה כמו:
- טמפ' סביבה מ – מינוס c °68 ועד פלוס c °155
- שינויי טמפרטורה בתחום הנ"ל וקצב השנוי
- תאוצה, הלם ונפילה עד G100
- רעידות בצירים שונים ובתדרים עד 2000 הרץ
- לחות, גשם, קיפאון, אטימות
- חול, אבק, סופת חול
- שבר בנחיתה ומשתנים נוספים
אנרגיה
מה"צ הן לרוב רעבות אנרגיה וניזונות ממקורות אנרגיה חשמלית חלופית או משנית כגון תאים, סוללות, מצברים, תאי דלק, אנרגית התמרה חומנית, אנרגיה סולרית ועוד.לכל אחד ממקורות אנרגיה אלו אופייני פריקה וטעינה ייחודיים, תנאי אחסנה ואורך חיים מיוחדים, אספקת מתח בסיס לפי גרף אופייני, צמצום בזרמים ו/או העלאת המתח עד למתח DC גבוה (V 500 ויותר) , שימוש ב – IGBT ואינטליגנצית בקרה גבוהה ומיוחדת.
זמן
זמן הנו גורם אימננטי מובנה במערכות הינע צבאיות. למעשה אם נחפש את המבדיל העיקרי בין מערכות הינע אזרחיות תעשייתיות למה"צ יש להניח כי גורם הזמן יהיה הבחירה. זמן נמדד בצורות שונות ובאופנים שונים כדלקמן:
- זמן אורך חיים מערכות ההינע – זמן הנמדד בשנים
- זמן תכנון המוצר הסופי והקפאת תצורת מערכת ההינע
- זמן אחסנה בהתאם למשטרי רענון שונים – עד 15 שנה
- זמן "מוכנות לקרב " לאחר אחסנה ומשך זמן המוכנות – נמדד בשעות ואף בשניות בודדות
- זמן מערכת הצתה ושיגור חשמלית – נמדד במילישניות
- זמן מנוחה בין הפעלה להפעלה
- זמן הפעלה בשינויי טמפרטורה
- זמן אספקה למערכות הנעה זהות עם אותם שנויים שנדרשו במקור ועוד
אמינות ופגיעות
עד לסוף שנות השמונים אמינות מה"צ התבססה על מודלים מתמטיים וסטטיסטיים מורכבים שמדדו בעיקר את הסתברות התנועה הסיבובית המכנית של המנוע ומספר סיבובים מובטח. גישה זו עדיין בשימוש אך רק לצורך קביעת אורך חיי המיסבים.המעבר למנועים ללא מברשות מבוקרי אלקטרוניקה ושימוש במגנטים מדור חדש, פיתוח מנגנוני חלל SPACE MECHANISM והרחבת מעטפת המשימות כמו משימות ארוכות טווח LONG DORATION MISSION הובילו לבניית מודלים למדידת אמינות המבוססים על שיטות בדיקה ומדידה אחרים כגון בדיקות יונים – פריקה מולקולרית, האצה רדיואקטיבית, הדמיה תרמית ומגנטית.
תאימות
ההגדרה לתאימות איננה ברורה וחדה. מקובל לכלול תחת תאימות את כל אותם משתנים נוספים אשר תורמים לקבלת מה"צ מתאימה לסביבת הפעולה שלה. הדוגמא שלהלן תבהיר נושא זה.במערכת הינע מסוימת ניתן להשתמש ב –3 סוגי תמסורות פופולריות והן:
- תמסורת טורית SPUR
- תמסורת פלנטרית PLANETARY
- תמסורת הרמונית HARMONIC
כל שלושת התמסורות מתאימות מבחינת מומנט העומס החיכוכי הנדרש וכל השלושה ניתנות לחיבור לאותו מנוע ועומדות בדרישות המאמץ המכני על הציר כפי שהוכתב.אך יש הבדלים ביניהם עיקריים ביניהם –
- תמסורת טורית שקטה יותר וקלה יותר
- תמסורת פלנטרית חזקה יותר ואדישה לגבי כיוון הסיבוב
- תמסורת הרמונית הינה ללא חופש אך לעומת זאת עם קשיחות גבוהה
בתמונה – תמסורת פלנטרית – שמש אחת וארבעה לווינים.
אם כן, כיצד נבחר את המתאימה? כאן בא לידי ביטוי הניסיון והידע שלנו , בסיוע החברות המובילות בעולם, בהתאמת המערכת בהתאם לצורך הפרטני של האפליקציה הצבאית, ע"י שימוש בשילובים והתאמות ו " תפירת " מערכת ההנעה לאפליקציה הצבאית הנדרשת.