معماری سیستم‌های برقی توزیع‌ شده در هواپیمای هیبریدی

نویسنده : شاهرخ بهروزی 

موضوع : معماری سیستم‌های برقی توزیع‌ شده در هواپیمای هیبریدی

Topic: Distributed Electrical System Architecture in Hybrid Aircraft

• چگونه معماری سیستم‌های برقی توزیع‌ شده می‌تواند بازده انرژی در هواپیماهای هیبریدی را افزایش دهد؟

• چه نقش ‌هایی برای سیستم‌های برقی توزیع‌ شده در ایمنی و قابلیت اطمینان پروازی در نظر گرفته می‌شود؟

• استفاده از فناوری هیبریدی چه تغییراتی در طراحی و مدیریت توان الکتریکی ایجاد می‌کند؟

• سیستم‌های اصلی الکتریکی در یک هواپیمای هیبریدی چگونه با موتورهای احتراقی و الکتریکی یکپارچه می‌شوند؟

History

پیشرفت معماری سیستم‌های برقی در صنعت هوافضا از دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ آغاز شد، زمانی که نخستین سیستم‌های برقی پیچیده در هواپیماهای تجاری وارد استفاده شدند . اما تا سال ‌ها تمرکز اصلی بر سیستم‌های هیدرولیکی و پنوماتیکی بود و نقش سیستم‌های الکتریکی محدودتر بود . با ورود مفهوم More Electric Aircraft (MEA) در دهه ۱۹۹۰، رویکرد صنعت به سمت جایگزینی سامانه‌های مکانیکی با سامانه‌های تمام ‌برقی تغییر کرد و زمینه برای ایجاد هواپیماهای هیبریدی و الکتریکی فراهم شد .

در دهه ۲۰۱۰ و با توجه به افزایش نگرانی ‌های محیط‌ زیستی ، شرکت‌های هوافضایی به طراحی هواپیماهای هیبریدی و تمام ‌برقی علاقه‌ مند شدند و نیاز به سیستم‌های برقی توزیع‌ شده به‌ عنوان ستون اصلی این نسل جدید احساس شد .

ایده سیستم‌های برقی توزیع ‌شده (Distributed Electrical Systems) ابتدا در پهپادهای سبک آزمایش شد و سپس به پروژه‌های بزرگی مثل NASA X-57 ، Airbus E-Fan و پروژه‌های E-Hybrid تسری یافت .

امروزه این معماری یکی از پایه‌ های اصلی طراحی هواپیماهای هیبریدی محسوب می‌شود و مسیر آینده صنعت هوانوردی به‌ شدت بر روی آن متمرکز است .

Introduction

هواپیماهای هیبریدی ترکیبی از سامانه‌های پیشرانش الکتریکی و احتراقی هستند که با هدف کاهش مصرف سوخت ، کاهش انتشار آلاینده‌ها و بهبود بازدهی طراحی می‌شوند . در این هواپیماها ، سیستم‌های برقی نقش بسیار پررنگ‌تری نسبت به هواپیماهای کلاسیک بر عهده دارند ، زیرا بخش بزرگی از توان مورد نیاز پرواز باید از طریق شبکه‌های الکتریکی تولید ، توزیع و مدیریت شود .

به همین دلیل معماری سیستم‌های برقی توزیع ‌شده به ‌عنوان یک استاندارد نوین مطرح شده است . در این معماری ، توان الکتریکی به جای یک یا دو منبع متمرکز ، از طریق چندین واحد مستقل تولید ، ذخیره و توزیع می‌شود که این روش قابلیت اطمینان ، انعطاف‌ پذیری ، و ایمنی را به ‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد .

این نوع معماری به مهندسان اجازه می‌دهد وزن کابل‌ کشی کاهش یابد ، مسیرهای توزیع انرژی هوشمند شوند ، و بخش ‌های مختلف هواپیما در شرایط اضطراری توان مستقل دریافت کنند .

تمرکز مقاله حاضر بر بررسی ساختار ، کاربرد و اهمیت سیستم‌های برقی توزیع‌ شده در هواپیماهای هیبریدی است و تلاش می‌کند تصویری دقیق از نقش آن‌ها در آینده هوانوردی ارائه دهد .

 Systems

• سیستم تولید توان الکتریکی توزیع ‌شده ( Distributed Electric Power Generation System )

این سیستم شامل چندین ژنراتور ، موتور الکتریکی و واحدهای تبدیل انرژی است که در بخش ‌های مختلف هواپیما قرار می‌گیرند .

توزیع بار تولید انرژی بین چند منبع مختلف ، افزایش قابلیت اطمینان و کاهش احتمال از دست رفتن کامل توان .

• سیستم مدیریت انرژی ( Energy Management System [EMS] )

سیستمی هوشمند که جریان انرژی بین باتری‌ها ، موتورهای الکتریکی و ژنراتورها را کنترل و بهینه‌سازی می‌کند .

کاهش مصرف سوخت ، پیش‌بینی نیاز توان ، کنترل وضعیت شارژ و جلوگیری از اضافه‌ بار .

• سیستم ذخیره ‌سازی انرژی ( Energy Storage System [ESS] )

این بخش شامل پک ‌های باتری لیتیومی ، سوپرکاپاسیتورها یا سلول ‌های سوختی است که قادر به ذخیره و آزادسازی سریع انرژی هستند .

فراهم کردن توان لازم برای مراحل بحرانی پرواز مانند تیک‌آف یا مانور های سنگین .

• شبکه توزیع توان الکتریکی ( Electric Power Distribution Network [EPDN] )

شبکه‌ای شامل کابل‌ ها ، توزیع ‌کننده‌ ها ، باس‌ بارها و ماژول‌ های حفاظتی است که توان تولید شده را به مصرف ‌کنندگان مختلف می‌ رساند .

توزیع یکنواخت و پایدار انرژی ، جداسازی بخش ‌های آسیب ‌دیده و افزایش ایمنی .

• واحد کنترل موتورها و درایوها ( Motor Control Unit [MCU]  Power Electronics Drive )

این واحدها مسئول کنترل سرعت ، گشتاور و وضعیت موتورهای الکتریکی هستند و از فناوری‌های پیشرفته الکترونیک قدرت استفاده می‌کنند .

کنترل دقیق پیشرانش الکتریکی هواپیما و بهبود بازده موتور .

• سیستم تولید توان کمکی ( Auxiliary Power Unit – Electric [E-APU] )

نسل جدید واحدهای توان کمکی که به ‌جای سوخت فسیلی ، عمدتاً از انرژی الکتریکی و باتری استفاده می‌کنند .

تأمین توان الکتریکی هواپیما در زمین و پشتیبانی از سیستم‌های حیاتی در شرایط اضطراری .

• سیستم سرمایش و مدیریت حرارتی ( Thermal Management System  [TMS] )

چون سیستم‌های الکتریکی توان بالایی تولید می‌کنند ، نیاز به خنک ‌کاری دقیق دارند .

کنترل دما، جلوگیری از گرم ‌شدن بیش از حد موتورهای الکتریکی ، باتری‌ ها و ماژول‌ های الکترونیک قدرت .

• سیستم کنترل و پایش سلامت ( Health Monitoring and Diagnostic System )

سیستمی که وضعیت اجزا ، دما ، ولتاژ ، جریان ، ارتعاشات و نشانه ‌های فرسودگی را در لحظه پایش می‌کند .

افزایش ایمنی ، تشخیص خرابی قبل از وقوع ، و ارائه هشدارهای دقیق برای نگهداری پیشگیرانه .

Conclusion

معماری سیستم‌های برقی توزیع‌ شده ستون فقرات هواپیماهای هیبریدی محسوب می‌شود و نقشی اساسی در افزایش بازده انرژی ، کاهش مصرف سوخت و بهبود ایمنی دارد . این ساختار باعث می‌شود که بار تولید و مصرف توان بین چندین واحد مستقل تقسیم شود و انعطاف ‌پذیری سیستم به ‌طور قابل توجهی افزایش یابد .

با روند رو به رشد هواپیماهای هیبریدی ، سیستم‌های توزیع ‌شده نه‌ تنها انتخابی تکنیکی بلکه الزام آینده صنعت هوانوردی هستند .

پیش‌بینی می‌شود که با توسعه باتری‌ ها ، الکترونیک قدرت و روش‌های نوین مدیریت انرژی، نسل آینده هواپیماهای هیبریدی به‌ طور کامل وابسته به این معماری باشد.

در نهایت ، این سیستم‌ها نه ‌تنها پایدار تر و اقتصادی ‌تر هستند ، بلکه ایمنی پروازی را در مقایسه با معماری ‌های متمرکز به شکل چشمگیری افزایش می‌دهند.

بنابراین معماری برقی توزیع‌ شده یکی از مهم‌ترین محورهای تحول صنعت هوانوردی در دهه آینده خواهد بود .