Chlazení elektroniky v letectví a kosmonautice pomocí numerických simulací

Letadla i kosmické sondy nesou stále více elektroniky. Ta se musí vejít do menšího prostoru, vážit méně a spolehlivě fungovat v podmínkách, jaké na zemi běžně nenastanou. Teplo, které přitom vzniká, se stává jedním z hlavních omezení návrhu. Podívejme se, proč je tepelný management palubní elektroniky tak náročný, proč jej nelze efektivně ladit jen na fyzických prototypech a jaké možnosti nabízejí numerické simulace v prostředí Ansys.

Elektrifikace palubních systémů

Jedním z nejvýraznějších trendů v konstrukci letadel je koncept „více elektrického letadla“ (More Electric Aircraft, MEA). Hydraulicky či mechanicky poháněné aktuátory nahrazují elektromechanické a elektrohydrostatické pohony a pneumatické systémy, které využívají vzduch odebíraný z motorů (bleed air), ustupují elektricky poháněné klimatizaci a odmrazování. Známým příkladem je Boeing 787, u něhož byl odběr vzduchu z motorů pro klimatizaci kabiny a odmrazování křídel nahrazen elektrickými systémy. 

Kokpity jsou dnes již plně elektronické a s rozvojem pokročilé avioniky a autonomních systémů bude podíl elektroniky na palubě dále růst. Nejde přitom jen o civilní letectví. Úspora hmotnosti a prostoru, jednodušší údržba a lepší diagnostika jsou stejně cenné pro vojenské platformy, bezpilotní prostředky i nově vznikající segment elektrických a hybridních letadel.

Image

Obr 1: Srovnání konvenční a „více elektrické“ architektury letadla: pneumatické a hydraulické rozvody nahrazují elektrické systémy
Zdroj: Provost, M. J. (2002), The More Electric Aero-engine: A General Overview from an Engine Manufacturer, Fig. 1, s. 246. DOI: https://doi.org/10.1049/cp:20020122]

Více elektroniky znamená více tepla

Každý watt, který projde měničem, řídící jednotkou nebo procesorem, se zčásti přemění na teplo. S elektrifikací roste instalovaný elektrický výkon na palubě a spolu s ním i ztrátové teplo, které je nutné odvést. Elektronika se přitom zmenšuje. Výkonové polovodiče na bázi karbidu křemíku (SiC) a nitridu galia (GaN) umožňují vyšší spínací frekvence a kompaktnější měniče, jenže na menší ploše roste hustota tepelného toku.
Teplota je zároveň jedním z hlavních faktorů, které určují životnost elektroniky. Degradační mechanismy, jako je elektromigrace, stárnutí dielektrik nebo únava pájených spojů při teplotních cyklech, se s rostoucí teplotou zrychlují. Tepelné namáhání proto figuruje v metodikách predikce spolehlivosti, jako je FIDES, a návrh plošných spojů se opírá o normy IPC-2221 a IPC-2152, které mimo jiné řeší dimenzování vodičů s ohledem na jejich oteplení.

Letectví přitom nabízí jen omezené možnosti, kam teplo odvést. Každý chladič, ventilátor či kapalinový okruh přidává hmotnost a spotřebovává energii a v některých architekturách slouží jako chladicí médium i samotné palivo.

Tepelný management se tak stává systémovou otázkou, nikoli jen detailem návrhu jedné desky.

 

Extrémní provozní podmínky

Palubní elektronika musí spolehlivě fungovat v prostředí, které se během jediného letu výrazně mění. Na letištní ploše může být vystavena vysokým teplotám a slunečnímu záření, ve výšce naopak mrazu a u zařízení v netlakovaných prostorech také výrazně nižšímu tlaku vzduchu. Řidší vzduch má menší hustotu, a tedy i nižší schopnost odvádět teplo konvekcí. Ventilátor, který desku na zemi bez problémů uchladí, tak ve výšce odvede jen zlomek tepla.
Minimální požadavky na environmentální zkoušky palubního vybavení definují normy. V civilním letectví je uznávaným standardem RTCA DO-160, v Evropě vydávaná jako EUROCAE ED-14. Pro vojenskou techniku v rámci NATO plní obdobnou roli STANAG 4370, v ozbrojených silách USA pak MIL-STD-810.

Pro představu, norma ED-14 obsahuje 23 technických sekcí, které lze rozdělit do tří oblastí:

• Klimatické a atmosférické vlivy – provozní a skladovací teploty (podle kategorie zařízení například od −55 °C do +70 °C), provoz ve výšce a dekomprese, rychlé změny teploty a vlhkost, ale také odolnost proti vodě, prachu, námraze, solné mlze, plísním a agresivním kapalinám, jako je palivo, hydraulický olej nebo odmrazovací směsi.
• Mechanické namáhání – provozní rázy, vibrace a odolnost při nouzovém přistání.
• Elektrické vlivy a elektromagnetická kompatibilita – kvalita napájení, napěťové špičky, odolnost vůči vysokofrekvenčnímu poli, účinkům blesku a elektrostatickým výbojům i omezení vlastních emisí.

Z pohledu chlazení je klíčová první skupina, oblasti se však prolínají. Kombinace teplotních cyklů a vibrací patří k typickým příčinám únavového poškození pájených spojů.

Ve vesmíru je problém ještě složitější

Kosmonautika na letectví přirozeně navazuje. S chlazením elektroniky se ale vypořádává zásadně jinak. Ve vakuu chybí okolní atmosféra, a konvekce tak prakticky odpadá. Teplo lze odvádět pouze vedením do konstrukce a následně sáláním do okolního prostoru. Součástka, která na zemi spoléhá na proudění vzduchu kolem pouzdra, se proto ve vakuu může přehřát, přestože zkouška za atmosférického tlaku žádný problém neodhalila.
Konstruktéři pracují s řadou specifických prostředků: radiátory s vhodně zvolenými optickými vlastnostmi povrchu, klasické i smyčkové tepelné trubice (heat pipes, LHP), vícevrstvá izolace (MLI), materiály s fázovou přeměnou (PCM) nebo elektrické ohřívače, které udržují citlivé komponenty nad minimální provozní teplotou.

Image

Obr 2: Ukázka schématu teplotního managementu ve vesmírných podmínkách

Návrh musí zohlednit proměnlivé vnější tepelné toky: přímé sluneční záření, albedo (sluneční záření odražené od Země) a vlastní tepelné vyzařování Země. Na nízké oběžné dráze se k tomu přidávají pravidelné přechody do zemského stínu zhruba každou hodinu a půl a s nimi opakované teplotní cykly. Tepelný návrh se proto ověřuje pro krajní stavy, tzv. horký a studený případ (hot case/cold case) a doporučuje se ověřovat odolnost PCB a pájených spojů právě pro toto teplotní cyklování.

Vývoj se řídí normou ECSS-E-ST-31C pro tepelnou kontrolu, materiály musí splňovat požadavky na odplyňování ve vakuu podle ASTM E595 (limity celkové ztráty hmotnosti TML a kondenzovatelných těkavých látek CVCM) a ověření probíhá v termovakuových komorách (TVAC), například podle standardu NASA GEVS (GSFC-STD-7000).