בוחרים את התבנית המתאימה לאנטנות החמקן בעזרת ®COMSOL Multiphysics

קבוצת Altran מובילה עולמית בחדשנות והייטק בתחומי חלל ותעופה, כלי רכב ממונעים, אנרגיה, רכבות, ועוד. הקבוצה עובדת על פרויקט שקשור למחקרים אודות בנייתן ומיקומן של אנטנות וחיזוי של שח"מ (שטח חיתוך מכ"ם). אחד הפיתוחים הגדולים ביותר עליה עובדת הקבוצה בתחום זה הינו ספינות ומטוסים חמקנים אשר יודעים להיעלם מהמכ"ם.
באופן כללי הם מסוגלים לעשות זאת ע"י שילוב של מספר טכנולוגיות, כולל צורת שטח הפנים של המטרה, על מנת להחזיר אנרגיה מהמקור, והשימוש בחומרים שסופגים את אותות הרדאר. עם זאת, על מנת שאנטנה של ספינה או מטוס תתפקד כראוי, היא לא יכולה להיות לגמרי מכוסה – דבר שהופך אותה לאחד הרכיבים היחידים שנותרו שהם בעלי שח"מ גדול, מה שיכול למעשה להרוס את חוסר הנראות הכללית של המערכת לרדאר
השח"מ תלוי בקוטביות ובתדר של הגל החשמלי. כאשר נחשול אלקטרומגנטי שולח אות חשמלי למטרה, זרמים חשמליים יוצרים השראה חשמלית במטרה, וקרינה משנית מהמטרה יוצרת גל מפוזר. השדה המפוזר הזה נשלח באופן חלקי ישירות חזרה למקור הגל החשמלי, וזהו העיקרון עליו פועל מכ"ם. שיא הגל החוזר קשור לשבח האנטנה ולשטח הפנים היעיל שלה. כאן ישנו טוויסט אירוני: מתכנני אנטנות בדרך כלל רוצים למקסם את שבח האנטנה, אך על מנת לצמצם את השח"מ הם חייבים לבצע את ההפך, ספציפית להוריד את השבח.
דרך אחת לעקוף בעיה זו היא להשתמש בשטח פנים סלקטיבי של תדר (FSS). הוא מכיל תבנית של חורים או שטחי פנים על מצע, שלמעשה יוצרים גורם מסנן. בטווח התדר הרצוי, האנטנה מתפקדת רגיל. בתדרים אחרים, ה FSS קולט במקום לפזר, קרינה חשמלית. אנטנות לרוב ממוקמות בתוך כיפה המגנה על אנטנות מכ"ם. אם הכיפה עשויה מ FSS כזה, השח"ם שלה מופחת בצורה משמעותית, פרט לתדרים הפעילים.

תוכנת ®COMSOL Multiphysics הייתה כלי משמעותי ועיקרי במחקרי קבוצת Altran בתחום הזה, כולל בניית גיאומטריות וצורות עבור ה FSS, בחינת העובי, התשתית, השלבים בין כל האלמנטים, קונפיגורציות פיזיקליות ותדרים שיוצרים תהודה, כולם קיבלו מענה מדויק בתוכנת ®COMSOL Multiphysics. ה- FSS מכיל שורה של אובייקטים גיאומטריים, ויכול להיות מאוד גדול מבחינה חשמלית עם שלבים רבים בכל אובייקט, דבר שהופך בניית סימולציה למסורבלת ויקרה במונחי כוח וזמן של מחשב.

למזלה של הקבוצה, ל- ®COMSOL Multiphysics יש פתרון מצוין לבעיה. התוכנה מאפשרת בניית סימולציה של יחידת תא אחת ולכן התהליך צורך הרבה פחות זמן. האפשרות הזו של התוכנה מספקת המשכיות של השדות החשמליים והמגנטיים כך שמתקבלות תוצאות שוות ערך ממש כאילו מבצעים סימולציה על מערך שלם של אובייקטים.

הקבוצה השתמשה ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לחקור את תגובות התדרים במגוון צורות וגדלים, וכיצד הם מופצים על פני השטח. אפשרי גם להכין תרשים מסובך יותר על ידי שימוש בשני מבנים בעלי התנהגויות משלימות. האפשרות לנסות כל מספר של צורות מבליטה מבליטה את יכולותיה של התוכנה בלעזור למשתמשים להיות יעילים יותר במציאת פתרונות.
הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

בואינג בונה סימולציות ב- ®COMSOL Multiphysics של התפשטות חום בתרכובות בעלות רדיד מתכת מורחב עבור הגנה מפני ברקים בכלי טיס:

מטוס הבואינג 787 דרימליינר הינו חדשני בכך שיותר מ- 50% ממנו עשויים פלסטיק מחוזק שעשוי סיבי פחמן (פמס"פ), בשל משקלו הקל של החומר הזה וחוזקו יוצא הדופן. על אף שלתרכובות פמס"פ יש יתרונות רבים, הם לא מסוגלים למתן את הנזק הפוטנציאלי מהאפקטים האלקטרומגנטיים שנוצרים בעת פגיעת ברק במטוס. כדי לפתור בעיה זו, רדיד מתכת מורחב (רמ"מ) מוליך חשמל יכול להתווסף לתרכובת על מנת לפזר במהירות חום וזרמים וכך להגן על הפמס"פ של כלי טיס בפגיעות ברקים.
מהנדסים במעבדות המחקר והטכנולוגיה של בואינג משתמשים בסימולציה מולטיפיזיקלית ובמדידות פיזיקליות על מנת לחקור את ההשפעה שיש לפרמטרי רמ"מ על לחצים תרמיים ותזוזות בכל אחת משכבות מבנה התרכובת. לחץ מצטבר בשכבת ההגנה של מבנה התרכובת כתוצאה ממחזוריות תרמית בשל מחזור התעופה בעל סגנון "מקרקע לאוויר". במהלך הזמן השכבה עלולה להיסדק, מה שמאפשר את הכניסה של לחות וזנים סביבתיים אשר יוצרים קורוזיה ברמ"מ, ובשל כך מפחיתים את המוליכות החשמלית שלו ויכולתו לבצע את פונקצית ההגנה. מטרת המחקר הינה לשפר את היציבות התרמית הכללית במבנה התרכובת וכך להפחית את הסכנות ואת עלויות התחזוקה שנקשרים עם נזקים בשכבת ההגנה.
סימולציות התפשטות חום בתרכובות כלי טיס
תרשים ההגנה נבנה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics ובו שכבות אשר כל אחת כוללת פרמטרים שתורמים לצמיחת הלחץ המכני בשכבת ההגנה על פני הזמן בשל היותם כפופים למחזוריות תרמית. הגיאומטריה שנעשה בה שימוש בתרשים נלקחה ממודל מקדם התפשטות החום שפותח ב- ®COMSOL Multiphysics ע"י צוות החוקרים, במטרה להעריך את הלחץ התרמי והתזוזה בכל שכבה, בדוגמא מרובעת בגודל 1 אינץ' של מבנה התרכובת.

במחקר זה, גובה הרמ"מ, עובי קווי הרשת, יחס הכיוון, ההרכב המתכתי ומבנה השטח – השתנו מספר פעמים על מנת להעריך את השפעתם על ביצועים תרמיים לאורך המבנה כולו. הרכבו המתכתי של הרמ"מ היה אלומיניום או נחושת, כאשר רדיד אלומיניום מצריך פיברגלס נוסף בין הרמ"מ והתרכובת כדי למנוע קורוזיה מגולוונת.
מאפייני החומר בכל שכבה כוללים את מקדם התפשטות החום, נפח החום, צפיפות, מוליכות תרמית, מודול האלסטיות, ומקדם פואסון. אלו נוספו למודל שנבנה ב- ®COMSOL כערכים מוגדרים אישית. מקדם התפשטות החום של שכבת הצבע מוגדר ע"י פונקציה שמייצגת את השינוי הפתאומי בהתפשטות החום בטמפרטורת מעבר הזכוכית של החומר.
במודל מקדם התפשטות החום, ממשק הלחץ התרמי המולטיפיזיקלי מצמד מכניקת מוצקים עם מעבר חום על מנת לסמלץ התפשטות חום ולפתור עבור התזוזה לאורך המבנה. הסימולציות הוגבלו לחימום של מבנה התרכובת כפי שנצפה בעבר בכלי טיס בהם טמפרטורות סופיות והתחלתיות הוגדרו במודל לייצג את טמפרטורות הקרקע והגובה בהתאמה.

מעבדת המחקר של הצי האמריקאי משתמשת בסימולציות ב- ®COMSOL Multiphysics לטובת מניעת קורוזיה

היא עולה מיליארדי דולרים בשנה, קורוזיה היא הבעיה של כולנו. מחקר יסודי של מדעי הקורוזיה במעבדת המחקר של הצי האמריקאי יאפשר למדענים לתכנן חומרים שמטרתם למנוע הופעת קורוזיה.

קורוזיה היא בעיה מולטיפיזיקלית מורכבת אשר נמצאת כרגע תחת חקירה של סידיק קידוואי, מהנדס מכונות, וחבריו לעבודה במעבדת המחקר של הצי האמריקאי בוושינגטון הבירה. "בטווח הארוך, הצלחת המחקר שלנו תוביל לקורלציות קורוזיה של מיקרו-מבנים שיאפשרו למתכנני חומרים לכלול או לבטל תכונות שונות בפיתוח של חומרים מונעי קורוזיה חדשים", מסביר קידוואי. דוח מ- 2011 של האקדמיה הלאומית למדעים מטעם המועצה למחקר לאומי בארה"ב קובע כי "מחסור במידע בסיסי אודות קורוזיה משקף בצורה ישירה את עלויות הקורוזיה לחברה". בהתבסס על המספרים שדווחו בדצמבר 2010, לא פחות מ- 600 מיליארד דולר, שהם 2-4 אחוז מהתל"ג של ארה"ב שולמו לטובת תיקון או מניעה של נזקי הקורוזיה. ענף התחבורה שכולל ים, אוויר ויבשה, מושפע במיוחד מקורוזיה כאשר עלויות תחזוקה לטובת שימור בטיחות הנוסעים ואריכות ימים של כלי תחבורה, הן גבוהות מאוד.

גרעינים קטנים עם השפעה גדולה
קורוזיית גימום מתרחשת במתכת כאשר תגובות אלקטרוכימיות והעברת מסה בתמיסות אלקטרוליטיות סמוכות, מסתיימות באובדן מקומי של חומרים. "הגומה ממשיכה לגדול ולבסוף החומר או הרכיב יקרסו תחת העומס", אומר קידוואי, ומדגיש את ההשפעה שיכולה להיות לקורוזיה על החוזק או האמינות של חומר. קידוואי וחבריו לעבודה הגו גישה חדשנית מקיפה להבנה טובה יותר של קורוזיית גימום. "אנחנו ממדלים את הצמיחה של גומות קורוזיה במתכות באיזורים של מי-ים. המיקרו-מבנה של המתכת לא היווה את מוקד תשומת הלב במחקרים קודמים, וכתוצאה מכך האתגרים שנקשרים עם צמיחה בלתי שגרתית בשל מיקרו-מבנה לא נלקחו בחשבון. מטרתנו היא לבצע מודל מולטיפיזיקלי מצומד לחלוטין של צמיחת גומה תחת היישום של כוחות מכאניים על מנת לכמת את ההשפעה הכוללת על האחידות המבנית עם מיקרו-מבנה של חומר שנלקח בחשבון בתהליך.