מאיצים את מהפיכת המימן
בימים כתיקונם, תשעה מיליון ישראלים פוקדים את נתב"ג מדי שנה בדרכם ליעדים בחו"ל - תדירות טיסה מרשימה בהחלט, שאינה רחוקה מדפוסי השימוש המוכרים במדינות מפותחות אחרות בעולם.
האפשרות לטוס הוסיפה ממד בעל משמעות לחיי האדם. התפתחות התעופה המסחרית מאפשרת לנו לטייל בעולם באופן שאבותינו הקדמונים לא יכלו לדמיין. אבל התענוג, איך לא, מגיע עם תג מחיר. ענף התעופה הוא תורם מרכזי לפליטת גזי חממה. בעוד שתעשיית התעופה כולה פועלת זה כמה עשורים לשפר את הביצועים הסביבתיים של התחבורה האווירית, היא עדיין מייצרת 3-2 אחוזים מסך פליטת הפחמן הדו-חמצני שהאנושות משחררת אל האטמוספירה.
מומחי תעופה צופים שיעור גידול שנתי מורכב של 3.5% (CAGR) בשני העשורים הבאים. הדבר מבטא הכפלה של מספר הנוסעים והטיסות כיום. התעשייה מתמודדת עם אתגרים חברתיים, סביבתיים וכלכליים הולכים וגדלים, ונדרש לצמצם פליטות מזהמים ולמעשה להמציא מחדש את הדרך שבה טסים מטוסים.
מדינות וחברות רבות הטמיעו יעדים שאפתניים לתעופה בת-קיימה לשנים הקרובות, בהם צמצום של 50% מנפח הפליטות עד 2050 יחסית לרמות של 2005. כולן מאוחדות סביב ההבנה: הגיע הזמן להמציא מחדש את הדרך שבה אנחנו טסים.
טכנולוגיות מטוסי מימן
כדי לעמוד ביעדי תעופה בת-קיימה דרושה טכנולוגיה מתקדמת שתעזור לנו לפרוץ את תקרת הזכוכית של עיצוב המטוסים המסורתיים במערכות ההנעה ובמערכות נוספות של המטוס, וזאת בשתי רמות.
ברמה הראשונה, פתרונות רלוונטיים ליצרני ציוד מקורי (OEMs): הגדרת ארכיטקטורת המטוסים, אינטגרציה של מערכת, אימות מטוסים, תכנון תשתיות, לוגיסטיקה ומודיעין שוק.
הרמה השנייה כוללת פתרונות שמיועדים למהנדסי מערכות המשנה ולספקי המימן: פיתוח תאי דלק, טורבינות מימן, אחסון ומערכות הפצה.
כל מרכיב בכל אחד מהפתרונות האלה כולל שכבות של ייצור ואישור.
ארכיטקטורת כלי טיס: הקצאת שטח וחלוקת אזורים
במתודולוגיית עיצוב המטוסים מסתמכים על מטוסים קיימים שמונעים על ידי מערכות מסורתיות. בדרך זו אפשר לנתח מערכות הנעה קונבנציונליות ומערכות מבוססות תאי דלק מימניים ולהשוות את הביצועים של הטכנולוגיות הקיימות לאלו העתידיות. כאשר צרכי התכנון ברורים באופן מלא, השלב הראשון בתהליך עיצוב המטוס הוא הגדרת ארכיטקטורת המטוס, כולל הקצאת החלל הראשונית וארגון מערכות המשנה כגון טנק ותאי הדלק.
באמצעות אנליזת ביצועים אנו מזהים מספר קונפיגורציות של המטוס שעומדות בדרישות הבטיחות והיעילות, משווים ביניהן ובוחרים באופציה הטובה ביותר. מעצבי המטוסים יכולים להתנסות באלפי קונספטים ואלטרנטיבות באמצעות יכולות הסימולציה בפלטפורמת 3DEXPERIENCE.
באמצעות Concept 3D Architecture & Simulation של דאסו סיסטמס אפשר להבין ולנתח מודלים 3D CONCEPT ולהקצות חללים לציוד ואזורים לפי מגבלות נתונות ודרישות בטיחות, הכול באמצעות דגם וירטואלי שמשלב את כל הדיסציפלינות (מבנה, חשמל, נוזל וציוד). את הקונפיגורציה הנבחרת אפשר לייעל באמצעות טכניקות לאופטימיזציה מולטי-דיסציפלינרית. הכול קורה באופן מובנה בפלטפורמה.
הקצאת חללים וחלוקת אזורים. צילום: יח"צ דאסו סיסטמס
האצת בדיקות אבטיפוס של מטוסים
שימוש בתאום וירטואלי בפלטפורמה של דאסו סיסטמס יסייע להאיץ בדיקות אבטיפוס של המטוס באמצעות עיצובים תלת-ממדים מתקדמים המבוססים על תרחישים מהחיים האמיתיים. אנשי המקצוע בפרויקט יוכלו לבדוק, לאמת ולחזות במדויק את הביצועים של תכונות במטוס במרחב וירטואלי נטול סיכונים הרבה לפני שתהליך הייצור מתחיל. בדרך זו אפשר להשיג בקלות אימות קריטי כבר בשלב התכנון תוך צמצום פליטות ועלויות, הפחתת בזבוז והבטחת חיסכון במשאבים.
אנליזת ביצועים למבנה מטוס. צילום: יח"צ דאסו סיסטמס
פלטפורמת 3DEXPERIENCE משמשת לאורך התהליך כמקור אמת יחיד, וכך מונעת עבודה מיותרת במעבר משלב הקונספט לשלב התכן הראשוני.
אִחסוּן
האתגר העיקרי בארכיטקטורת מטוסים מונעי מימן הוא צפיפות האנרגיה הנמוכה של המימן יחסית לנפח. מטוס מונע במימן מצריך פי ארבעה עד חמישה מהנפח שהיה תופס מטוס דלק קונוונציונלי כדי לשאת על סיפונו אותה אנרגיה. גם אספקת מימן בתצורת גז מצריכה נפח אחסון רב. הדחיסה הנדרשת כדי להתאים לנפח האחסון הקיים מגדילה את העלויות ואת הדרישות סביב אספקת האנרגיה של הכלי, והופכת גם את נושא המשקל לאתגר.
אתגר נוסף הוא צמצום המשקל של מכלי המימן הנוזלי ב-50%. אחת השיטות לעשות זאת היא שימוש בחומר קל משקל עם אינטראקציה חזקה עם מימן ללא תגובה.
בשלב הזה כבר ברור שאחסון מימן הוא אתגר המונח לפתחם של מהנדסי חומרים, ויהיה קריטי להבין את האינטראקציות שלו עם אלמנטים אחרים. כאן נכנסת לתמונה פלטפורמת 3DEXPERIENCE, שעושה הכול מסימולציית זרימה בממד אחד לסימולציה תלת-ממדית שמתמקדת בחומרים ומאפשרת ליצרנים לצפות בכלי שהם מעצבים ולחוות אותו במגוון תנאי הפעלה. במקרה של מכלי מימן נוזלי, הפתרונות הייחודיים של הפלטפורמה מאפשרים להם להעריך את הלחץ והטמפרטורה בפרופיל שכבתי בתוך המכל כבר בשלב התכנון, ולהבטיח שמימן נוזלי לעולם לא יתנדף.
סימולציית זרימה של מערכת אחסון מימן נוזלי. צילום: יח"צ דאסו סיסטמס
תאי דלק מימן
תא דלק מימן משתמש באנרגיה הכימית של מימן כדי לייצר חשמל. הוספת מאגר אנרגיה (כגון סוללה) למערכת זו מסייעת להבטיח מעקב עומס רציף ו"השטחת" עקומות שיא הביקושים. כך אפשר לבחור את גודל המערכת של תאי הדלק באופן אופטימלי.
האופציה המתקדמת והמתאימה ביותר העומדת לרשות התעופה כיום כוללת תאי דלק עם ממברנת החלפת פרוטונים (PEM) בטמפרטורה נמוכה.
כדי לתכנן מערכות תאי דלק למטוסי נוסעים, יש להגדיר את דרישות המערכת של המטוס. בתכנון תא הדלק של המטוס ישנן כמה פונקציות קריטיות שיש להביא בחשבון: ניהול חום, עמידות תא הדלק, צפיפות אנרגיה ואספקת כוח גבוהה, אמינה ואיכותית למערכת. פלטפורמת 3DEXPERIENCE תומכת במיקור ובבחינת הפונקציות האלה ברמת הרכיב היחיד, תת-המערכת או המערכת כולה.
בדרך זו יצרנים יכולים לבצע הדמיה של תאי דלק של ממברנת אלקטרוליט פולימרי (PEM) וערמות של תאי דלק לשלבי ה-pre-design, להעריך אסטרטגיית שליטה וLoss Analysis-, ולחזות את הביצועים של תא דלק שלם במערכות וירטואליות בכל מיני סדרי גודל.
מנועי מימן
הדרישות ממנועי המימן ברורות. המנועים צריכים להיות יעילים יותר ולפלוט רק פליטות שאינן CO2 כגון תחמוצות חנקן (NOx). כדי להבטיח שמנועים אלה ייכנסו לשימוש תוך עשור, יצרני המנועים יצטרכו להאיץ את כל שלבי הפיתוח. פלטפורמת 3DEXPERIENCE מסייעת ליצרנים להגדיר את העיצוב בדייקנות ולפרטי פרטים. יתרה מזאת, אפשר להתמקד בקלות בתת-מערכות של מנוע המימן - מזרקי דלק למשל, ולחוות ולחזות את התפקוד שלהם באמצעות מודלים אינטגרטיביים וסימולציה. לדוגמה, אפשר לבצע סימולציה של ערבוב נוזלים המשלבת מימן ואוויר כדי לזהות אזורים של ערבוב שאינו יעיל שעלול לייצר תחמוצות חנקן.
אישורים
כדי לקבל את האישורים הנדרשים וכדי שהמוצר יוכל "לעוף" יצרנים נדרשים לעמוד בדרישות הבטיחות של הרשויות. האישורים הקיימים לכלי טיס רוטוריים מסורתיים או כלי טיס בעלי כנף קבועה, אינם מכסים את הקונפיגורציות הייחודיות של מנוע מימן, לכן חשוב שהחברות הרלוונטיות יאיצו את הפיתוח וההטמעה של טכנולוגיות חדשות.
אחרי הכול, לזמן יש תפקיד מכריע: התהליך של אישור כלי טיס והבאתם לשימוש מסחרי עשוי להימשך יותר מעשר שנים. החלפה מסיבית של צי המטוסים תצריך עשור נוסף.
יצרנים שרוצים להבטיח את רמת הביצועים המצופה מהכלי ישתמשו בסימולציה וירטואלית לשם שימוש חוזר בעיצובים קיימים ולחיסכון בעלויות. כך אפשר לבחון פתרונות לפני שמתחילים מבחנים על אבטיפוס פיזי בעולם האמיתי.
מבחני בטיחות ואמינות מסורתיים כוללים מספר סבבים של ניסוי וטעיה על כמות מוגבלת של קונפיגורציות. התוצאות שמתקבלות בגלל מגבלה זו אינן אופטימליות. כשמשתמשים בסימולציה, השימוש החוזר בעיצוב קיים הוא פשוט, וכללי הפיסיקה יחולו על העיצוב החדש באופן אוטומטי.
כדי לעמוד ברגולציה, נצטרך להוכיח מילוי של כל הדרישות הנוגעות לביצועים, ונצטרך להיות מסוגלים להצדיק את אופן בניית המסקנה. מהסיבה הזו, דרישות ופתרונות עיצוב חייבים להיות ניתנים למעקב מהרגע הראשון שעבודת הנדסת המטוסים מתחילה.
מקור יחיד של אמת מסייע לחברות להפיק תועלת מהנתונים הדיגיטליים באופן מתמשך ומאפשר לרשויות המאשרות לראות בבהירות את הכוונות שבבסיס עיצוב המוצר. בדרך זו אפשר בקלות לתכנן, לבצע ולעקוב אחר אסטרטגיית תעודת הסווג (type certification) של החברה, כשכל המעורבים יכולים לייצר ולאשר ללא קושי את התוצרים שלהם בפרויקט.
יש לציין שתוצרי-משנה בפרויקט שלא יסופקו בזמן ולא יהיו נגישים, יגרמו עיכובים בתהליך האישור.
פלטפורמת 3DEXPERIENCE מסייעת ליצרני ציוד מקורי לבנות מאגר אתגרים לרגולציות ולסרוק בקלות את אתרי האינטרנט של רשויות הרישוי האווירי. היא מאפשרת להם ליצור מאגר אתגרים מדעי ושקוף לניהול עמידה ברגולציות, מודלים וירטואליים, שיטות, נוסחאות מתמטיות ותוצאות קודמות שנרשמו. הפלטפורמה מסייעת ליצרני OEM גם בקבלת החלטות, מאפשרת להם לספק מידע מתומצת בתצורת חלון המידע ולתקשר משימות ביעילות באמצעות סטטוסים של אישור הפרויקט, בדיקות מעקב אחר קמפיינים, הגשות והנפקת מסמכים.
אתגרי שרשרת אספקה ותשתיות
המעבר לדלק מימני יציב אתגר גם לשדות התעופה, שיצטרכו לתכנן מחדש את התשתית ואת המערכות הלוגיסטיות שלהם. ראשית, מימן הוא נפיץ מאוד, והדבר מצריך ניטור של הטמפרטורה בסביבת המטוס והסטת מכלי האחסון מחוץ לשדה התעופה כדי להקטין את הסיכון לשרשרת של פיצוצים.
במילים אחרות, שטח האחסון הדרוש לניהול שדה תעופה גדל, שלא לדבר על המורכבות הלוגיסטית והבטיחותית בשמירת המימן בצורתו הנוזלית, שמחייבת סביבה בטמפרטורה של -253°C.
סיכום
כדי להגיע לתעופה בת-קיימה, עלינו להתקדם באופן חלק. אינטגרציה של נתונים בזמן ומודלים עשירים ואינטגרטיביים לאורך תהליכים, מקצה לקצה, הם יכולות קריטיות להתקדמות כזו. כשצוותים עובדים על פלטפורמה שיתופית אחת, אפשר לבצע אופטימיזציה של מערכות הנעה של הדור הבא, כולל תאי דלק יעילים במיוחד, סוללות ארוכות חיים ואחסון מימן בטוח, לבדוק, לאמת ולתקף את עמידות החומרים והעיצובים של מטוסים, ולהרים את ביצועי המטוסים לגבהים חדשים, לעתיד בר-קיימה בתעופה.
אלי בויקיס - מנהל הפעילות של דאסו סיסטמס בישראל.
