Sieć czujników odporna na działanie gorąca
Układy elektroniczne w jednostce sterującej silnika, stanowiącej mózg całkowicie autonomicznego cyfrowego systemu sterowania silnika (FADEC), nie są przystosowane do pracy w bardzo wysokich temperaturach i są zlokalizowane w na obudowie wentylatora silnika. Istnieje zapotrzebowanie na umieszczenie układów elektronicznych z czujnikami obok rdzenia silnika bez specjalnych systemów chłodzenia. Zastosowanie wysokotemperaturowej elektroniki wyeliminowałoby konieczność stosowania specjalnego układu pompowania paliwa, połączenia paliwowego i wymaganych w tym celu złożonych radiatorów. Naukowcy zbadali wykorzystanie technologii krzemu na izolatorze (SOI), aby przezwyciężyć problemy z wydajnością dotyczące elektroniki krzemowej w wysokich temperaturach. Wsparcie finansowe otrzymano w ramach finansowanego przez UE projektu "Development of high temperature survival electronic devices for engine control systems" (HIGHTECS). Zespół opracował platformę elektroniki wysokotemperaturowej z elementami czujnikowymi silników i zdolnością do optymalizacji sygnału. Sygnały analogowe z czujników temperatury, naprężeń i wibracji zamontowanych na silniku były przesyłane do konwertera analogowo-cyfrowego (ADC). Cyfrowe dane wyjściowe o wysokiej integralności byłyby doprowadzane do systemu FADEC i/lub systemu monitorowania stanu silnika w celu uzyskania większej wydajności przy ograniczonej ilości okablowania i zmniejszonej złożoności systemu. Jednostki docelowe pracowały w temperaturach 200 stopni Celsjusza, a krótkoterminowo nawet w 250 stopniach Celsjusza, przez 50 tyś. godzin lotu silnika. Dopasowanie wymaganych temperatur i napięć dla wszystkich podzespołów elektronicznych było dość skomplikowane. Konwerter ADC dostarczony dla potrzeb projektu był wrażliwy na napięcie zasilające i nie spełniał własnej specyfikacji. Napięcia wymagane w celu złagodzenia nieciągłości przekraczały wartości zalecane dla specjalizowanego układu scalonego (ASIC) dedykowanego dla technologii SOI. Przeprojektowanie układu ASIC poprawiło wydajność optymalizacji czujnika analogowego i elementy pomiaru częstotliwości, ale dane wyjściowe konwertera ADC miały wciąż nieliniowy charakter przy napięciu zasilania 5 V zalecanym dla technologii SOI. Dalsze badania będą dotyczyć opracowania prawidłowego funkcjonowania konwertera ADC przy napięciu wymaganym w układzie ASIC technologii SOI. Testy długotrwałego przechowywania przy 250 stopniach Celsjusza potwierdziły, że trwałość urządzenia w technologii SOI przekroczyła docelowe 50 tyś. godzin dla dostarczonych profili temperatury lotu. Zespół HIGHTECS poczynił znaczące postępy w rozwoju platformy wysokotemperaturowego czujnika silnika w technologii SOI wraz z optymalizacją sygnału. Skuteczne wdrożenie tych rozwiązań znacząco zredukuje wagę i złożoność układów monitorowania i sterowania silnika i zwiększy ich niezawodność. W międzyczasie metodologie projektowania dedykowanych układów ASIC i modułów wielochipowych oraz technika pakowania elektroniki wysokotemperaturowej oferują ważne drogi do wykorzystania rezultatów projektu.
Słowa kluczowe
Silnik lotniczy, krzem na izolatorze, wysoka temperatura, urządzenia elektroniczne, sterowanie silnikiem
