בעידן שבו הטכנולוגיה הצבאית מתקדמת בקצב חסר תקדים, ממדים של כוח חישובי וצריכת אנרגיה נדחסים לתוך יחידות קטנות וקומפקטיות. כלי רכב קרביים משוריינים (רק”מים), מערכות תקשורת ניידות, מכ”מים טקטיים ומערכות לוחמה אלקטרונית (EW) נושאים בתוכם כוח עיבוד אדיר, שתוצר לוואי בלתי נמנע שלו הוא כמויות חום עצומות. חום זה, אם אינו מנוהל כראוי, יכול להוביל לפגיעה חמורה בביצועים, לקצר את חיי הרכיבים, ובמקרים קיצוניים אף לגרום לכשל מערכתי קטסטרופלי. ניהול תרמי אינו עוד מותרות, אלא מרכיב קריטי המאפשר את פעולתן התקינה והאמינה של מערכות צבאיות מודרניות, ומבטיח את היכולת המבצעית של הכוחות בשדה הקרב. כתבה זו תסקור את האתגרים ואת הפתרונות החדשניים בתחום הקירור למגוון יישומים צבאיים יבשתיים.
האתגרים הייחודיים של הקירור הצבאי
הדרישות ממערכות קירור צבאיות שונות בתכלית מאלה של מערכות אזרחיות, והן נגזרות ישירות מסביבת הפעולה הקשוחה והדינמית. הנדסת מערכת קירור צבאית היא לכן תמיד אומנות של פשרות, המשלבת בין דרישות סותרות:
- סביבת פעולה קיצונית: מערכות צבאיות נדרשות לתפקד בתנאי סביבה קשים במיוחד. במדבר, לדוגמה, טמפרטורות האוויר יכולות להגיע ל-50 מעלות צלזיוס ויותר, בעוד שבמדינות קרות, המערכות חייבות לפעול גם מתחת לנקודת הקיפאון. בנוסף, רכיבים אלה נחשפים באופן תמידי לאבק, חול, בוץ, רעידות חזקות וזעזועים כתוצאה מנסיעה בשטח.
- הגבלות SWaP-C: הדרישות לSWaP-C (Size, Weight, and Power – and Cost), או בעברית, נפח, משקל, צריכת אנרגיה ועלות, הן מהחמורות ביותר בתעשייה הביטחונית. כל קילוגרם נוסף במערכת או כל וואט של צריכת אנרגיה עלולים לבוא על חשבון מערכות קריטיות אחרות. המיזעור המתמשך של רכיבי אלקטרוניקה דורש פתרונות קירור קטנים ויעילים באותה מידה.
- אמינות ושרידות: כשל של מערכת קירור בשדה הקרב עלול להוביל ל”השבתה” של רק”מ קריטי או של מערכת נשק יקרה. לכן, הפתרונות חייבים להיות עמידים, אמינים במיוחד וקלים לתחזוקה, לרוב עם יכולת פעולה ממושכת ללא צורך בהתערבות טכנית.
ארסנל הפתרונות: מטכנולוגיות פאסיביות למערכות נוזליות
כדי להתמודד עם אתגרים אלו, מהנדסים משתמשים במגוון רחב של טכנולוגיות, לעיתים קרובות בשילוב זו עם זו.
קירור פאסיבי: הבסיס לאמינות קירור פאסיבי מתייחס לטכנולוגיות שאינן דורשות אנרגיה חיצונית כדי לפעול. הן מבוססות על עקרונות פיזיקליים פשוטים והן אינן כוללות חלקים נעים, מה שהופך אותן לאמינות במיוחד. גופי קירור (Heat Sinks), שהם מבנים מתכתיים בעלי שטח פנים גדול, מפזרים חום לאוויר הסובב. הם נפוצים בקירור לוחות אלקטרוניים, יחידות תקשורת ומערכות בקרה פשוטות, בעיקר בגלל פשטותם ועלותם הנמוכה. כדי לשפר את יעילותם בתנאי שטח, גופי הקירור הצבאיים מתוכננים להיות עמידים בפני זעזועים ולכלוך וכוללים ציפויים מיוחדים נגד קורוזיה.
טכנולוגיה פאסיבית נוספת ומתקדמת יותר היא צינורות חום (Heat Pipes). אלו רכיבים סגורים המכילים נוזל עבודה. כאשר חום מהרכיב (האזור החם) גורם לנוזל להתאדות, האדים נעים במהירות לקצה הקר של הצינור, שם הם מתעבים ומשחררים את החום. הנוזל חוזר לקצה החם באמצעות פעולה קפילרית דרך מבנה פנימי מיוחד. צינורות חום הם פתרון יעיל במיוחד להעברת חום ממקור נקודתי לחלק אחר במערכת, והם נפוצים בקירור מכ”מים קטנים, מערכות שליטה ובקרה (שו”ב) ומערכות תקשורת לוויינית (SATCOM). עם זאת, הם מוגבלים ביכולתם לפזר חום לאורך מרחקים ארוכים ורגישים מעט לזעזועים חזקים, מה שמחייב תכנון הנדסי מוקפד.
קירור אקטיבי: כוח הקירור הממוקד כאשר הקירור הפאסיבי אינו מספק, נכנסות לפעולה מערכות קירור אקטיביות, המשתמשות באנרגיה חיצונית. הפתרון הבסיסי הוא קירור אוויר מאולץ, באמצעות מפוחים ומאווררים המגבירים את זרימת האוויר מעל גופי הקירור. מאווררים צבאיים נדרשים להיות עמידים במיוחד לתנאי קיצון, עם סינון אבק מתקדם וציוד הרמטי בפני מים ולכלוך.
הפתרון היעיל ביותר לקירור מערכות עם צפיפות הספק גבוהה הוא קירור נוזלי (Liquid Cooling). מערכות אלה משתמשות בנוזל קירור מיוחד, בעל קיבולת חום גבוהה משמעותית מאוויר. הנוזל מוזרם על ידי משאבה ל”לוח קירור” (Cold Plate) המחובר ישירות לרכיב החם. הנוזל סופג את החום ומעביר אותו למחליף חום חיצוני, המפזר את החום לאוויר הסביבה. למערכות קירור נוזליות יש מספר יתרונות מרכזיים: הן יעילות במיוחד, יכולות לקרר נקודות חמות באופן ממוקד, ואף מבודדות את הרכיבים האלקטרוניים מפני אבק ולכלוך, שכן הן מערכות סגורות. מורכבותן הגבוהה וסיכון לדליפות הופכות אותן למתאימות בעיקר ליישומים שבהם אין חלופה אחרת, כמו מערכות EW, מערכות לייזר בעוצמה גבוהה ומכ”מים מבוססי מערכי פאזה.
טכנולוגיות מתקדמות: פתרונות נישתיים וחדשניים התפתחות מתמדת בתחום האלקטרוניקה דורשת פתרונות קירור מתוחכמים. קירור תרמואלקטרי (Peltier) מבוסס על רכיבים מוליכים למחצה היוצרים הפרש טמפרטורה כאשר עובר בהם זרם חשמלי. הם אינם כוללים חלקים נעים, והם מאפשרים קירור ממוקד ומהיר של רכיבים רגישים במיוחד, כמו חיישני אינפרה-אדום (IR) או לייזרים טקטיים. חסרונם הוא בנצילות האנרגטית הנמוכה יחסית ובצורך במערכת פיזור חום נוספת לצד החם של הרכיב.
במערכות הפועלות באופן לסירוגין, או במקרים של עומס תרמי משתנה, משתמשים בחומרים בעלי שינוי פאזה (Phase Change Materials – PCM). חומרים אלה מסוגלים לספוג כמויות חום גדולות מבלי לשנות את הטמפרטורה שלהם, על ידי מעבר ממצב מוצק לנוזל. ה-PCMs משמשים כ”מאגר חום” זמני, ומאפשרים למערכת הקירור העיקרית להתמודד עם עומסים קטנים יותר, דבר שמשפר את יעילותה.
תמונה: MIL-STD Chiller קרדיט: אריק וייס
עתיד הקירור: אינטגרציה ואינטליגנציה
ההתמודדות עם אתגרי הקירור במערכות צבאיות תמשיך להיות כרוכה בשילוב ובאינטגרציה חכמה של טכנולוגיות מרובות. עתיד הניהול התרמי הצבאי מוביל לכיוון של מערכות קירור היברידיות, המשלבות פתרונות פאסיביים ואקטיביים בו זמנית. לדוגמה, רק”מ יכלול קירור נוזלי עבור מערכות המייצרות חום רב, וצינורות חום עבור רכיבים מרוחקים יותר. מעל לכל, המגמה היא יצירת מערכות ניהול תרמי חכמות, המשתמשות בחיישנים כדי לנטר את הטמפרטורה ולכוונן את עוצמת הקירור באופן אוטומטי, על מנת להבטיח אמינות מקסימלית וצריכת אנרגיה מינימלית.
השקעה בפיתוח פתרונות קירור מתקדמים היא למעשה השקעה ישירה ביכולת המבצעית, באמינות ובשרידות של המערכות בשדה הקרב של המאה ה-21. ניהול תרמי אינו עוד סוגיה משנית, אלא כוח מניע וגורם מכריע בהשגת יתרון טכנולוגי.
תמונת כותרת: Vehicle-mounted MIL-STD Chiller
קרדיט: אלי בן שמחון
