پلاسما در علم هــوانــوردی (قسمت دوم)

دکتر مهدی رحیمی رئیس بسیج سازمان علمی:

اشاره

در شماره قبل به مقدمه ای در باب اینکه دانشمندان سال‌ها است به ارزش پلاسما در علم آیرودینامیک و احتراق پی برده‌اند، پرداختیم و گفتیم که در طول 33 سال اخیر حوزه‌های تحقیقاتی پلاسما گسترش پیدا کرده است. سپس به‌صـورت اجمـل گـذری بر تحقیقات در حوزه کاربرد پلاسما در صنعت هوایی و وضعیت فعلی و آینده آیرودینامیک پلاسما پرداختیم.

ادامه مطلب:

باوجود اینکه ریشه آیرودینامیک پلاسما به اولین کاوش بشر در فضا برمی‌گردد، در دهه نود میلادی جان تازه‌ای به حوزه پلاسما وارد شد. امروزه محققان بر روی کنترل پرواز، کنتـرل جریان، احتـراق به کمک پلاسما، سپرهـای حـرارتی مگنتوهیدرودینامیک و تولید برق درون خود پرنده به کمک پلاسما تحقیقات می‌کنند. با جا افتاده‌تر شدن رشته پلاسما طرح‌های اولیه و قدیمی حذف و دانشمندان بر روی طرح‌های نو و متفاوتی همچون عملگرهای پلاسمایی کوچک متمرکز شده‌اند. در سال 1994 دانشمندان روس پیش نمونه یک پرنده ماوراء صوت نوین به اسم آژاکس را به جهان عرضه کردند. این پرنده از یک پیشرانه اسکرام جت بهره می‌برد و برای بهبـود در احتـراق و کارایی آیرودینـامیک آن از فنـاوری‌های پلاسما استفاده گردیده است.

دانشمندان شوروی سابق کاربر روی آژاکس و پیش نمونه‌های اولیه آن را قبل از سال 1985 شروع کرده بودند، اما تحقیقات خود را علنی نکردند. در پـاسخ به طـرح آژاکس، نیروی هـوایی آمریکا (بـا کمک آزمایشـگاه و پژوهشگاه نیـروی هوایی و دفتـر تحقیقات و توسعـه هوافضا اروپا) برنامه گازهـای یونیـزه شده ضعیف را تأسیس کرد. این برنامه به‌منظور توسعه تحقیقات مشترک مابین آمریکا و بلوک شرق بنا نهاده شد و نقش بسیار مهمی در به وجود آمدن تجدید علاقه اخیر نسبت به علم آیرودینامیک پلاسما داشته است.

دانشمندان آمریکایی تحقیقات اولیه خود را بر روی نقش پلاسماها در پرنده آژاکس معطوف کردند. “جادوی پلاسما” (ضعیف شدن امواج ضربه‌ای ماوراء صوت به‌وسیله پلاسما) دانشمندان آمریکایی را حیرت زده کرده بود. محققان مرکز توسعـه و مهندسـی آرنولد نیروی هوایی آمریکا به‌منظور شبیه‌سازی آزمایش‌هایی که روس‌ها در سال 1978 انجام داده بودند به تحقیق و توسعه موشک‌های بالستیک روی آوردند.

نتایج این آزمایش‌ها با مشاهدات روس‌ها همسو بود. متعاقباً دفتر تحقیقات علمی نیـروی هوایی آمریکا به ‌منظور آزمایش و شبیه‌سازی پلاسما یک تیم از دانشمندان مجرب را دورهم جمع کرد. این تیم موفق شد جادوی پلاسما را برای آمریکایـی‌ها شفـاف سازی و نشـان دادنـد جـادوی پلاسما یک اثر گرمایشـی پلاسما محـور بوده که براثر فعل‌وانفعالات فیزیکی پیچیده و جزئی به وجود می‌آید.

امروز تحقیقات بر روی فناوری‌های پلاسمایی مورد کاربرد در هوافضا از تحقیقات اولیه و پایه بسیار فراتر رفته و دانشمندان به‌صورت بین‌المللی و تشریکی بر روی پلاسما تحقیق می‌کنند. استفاده از پلاسماهای یونیزه شده ضعیف در وسایل پرنده، بازده بالقوه و اساسی خواهد داشت.

اینجا دو دسته پلاسما مدنظر است:

1) عمـلگرهـای پلاسمـایی بـرای کنتـرل آیرودینامیکی.

2) پلاسما برای بهبـود احتـراق و افـزایش نیروی محرکه. عملگرهای پلاسمایی ابزارهایی بدون اجزای متحرک هستند. بنابراین آنها سطح مقطع بسیـار کـم و زمـان واکنش‌پـذیری بسیـار سریعی دارند.

محققـان بر روی استفـاده از عملگـرهای پلاسمایی برای اتصال مجدد جدایش جریان، کاهش شدت مـوج ضربه‌ای گـذر صـوت و مـافـوق صـوت، کنتـرل فعـل ‌و انفعـالات لایـه‌هـای مـرزی شـوک و لایــه‌هـای شوک-شوک، به تأخیر انداختن انتقال از جریان آرام به آشفته، کاهش پسا و افزایش لیفت تحقیق و پژوهش می‌کنند. می‌توان با استفاده از گرمایش آیرودینامیکی ورود مجدد اجسام به جو زمین، پلاسما تولید کرده و بکاربردن آهنرباهایی که درون شی پرنـده نصـب مـی‌شـود لایـه پـلاسمـا را دستکاری و از آن برای تولید برق، کنترل پرواز و کاهش انتقال گرما بهره برد.

احتراق با کمک پلاسما باعث کاهش زمان اشتعال، بهبود مخلوط شدن سوخت با هوا، افزایش سرعت شعله، پایدارتر کردن شعله و رقیق‌سازی مخلوط‌های سوخت-هوا می‌شود.

اگر در پیشرانه‌های اسکرام جت از مشعل‌های پلاسمایی استفاده شود توانایی اشتعـال در شرایط جوی مختلف فراهم می‌شود. در دستـرس ترین کاربرد مشعل پلاسمایی تخلیه الکتریکی موضعی است که به انرژی کمی نیاز داشته و با شرایط محیطی سخت انضمام پذیری دارد. در سرعت‌های زیاد بهتر است از تخلیه الکتریکی پالس کوتاه (یک نانوثانیه و سریع‌تر) استفاده شود. چونکه می‌توان به‌وسیله آن در بازه‌های زمانی کوتاه به جریان انرژی وارد کرد. اشتعال به کمک لیزر یک روش جدید تولید پلاسما است که می‌توان از آن به‌عنوان جایگزین فرآیند فوق‌الذکر نام برد.

در این فرآیند پلاسما موضعی را با استفاده از یک اشعه بسیار متمرکز به وجود می‌آورند. تحقیقـات آکادمیـک، صنعتی و دولتی در جهان پیـرامون پلاسمـا نتایج جـالب و امیـدوار کننده‌ای به همراه داشته است. دانشمندان به مکانیزم و اثراتی که پلاسما بر آیرودینامیک و نیروی محرکه دارد واقف هستند، اما سطح آمادگی فناوریکی (میزان در دسترس بودن این فناوری‌ها) کماکان نسبتاً ضعیف است.

محققـان پیش نمونه‌های اولیه ابزارآلات پلاسمـایی را در محیط‌های مربوطه آزمـایش و تأیید کرده‌اند (TRL 5-6). با این وجود کماکان مدل‌های متعددی تولید شده که به مرحله آزمایشگاهی نرسیده‌اند. موانع مختلفی از قبیل نسبی بودن میزان کنترل بر ابزار پلاسمایی، نیاز الکتریکی بالای این ابـزار، وزن زیاد سیستم‌های پلاسمـا، انضمـام پذیری ضعیف پلاسمـاها بـه فناوری‌های دیگر و حتی فاکتورهای زیست محیطی استفاده از فناوری‌های پلاسمایی در اجسام پرنده را دشوار کرده است.

در دسترس ترین کاربرد فناوری‌های پلاسمایی بهبود و افزایش رانـدمان فنـاوری‌های موجـود است. با این‌حال اگر مخترعیـن طرح‌های خود را حول محور فناوری پلاسما پایه‌گذاری کنند ثمره و بازدهی حقیقی این فناوری‌ها نمایان خواهد شد.