پلاسما در علم هــوانــوردی

دکتر مهدی رحیمی استاد دانشگاه:

اشاره:

در شماره‌های پیشین به مقـدمه‌ای در بـاب اینکـه دانشمنـدان سـال‌ها است بـه ارزش پـلاسما در علـم آیـرودینامیک و احتراق پی برده‌اند، پرداختیـم و گفتیـم که در طول 33 سال اخیـر حوزه‌هـای تحقیقاتی پلاسما گسترش پیدا کرده است.

سپس به‌صـورت اجمـل گـذری بر تحقیقـات در حوزه کاربرد پلاسمـا در صنعت هـوایی و وضعیت فعلی و آینده آیرودینامیک پلاسما پرداختیم و گفتیـم امروزه محققان بـر روی کنتـرل پـرواز، کنتـرل جـریـان، احتـراق بـه کمـک پـلاسمـا، سپـرهـای حـرارتی مگنتـوهیدرودینـامیک و تولیـد بـرق درون خـود پـرنده بـه کمـک پـلاسمـا تحقیقـات می‌کنند.

همچنین به کنترل جریان به کمک پلاسما و احتراق بهینه به کمک پلاسما اشاره نمودیم و گفتیم دو مکانیزم اصلی کنتـرل جریان به کمک پلاسما یکـی نیروی حجمی (بر اساس فعل ‌و انفعـالات مگنتوهیـدرودینـامیـک و الکترودینـامیک) و دیگری اثرات گرمایشی (گرمایش ژول و کاهش انرژی درونی) استفاده می‌شود. همچنیـن بـه مـوضـوع احتـراق بهینـه بـه کمـک پـلاسمـا پـرداختـیم و گفتیـم امروز %85 فرآیندهای تبدیل انرژی بر پایه احتراق است.

با توجه به افزایش هزینه و افزایش روز افزون اثرات مخرب زیست محیطی ناشی از استفاده از سوخت‌های فسیلـی؛ صنـایع گونـاگون مجبـور هستنـد بـازده فرآینـد احتراق را افزایش، تـولید آلاینـده‌ها و نواقص احتـراق را کـاهش و سیستـم‌های پیشـرانه جدیدتری تولید کنند.

سپس به علوم پشتیبان در آیروپلاسمـا پرداختیم و اشـاره کردیـم که برای پیشرفت مستمـر در حوزه آیرودینامیک پلاسما می‌بایست در بعضی از رشته‌های علوم پشتیبـان مخصوصـاً در علوم شبیـه‌سازی و اندازه‌گیری پلاسماهای هوافضایی نیز پیشرفت حـاصل شـود. در ادامـه بـه حـوزه هـایـی با توانایی‌های پیشرفت می‌پردازیم.

حوزه هایی با توانایی های پیشرفت

بـا توسعه مـواد و تجهیـزات تجـربی جـدیـد می‌تـوان بـه پیـشـرفـت‌هـای اسـاسـی در آیرودینایک پلاسما دست یافت. پیش‌بینی مـی‌شود در حـوزه‌های احتراق به کمک پلاسما، آیرودینامیک بهبود یافته پلاسما و فنـاوری‌هـای انـدازه‌گیـری، پیشرفت‌هـای چشم‌گیری رخ دهد.

روش‌های جدیدی در دست اجرا است که بتوان با پلاسما افزایش سرعت شعله، کاهش تولید اکسید نیتریک، بهبود اختلاط، تعادل احتراق در نسبت کاهشی هم‌ارز، کنترل حالات صوتی، احتـراق در دماهای کـم و اشتعـال حجمی را ممکن ساخت. شبیـه‌سـازی‌هـای دقیـق، درک مـؤثرتـرین مکانیزم‌های فعل‌وانفعالی را امکان‌پذیـر کرده است.

با تولیـد مکانیزم‌های تخلیـه انـرژی و بـا تولید پلاسماهای مؤثرتـر؛ پیشرفت‌های غیرمنتظره‌ای در این حـوزه امکان‌پذیر شده است. تخلیه انرژی مایکروویو به کمک لیزر و پـالس نانوثانیـه‌ای این تـوانایـی را دارد کـه روش‌هـای جدیـدی بـرای کنتـرل مستقیم اشتعـال، دما و اشتعال فشارقوی را فراهـم و درنتیجه به بهتر شدن ثبـات احتراق، اشتعـال حجمی و کاهش نشر اکسید نیتروژن بیانجامد. در فرآیندهای آیرودینامیکی می‌توان پلاسما را در زیر و یا روی سطح بدنه به‌و‌جود آورد.

از تخلیه پلاسمای سطحی برای کنترل جدایش لایه مرزی، کنترل انتقال از جریان آرام به آشفته، کاهش درگ و کاهش گرمایش موضعی استفاده می‌شود. محققان در تلاشند از پلاسماهای نصب شده بر روی بدنه جسم پرنده برای کاهش درگ، کاهش میزان انتقال گرما، هدایت پرنده، به دست آوردن نیرو و کاهش غرش دیواره صوتی استفاده کنند. روش‌هـای جدیـد استخـراج نیـرو و کنتـرل مگنتـو هیدرودینـامیک، باعث شـده محققـان طرح‌های مبتکرانه‌ای برای وسایل ماوراء صوت ارائه کنند.

با استفاده از میدان‌های مغناطیسی (که با مـوج منحنی الشکل در ارتبـاط هستنـد) می‌توان گرمایش روی سطح را کاهش و کنترل در حین پرواز را بهبود بخشید. همین طرح هم‌اکنون در آزمایش‌های پروازی استفـاده می‌شـود. از بـرهمکنـش MHD‌ هـا با جریان‌های درونی و خارجی ورود مجدد اجسام به جو می‌توان انرژی استخراج کرد. برهمکنش با شوک به یونیزه شدن جریان‌های داخلی کمک می‌کند. امروزه بالقوه می‌توان در اعداد ماخ پایین از این فناوری‌ها بهره برد.

با ارائه شدن الکترودهای جدید با چینش نوین و دی‌الکتریک‌ها کارایی عملگرهای نصب شده روی سطح افزایش یافته است. انتظار می‌رود با ارائه شدن الکترودهایی با آرایش جدید در ایجاد رانـش و متمرکز کردن جریـان، پیشرفت‌های چشمگیری رخ دهد.

همچنین انتظار می‌رود با تولید مواد نوین برای پوشاندن سطح جسم پرنده تغییرات اساسی در ساختار و زمان تخلیه رخ دهد. برای به دست آوردن پیشـرفت‌های بیشتـر در حـوزه پلاسمـا می‌تـوان بـه پلاسماهـای اشعه‌ای روی آورد، با این نوع پلاسما می‌توان گردابه تولید کرده و یا جریان‌های نزدیک سطح را هدایت کرد. انرژی نزدیک سطح را می‌توان با استفاده از پرتو فرابنفش حاصل از پلاسما افزایش داد؛ این فرآیند به‌وسیله جذب مستقیم و تفکیک مولکولی اکسیژن صورت می‌پذیرد. محققان در تلاشند که از احتراق لیزر پلاسمایی در موتورهای رفت و برگشتی (ساکن یا پرتابل)، توربین‌های زمینی یا هوایی و موتورهای جت و اسکرم جت بهره ببرند.

فرآیندهای احتراق-لیزری موجود محدوده رقیق‌سازی را افزایش و قابلیت عملیاتی توربین‌های هوایی را بهبود می‌دهد. محققان می‌خواهند با استفاده از پالس‌های متعدد لیزری، پلاسما را مطابق خواسته خود شکل دهند. برای دست‌یابی به این مهم می‌توان از یک پالس نانوثانیه‌ای پوششی (که برای پایداری فیلامان1 پلاسمایی، به‌وسیله لیزر فمتوثانیه ایجاد می‌شود) یا از یک پالس قبل از یونیزاسیون (که به‌وسیله یک پالس دیگر گرم و انرژی آن افزون شده) استفاده کرد.

این روش‌ها که یونیزاسیون اولیه را از افزایش مجدد انرژی (بهمن الکترونی ) جدا می‌کند، می‌تواند باعث افزایش حجم هسته احتراق، شکل گرفتن پلاسماهای یونیزه شده ضعیف با دمای کنترل شده (برای احتراق حرارتی)، یا پلاسماهایی با طول عمر بیشتر و یا پلاسماهایی با مصرف انرژی کمتر (استفاده از منبع تغذیه کوچک‌تر و قدرت کمتر) شود. این روش‌های جدید تولید لیزرهای پلاسمایی برای بهبود حوزه‌های دیگری همچون موجبرها (برای انتقال امواج مایکروویو)، تشخیص مواد پرخطر و محافظت در برابر رعدوبرق را فراهم می‌کند.

با ارائه شدن ابزاری که توانایی ارتباط با محیط احتراق و هوا را دارا باشد ( به نحوی که با ابزار امروزی ممکن نیست) می‌توان انتظار داشت که پیشرفت‌هایی در حوزه محاسبات صورت پذیرد. محتمل‌ترین حوزه برای پیشرفت تولید لیزرهایی پرقدرت، کارامد، با پالس بسیار کوتاه و با نرخ تکرار بالا می‌باشد. چنین لیزرهایی روش‌های جدیدی برای گردآوری داده در لحظه را فراهم و روش‌های کارآمد برای یونیزه کردن حجمی به‌وسیله ابزار مگنیتوهیدرودینامیکی را ممکن می‌سازد. هراندازه لیزرها کوچک‌تر و کارآمدتر باشند استفاده از آنها در پروازها واقع بینانه‌تر می‌شود.

جمع بندی

ریشه آیرودینامیک پلاسما به اولین کاوش انسان در فضا برمی‌گردد، علی‌الخصوص به زمانی که طراحان متوجه شدند پلاسما می‌تواند جریان ورود مجدد اجسام به جو زمین را به‌طور چشم‌گیری تحت تأثیر قرار دهد. مابین سال‌های 1950 تا 1970 محققان به‌صورت گسترده به پژوهش بر روی سیستم‌های ورود مجدد اجسام با استفاده از هیدرودینامیک و فناوری‌های مربوط به آن پرداختند. در اواسط دهه نود میلادی رونمایی از طرح آژاکس (که شوروی آن را در دست ساخت داشت) باعث به وجود آمدن علاقه و مـوج جدیدی در پژوهـش بر روی پلاسما شد.

این موج بـاعث به وجود آمـدن همکاری بین‌المللی خارق‌العاده‌ای شد که تا به امروز حدود 25 سال دوام آورده است. باوجود یک قرن سابقه پرواز درون جو و نیم قرن تجربه پرواز برون جو، کماکان رشته هوافضا هیجان‌انگیز و فعال است. علم نوین آیرودینامیک پلاسما این فعالیت را افزایش داده و این توانایی را دارد که نیاز به فناوری‌های متنوع هوافضا را فراهم سازد.