پلاسما در علم هــوانــوردی(قسمت اول)

دکتر مهدی رحیمی رئیس بسیج سازمان علمی:

مقدمه

دانشمندان سال‌ها است به ارزش پلاسما در علم آیرودینامیک و احتراق پی برده‌اند، اما در طول 33 سال اخیر حوزه‌های تحقیقاتی پلاسما گسترش پیدا کرده است. بنـا به دلایل مختلفـی همچون پیشرفت در صنایع گوناگون، پیشرفت در شبیه‌سازی‌های عددی و یا به دلیل نیاز به امکانات جدید در صنعت هوانوردی برای افزایش بازده وسایل، تولید عملگرهای پلاسمایی امروزه به حدی پیشرفت کـرده است که استفاده صنعتی از آنها ممکن شده است. در ایـن مطلب به‌صـورت اجمـل گـذری بر تحقیقات در حوزه کاربرد پلاسما در صنعت هوایی بیان شده است. معمـولاً پلاسما را با عبـور دادن یک جریان الکتریکی از درون یک گاز تولید می‌کنند.

انرژی که به گاز وارد می‌شود به شکل‌های مختلفـی همچـون واکنش‌های شیمیـایی، تشعشع، فشـار، گرمـا و یـا ترکیبی از آنها نمایان می‌شود. شـرایـط فیزیـکی و پارامتـرهای تخلیـه الکتریکـی باعث وقوع این فـعل‌ و انفعالات متنوع می‌شود. به دلیل ناپایدار بودن شرایط فیزیکی تولید پلاسما، شبیه‌سازی عددی این فعل ‌و انفعالات کماکان مشکل ساز است.

الکترون‌ها عامل اصلی فعل ‌و انفعالات اتفاق افتاده درون گاز بوده و شبیه‌سازی فعالیت الکترون‌ها بسیار سخت و پیچیده است. الکترون‌ها معمولاً از تکه‌های سنگیـن گاز بسیـار گرمتر و از قانون پراکندگی بولتزمـن پیـروی نکـرده و دمای آنهـا تعریف نشده می‌ماند. پیچیدگی‌هایی از این قبیل درک و بررسی آزمایش‌های پلاسما را بسیار دشوار می‌کند.

به‌هرحال، سال‌ها است که دانشمندان به برتـری و ارزش پلاسما در آیرودینامیـک و اشتعال پی برده و مشغول پژوهش درباره آن هستند. در حـوزه آیرودینامیک، عملگر پلاسمایی بدون اینکه خود حرکت فیزیکی داشته باشد در جریان فعل‌وانفعال به وجود می‌آورد که یک توانایی منحصر بفردی است. ایـن ویژگـی پلاسماهـا امکـان استفـاده از پـالس‌هـای تکـرار بالا را ممکـن می‌سازد. پـلاسما را می‌تـوان با جریان هوا هماهنگ کرد، درنتیجه افزایش تشدید نیز امکان‌پذیر می‌شود. با استفاده از پلاسماهای گوناگون می‌توان جریان‌های مافوق صوت و مادون صوت را تحت تأثیر قرارداد.

معمولاً جریان‌های مادون صوت در معرض پلاسماهای سرد (همچون کرونا و دی‌بی‌دی Dielectric Barrier Discharge) و تکانه‌های انژکتوری قرار می‌گیرند. جـریـان‌هـای مـافـوق صـوت در مـعرض پلاسماهای گرم (تزریق انرژی به جریان هوا) قرارداده می‌شود. امـروزه از عملگـرهـای پلاسمـایی بـرای رفـع مشکلات اساسی همچـون ناپایداری آیرودینامیکی، کاهش مقاومت هوا (که خود بـاعث صـرفه‌جویـی در مصـرف سـوخـت می‌شـود) و کاهـش غـرش دیـواره صـوتی استفاده می‌شود. در علم هوانوردی احتراق مقوله مهم و مورد توجهی است.

دانشمنـدان در تلاش هستنـد موتور جتی بسـازند که مصـرف سوخت بهینه، احتراق پایدار و توانایی استارت در شرایط مختلف را داشته باشد. پلاسما ویژگی‌های منحصربه‌فردی دارد که تولیـد چنین موتـور جتـی را امکـان‌پذیـر می‌کند. فرآیند احتراق را می‌توان با افزایش جنبش شیمیایی (به دلیل تولید تکه‌های سنگیـن) یا بـا گـرم کردن گاز تحـت تأثیر قرارداد. هم سو با فرآیند احتراق، تحریک جریان هوا، مخلوط شدن سوخت و هوا را بهبود و منطقه برگشت باثبات به وجود می‌آورد.

متأسفـانه تشخیـص و شبیـه‌سازی وقایع ذکر شـده در شرایـط آزمایشگـاهی کـاری بسیار سخت و پیچیده بوده و همین مسئله پیشرفت در این حوزه را بسیار سخت کرده است. بـا این وجـود، اگر بتـوان بـا استفـاده از عملگرهای پلاسمایی به شرایط ذکر شده تسلط پیدا کرد، می‌توان پیشرفت‌های بالقوه و اساسی در احتراق موتور جت به وجود آورد. با استفاده از پلاسما می‌توان احتراق تمیز و باثبات (کاهش آلایندگی)، احتراق مافوق صوت (حمل‌ونقل سرعت بالا)، احتراق در دماهای پایین (برای استارت مطمئن در حین پرواز) و یا حتی به فناوری موتورهای انفجار پالسی دست یافت.

وضعیت فعلی و آینده آیرودینامیک پلاسما

ریشـه آیرودینامیـک پلاسمـا بـه اولیـن کاوش بشـر در فضـا برمی‌گردد، علـی‌الخصوص زمـانی که دانشمنـدان متوجه شدنـد می‌توان با پلاسما جریان هوای ورود مجدد اجسام به جو زمین را تحت تأثیر قرارداد. از دهه 50 تا 70 میلادی محققـان تحقیقـات فراوانی بر روی سیستـم‌های ورود مجـدد مگنتـوهیدرودینامیـک و فنـاوری‌هـای مرتبـط با آن انجـام داده‌اند، عامل اصلی تجدید فعالیت گسترده اخیر در حوزه پلاسما افشا شدن طرح خودروی آژاکس کشور شوروی در اواسط دهه نود میلادی بود.

افشا شدن طرح آژاکس منجر به وجود آمدن یک همکاری منحصربه‌فرد بین‌المللی شد که حدود 25 سال است دوام آورده است. امروزه کنترل جریان به‌وسیله پلاسما تقریباً عملی شده است (خصوصاً در وسایل کنترل جریان موضعی که برق و انرژی مصرفی کمی دارد).

تجهیزات تولید پلاسما سطح مقطع کمی داشته و در بازه‌های زمانی کوتاه جریان را تحریک می‌کنند. احتراق به کمک پلاسما در سرعت‌های کم و زیاد، حوزه مطمئنی برای پژوهش است. امروزه از پلاسما برای شکستن و تجزیه سوخت، بهبود سیستم استارت، اشتعال، نگهداری شعله و افزایش بازده فرآیند احتراق استفاده می‌شود.

در صنعت پلاسما چندین حوزه وجود دارد که پیشرفت بالقوه آنها اثرات بسیار اساسی در صنعت هوانوردی و فناوری‌های مرتبط با آن به وجود خواهد آورد. صنـایع و شرکت‌های گوـناگون خـواهان جذب و به‌کارگیـری فنـاوری‌های پلاسمـا محـور هستند امـا با این وجـود آنها ملاحظاتی هم نسبت به ریسک فنـی، کارایی و کارآمـد بودن پلاسماها دارند. می‌بایست فناوری‌هایـی که ابزار پلاسمایـی در آنها نسبت به فنـاوری‌های رقیب کارایی بهتری دارند شناسایی کرده و نمونه اصلی چنین پلاسماهایی را در محیط عملیاتی آزمایش به نمایش گذاشت.

باوجود یک قرن سابقه پرواز درون جوی و نیم قرن تجربه پرواز برون جوی کماکان علم هوافضا رشته‌ای هیجان‌انگیز و پر جنب‌وجوش است. رشته نوپا آیرودینامیک پلاسما این شور و هیجان را تشدید کرده است. پلاسماها این توانایی را دارند که نیازهای متنوع و وسیع فناوری‌های هوافضا (از دسترسی به فضا گرفته تا بازده انرژی) را تأمین کنند.