پلاسما در علم هــوانــوردی(قسمت سوم)

دکتر مهدی رحیمی استاد دانشگاه:

اشاره:

در شماره قبل به مقدمـه‌ای در باب اینکـه دانشمنـدان سال‌ها است بـه ارزش پـلاسمـا در علـم آیـرودینامیـک و احتـراق پی برده‌اند، پرداختیـم و گفتیـم که در طـول 33 سال اخیـر حوزه‌هـای تحقیقاتی پلاسما گسترش پیدا کرده است. سپس به‌صـورت اجمـل گـذری بر تحقیقـات در حوزه کاربرد پلاسما در صنعت هوایی و وضعیت فعلی و آینده آیرودینامیک پلاسما پرداختیم و گفتیم 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. در ادامه به کنترل جریان به کمک پلاسما می پردازیم.

کنترل جریان به کمک پلاسما

در چند دهه گذشته محققان برای تولید و حفظ الگوهای جریان مطلوب چند روش کنترل جریان بر اساس عدد ماخ، عدد رینولدز و شکل جریان ابداع کرده‌اند. یک محقق برای اینکه بتواند یک روش کنترل جریان موفق بسازد می بایست درک درست و دقیقی از قوانین فیزیکی مرتبط با جریان و روش‌های فعال‌سازی جریان آن را دارا باشد. ابزار کنترل جریان به دو دستـه ابزار فعال و غیرفعال تقسیم می‌شود. ابزار کنترل جریان غیرفعـال معمولاً از بهبـودگرهای هنـدسی همچون ابزار تولید گردابه (که بر روی باله نصب مـی‌شود) و یا چـورن‌ها (که بـر روی خروجـی اگزوز نصب می‌شود) بهـره برده و دائمـاً روشـن و مـشغـول بـه کـار هستنـد، حتی اگر به کارکرد آنها نیازی نباشد (باوجود اینکه به راندمان لطمه وارد می‌کنند).

ابزار کنترل جریـان فعال به شکل کنترل شده به جریـان پیرامون خـود انـرژی و تحـرک وارد می‌کنند. این ابزار را می‌توان بر اساس نیاز خاموش و روشن کرد، اما این فرآیند با صرف زحمت و هزینه زیادی ممکن می‌شود. هسته و اساس به‌کارگیری ابزار کنترل جریان فعال عملگرها هستند.

با این وجود، آنها نقطه‌ضعـف اصلی فنـاوری‌هـای کنترل جریـان نیز می‌باشد. عملگرهـای پلاسمـایی این توانـایی را دارنـد که بخشی از کاستی‌های عملگرهای معمولی را جبران کنند. برخلاف عملگرهای معمولی، عملگرهـای پلاسمایـی وزن، سطح مقطع و مصرف انرژی کم، پهنای باند بالا، بدون اجزای متحرک، بادوامتر، بسیار واکنش‌پذیرتر بوده و در اندازه‌های مختلف تولید می‌شود. در پژوهش‌هـایی که بر روی عملگرهـای پلاسمایـی انجام شده از عملگرهای جریـان مستقیم، جریان متناوب، امواج رادیویی، امواج مایکروویو، آرک، کرونا و عملگرهای تخلیه جرقه‌ای استفاده شده است.

دو مکانیزم اصلی کنترل جریان به کمک پلاسما یکی نیروی حجمی (بر اساس فعل‌وانفعالات مگنتوهیدرودینـامیک و الکترودینـامیک) و دیگری اثرات گرمایشی (گرمایش ژول و کاهش انرژی درونی) استفاده می‌شود. رشته پلاسما نوپا و در حال رشد می‌باشد. با این وجود امروزه طرح تولید عملگرهای جدیدتر و متنوع‌تری در دست بررسی و ساخت است. در ادامــه خـلاصـه‌ای از 4 ابــزار کـنـتـرل جریان که تحقیقات زیادی بر روی آنها انجام‌گرفته است ارائه می‌شود. عملگر پلاسمایی جـریان متنـاوب بـه کمک فعـل‌ و انفعـالات الکترودینامیک به جریان پیرامون خود انرژی وارد می‌کنند.

در کل از این عملگرها فقط در جریان‌های کم سرعت استفاده می‌شود، هرچند اخیراً از آنها در جریان‌های نسبتاً سریع‌تر نیز استفاده شده است. در سال‌های اخیر از این عملگرهای برای کنترل انتقال لایه‌های مرزی استفاده شده است. آزمایش‌های حین پرواز این عملگرها موفقیت‌آمیز بوده است.

عملگـر پلاسمایـی پالس نانوثانیه‌ای شبیـه عملگرهای پلاسما جریان متناوب بوده با این تفاوت که شکل موج ورودی آنها پالس کوتاه و شکل موج عملگرهای پلاسما جریان متناوب سینوسی است. هر دوی این عملگرها با اعمال گرما جریان را کنترل می‌کنند. نیروی حجمی که عملگرهای پلاسمایی پالس نانوثانیه‌ای امروزی تولید می‌کنند نسبت به نیروی حجمی عملگرهای پلاسمایی جریان متناوب بسیار ناچیز است. این عملگرها به‌سرعت هوای اطراف خود را گرم کـرده و منجـر به وجود آمـدن امـواج تراکمـی می‌شود.

این امواج تراکمی خود باعث به وجود آمدن گردابه‌های جریانی شده و با عبور جریـان متلاطم از روی باله‌ها، لایه‌های مرزی آرام دچار آشفتگی و درنتیجه باعث تأخیر جدایش جریان می‌شود. عملگرهای پلاسمایی پالس نانوثانیه توانایی احیاء جریان‌های جدا شده را با وارد کردن انرژی و تحریک دارند. عملگرهای پلاسمایی فیلامان موضعی آرک نیز با گرم کردن هوای اطراف خودکار می‌کنند و اثرات موجی شبیه به عملگرهای پلاسمایی پالس نانوثانیه‌ای دارند.

این عملگرها، با تخلیه جرقه آشفتگی‌های کوتاه مدت اما آمپر بالا را در جریان به وجود می‌آورند. محققان توانسته‌اند این عملگرها را در محدوده وسیعی از جریان‌های ذاتاً ناپایدار گوناگون از قبیل جت‌های مادون و مافوق صوت گرم و سرد، تداخلت لایه مرزی-شوک و جریان‌های کاویتاسیون با موفقیت آزمایش کنند.

اسپارک جت (پلاسما جت پالس دار) یک نوع عملگر هیبریدی است. پلاسما در این نوع عملگر با تخلیه جرقه از سرتاسر الکترودها تولید می‌شود (این الکترودها درون محفظه کوچکی قرار دارند). با روشن شدن این عملگر، جریان اطراف آن به‌سرعت گرم شده و درنتیجه یک جت مصنوعی از محفظه الکترودها خارج می‌شود. این جت، سرعت بالایی را به جریان تزریق می‌کند. این عملگرها می‌توانند اختلالات قوی در جریان به وجود آورند. محققان توانسته‌اند با این عملگرها فعل‌وانفعالات لایه شوک – موج ضربه‌ای را با موفقیت کنترل کنند.

درحالی ‌که عملگرهای پلاسمایی در شرایط آزمایشگاهی بسیار مؤثر نشان داده‌اند اما کماکان نگرانی‌هایی نسبت به قابل اطمینان بودن و مقیاس‌پذیری آنها وجود دارد. همین نگرانی‌ها مانع به کارگیری گسترده عملگرها در صنعت هوافضا شده است. اختلالات الکترومغناطیسی، اثرات آب و هوایی و بادوام بودن ازجمله نگرانی‌های اصلی پیرامون عملگرها است. به‌مرور زمان و با فرسایش الکترودها و فرسایش شیمیایی دی‌الکتریک‌ها؛ راندمان عملگرها پایین می‌آید (پلاسما عامل این فرسایش بوده و باعث تولید آرک ولتاژ بالا و از کارافتادگی کلی عملگرها می‌شود).

این نواقص به‌آرامی در حال برطرف شدن هستند، اما برای رفع کلی این مشکلات می‌بایست بیشتر تلاش کرد. در طرح‌های آینده کنترل جریان به کمک پلاسما می‌بایست به‌صورت مساوی به قوانین اساسی فیزیک و کاربردهای تخصصی پلاسما اهمیت داد. بایـد تلاش کـرد عملگرهـا در آینـده کوچک‌تر، بـادوام‌تر، قـابـل اطمینان تر، مقیاس‌پذیرتر و پربازده‌تر شوند. برای دستیابی به این مهم متخصصین دینامیک سیالات، فیزیک پلاسما، برق و علوم مواد می‌بایست دست‌به‌دست هم بدهند. تحقیقات بیشتر درک ما از عملگرها و اثرات آنها در حوزه جریان را بیشتر می‌کند، که این به‌نوبه خود باعث ارائه طرح‌های بهتر خواهد شد.