پلاسما در علم هــوانــوردی(قسمت پنجم)

دکتر مهدی رحیمی استاد دانشگاه:

اشاره:

در شماره های پیشین به مقدمه‌ای در باب اینکـه دانشمنـدان سال‌ها است بـه ارزش پـلاسما در علم آیـرودینامیک و احتراق 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 کنتـرل پـرواز، کنتـرل جریـان، 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 یکی 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 احتـراق را افـزایش، تـولید آلاینـده‌ها و نواقص احتـراق را کـاهـش و سیستم‌های پیشرانه جدیدتری تولید کنند. در ادامـه به علـوم پشتیبـان در آیـروپلاسما می پردازیم.

علوم پشتیبان در آیروپلاسما

برای پیشرفت مستمر در حوزه آیرودینامیک پلاسما می‌بایست در بعضی از رشته‌های علوم پشتیبـان مخصوصـاً در علوم شبیـه‌سازی و اندازه‌گیری پلاسماهای هوافضایی نیز پیشرفت حاصل شود. شبیه‌سازی عددی پلاسماهای هوافضایی با دو مانع اساسی روبه‌رو است. اختلاف در مقیاس‌های زمانی و فضایی تخلیه الکتریکـی در جریان گازهـا با مقیاس بزرگ مواجه است. فعالیت‌های فیزیکی مهمی در مقیاس مولکولی، در عملگر، وسیله نقلیه هوایی و در مسیر پرواز رخ می‌دهد.

مقیاس زمانی می‌تواند در حد فعالیت‌های مولکولی (کمتر از نانوثانیه) و یا در حد چند ساعت زمان پرواز وسیع باشد. مقیاس فضـایی نیز به همین منـوال در بازه اندازه مولکولی (نانومتر) تا مسیر پرواز جهانی (مگامتر) متغیر است. بااین‌حال وجود موانع چند مقیاسی محققان را به سمت استفاده از مدل‌های مرتبه کاهشی سوق داده است. دقت در شبیه‌سازی عددی به ‌شدت به مدل جنبش شیمیایی وابسته است.

جنبـش مربوط به پلاسماهای تولیـد شده در ترکیب‌های هوا و هوا-سوخت بسیـار پیچیده است و می‌بایست در محاسبـات مربوطه دقت زیادی به عمل آورد تا از چهارچوب درستی مدل جنبشی پلاسما خارج نشد. نتایج تجربی دقیقی برای مقایسه با مکانیزم‌های جنبشی در دسترس نیست. در کل، بایستی با تلاش مستمر دقت در مدل‌سازی آیرودینامیک پلاسما را افزایش داد. فرآینـدهای جنبشـی در پلاسماهـایی که در شـرایط غیر تعـادلی هـوا و هـوا-سوخـت رخ می‌دهد کماکان ناشناخته است. ایـن در حـالـی اسـت کـه در دو دهـه اخـیـر پیشرفت‌های چشمگیـری در شبیـه‌سازی‌های جنبشی و تجربی رخ داده است.

مثلاً محققان اخیراً توانسته‌اند به اهمیت تبدیل سریع انرژی درونی به گرما پی ببرند (این فرآیند در مقیاس زمانی زیر صوت1 رخ می‌دهد و منجر به ایجاد آشفتگی‌هایی با فشار، پهنای باند و دامنه بالا می‌شود). هرانـدازه فرآیندهـای انتقـال انرژی به کمک پلاسمـا و جنبـش شیمیـایی بهتر درک شود، صنعت هوافضا، خصوصاً بخش‌های کنترل جریان سرعت بالا، تزریق و دگرگونی سوخت و احتراق نیز پیشرفت خواهد کرد.

افزایش آگاهی کیفی نسبت به ترکیب جنبشی پلاسماهای دمای پایین و فعل‌وانفعالات شیمیایی مربوط به احتراق کماکان دشوار است. مکانیزم‌های شیمیایی احتراق که امروز موجـود است تنها برای دماهای بالا تولید و تصدیق شده است. در خوش‌بینانه‌ترین حالت می‌توان گفت معلوم نیست که به‌کارگیری این مکانیزم‌های امروزی در دمای پایین‌تر از دمای احتراق (چیزی که با پلاسما ممکن است) شدنی هست یا نه.

بدون مدل‌سازی جنبشی نمی‌توان به اکسیده شدن سوخت، اشتعال، احتراق، تثبیت شعله، تحول در سوخت و دانش کیفی در رابطه با کنترل جنبشی جریان به کمک پلاسماهای غیرتعادلی دست یافت. تجزیه‌وتحلیل پیشگویانه جنبشی پلاسما هوا و پلاسما سوخت-هوا (حتی در هندسه¬های ساده) کماکان بسیار دشوار است.

محاسبه پیچیدگی ذاتی جریان‌های پلاسما – آیرودینامیک با موانع منحصربه‌فردی روبه‌رو است. علی‌الخصوص برای پیش‌بینی قوانین اولیه می‌بایست دانش دقیقی از تقسیم انرژی پلاسما مابین حالات انتقالی، چرخشی، لرزشی و انرژی شیمیایی درونی عناصر به وجود آورنده جریان داشت. در دو دهه اخیر، فناوری‌های محاسبه آیرودینامیکی، رشد و پیشرفت شگرفی داشته است. با این وجود محققان کماکان سعی می‌کنند در این حوزه دائماً پیشرفت کنند. فعالیت‌های آزمایشگاهی و محاسباتی با دقت بالا توانایی افزایش دانش مربوط به این حوزه‌ها را دارد.

در اینجا به سه مانع مهم اشاره می‌شود:

-1 تقریب‌های جدیدی از اندازه‌گیری‌های غیر تماسی (لیزر و اپتیکی) در محیط آیرودینامیک مربوط به خصوصیات اصلی پلاسما از قبیل میدان الکتریکی، چگالی الکترون و دمای الکترون را توسعه داد.

-2 فناوری‌ها و روش‌های جدیدی برای فراهم کردن اطلاعات با تفکیک زمانی و فضایی در مقیاس‌های مناسب برای جریان‌های ناپایدار متلاطم نیاز است.

-3 نیاز به کسب اطلاعات در سه بعد است. در دهه گذشته در فناوری لیزری و اپتیکی2 رشد بسیار سریعی اتفاق افتاده است و محققان می‌خواهند با استفاده از این فناوری‌ها انقلابی در اندازه‌گیری آیرودینامیک به وجود آورند.