Плазма для всіх
Рубрики: Переклади, ВПК/Hi-Tech/Зброя Опубліковано: 21-10-2013
Вони показали свої плівки фізикам із Каліфорнійського технологічного інституту у Пасадені. По рухам вогненних згустків вчені припустили, що це бульбашки плазми – субстанції, що нагадує газ, що тільки складається не з нейтральних атомів, а із суміші іонів та електронів, яка виходить іонізацією газу.
Виявляється, іонізація газу різко змінює характер повітряних потоків, що дає безліч переваг. Наприклад, плазмова оболонка навколо лопатей вітрогенератора здешевить вироблену ним електроенергію. У автомобілів та літаків з «ненажерливими» двигунами плазма знизить витрату палива, а отже, і кількість шкідливих викидів. Нарешті, аеродинаміка руху об'єкта в плазмі зовсім не та, що в повітрі, і застосування її разюче змінить транспорт майбутнього.
Вчені почали вивчати плазму 50 років тому, в розпал «космічних перегонів». Їх тоді зацікавили явища, які відбуваються при поверненні капсули космічного апарату Землю. При вході у верхні шари атмосфери через опір повітря поверхня капсули нагрівається настільки сильно, що молекули газу навколо неї іонізуються, створюючи плазмову оболонку.
Ця плазма веде себе зовсім не так, як звичайний газ. Зокрема, експерименти показали, що вона зменшує опір повітря, принаймні для об'єктів, що швидко рухаються. Досліди, проведені у Фізико-технічному інституті імені О.Ф. Йоффе в Ленінграді в 1970-х роках, показали, що опір середовища, яке зазнає металева кулька, вистрілений в плазму і що летить в ній з гіперзвуковою швидкістю, на третину нижче за розрахунковий. Цей феномен дуже зацікавив вчених. А оскільки іонізований газ, як відомо, поглинає сигналирадарів (а це серйозна проблема для космонавтики – наземним службам важко відстежити траєкторію капсули, що повертається), почалися спроби створення надшвидкісних, невидимих для радарів бомбардувальників. Холодна війна була тоді в розпалі, і ці роботи засекретили.
На початку 90-х років, після розпаду СРСР, завіса секретності над дослідженнями в області плазми поступово почала відкриватися. Коли закордонні вчені отримали доступ до українських напрацювань у цій галузі, знову виник інтерес до використання плазми в авіації. І поки вчені намагалися зрозуміти фізичні причини цього аеродинамічного явища, Рот Ріс, інженер з Університету штату Теннессі в Ноксвілл (США), і його співробітники здійснили справжній прорив.
У 1998 році вони збудували простий плазмогенератор. З'ясувалося, що плазма знижує опір середовища навіть для об'єктів, що порівняно повільно рухаються. Виникла надія, що вона знайде практичне застосування в авіації. А досліди в аеродинамічній трубі Дослідницького центру Ленглі, що належить NASA, в Гамільтоні (штат Віргінія, США) незабаром підказали і спосіб її використання.
На вогняних крилах
Щоб звести до мінімуму силу тертя повітря об крило, ближній до поверхні шар повітря повинен рухатися «гладко» – ламінарним потоком. Насправді ж цей приповерхневий шар легко розривається, відривається від поверхні крила. Виникає турбулентність, що на третину збільшує опір середовища руху літального апарату. У спробі запобігти виникненню турбулентності Род та його співробітники прикріпили на верхню площину крила, поруч із його передньою кромкою, пару електродів із тонким шаром електроізоляційної плівки між ними.
Під дією високої напруги повітря у міжелектродному просторііонізувався. На верхній площині крила виникла смужка плазми, що світиться червоним світлом. Випробування в аеродинамічній трубі показали, що цей нескладний пристрій забезпечує ламінарність потоку навіть в умовах, коли без плазми виникла б сильна турбулентність.
З того часу вчені доклали чимало зусиль, щоб розгадати причину цього феномену. Зважаючи на все, як тільки утворюється плазма, оголений (неізольований) електрод її відштовхує, і утворюється «іонний вітер», що стікає з крила назад і вниз. Завдяки цьому потоку вже за його швидкості до 10 м/с щодо крила швидкість руху повітря в приповерхневому шарі збільшується, що перешкоджає його «відриву» від верхньої площини крила.
Подібний блискавки політ
Є спосіб радикально покращити ефективність літальних апаратів – літати через трубу, що безперервно вибухає, подібно до каналу блискавки. Цей метод дозволяє не тільки зменшити опір середовища, але й провести літак «як по рейках» – крізь плазмовий тунель, що безперервно створюється попереду нього. Ідея належить Кевіну Кремейєру, генеральному директору компанії PM&AMResearch з Туcсона (штат Арізона, США).
Кремейєр планує оснастити літальний апарат потужними лазерами, що «вистрілюють» вперед за курсом одну за одною послідовності потужних імпульсів надкороткої тривалості, кожен з яких створює вузький плазмовий канал. Потім встановлені на борту електричні конденсатори будуть направляти електричний розряд, що летить по цих струмовідних каналах, вибухоподібно розширюючи їх, на кшталт того, як це відбувається в каналі блискавки зі стрімерами - ниткоподібними електричними розрядами.
Створюється "тунель" розрядженого повітря, в яке і "пірнає" літальний апарат. За розрахункамиКремейєра, літак, що рухається зі швидкістю в 5 разів вище за швидкість звуку, в такому каналі буде зустрічати опір в 10 разів меншої величини, ніж у повітрі. На дозвукових швидкостях цей ефект набагато скромніший - знижує опір середовища лише на 10%. А вести літак, як по рейках, без будь-якого використання традиційних «штурвальних» пристроїв, можна буде, змінюючи траєкторію плазмового тунелю. Точне його «налаштування» дозволить знизити шум і підвищити стабільність літального апарату в повітрі.
Дойл Найт, директор Центру комп'ютерного дизайну Університету Рутгерс (штат Нью-Джерсі, США), вважає, що це теоретично цілком можливо. Розрахунки показують: подібна плазмова голка дозволить економити більше енергії, ніж йтиме її створення. Головне – навчитися створювати плазмовий канал потрібної форми та розмірів.
Результати дослідів в аеродинамічній трубі вражають, але чи збережеться той самий ефект в умовах реального польоту? На озброєнні США знаходиться гібрид літака та вертольота – конвертоплан V-22 Osprey, розроблений компаніями «Белл» та «Боїнг». Дві його турбіни повертаються у вертикальній площині – і військова транспортна машина злітає, як гелікоптер. Потім турбіни повертаються в горизонтальне положення, і далі конвертоплан летить як гвинтовий двомоторний літак. Зберегти ламінарність потоків при повороті двигунів – складне завдання. На крилах апарату для цього є невеликі вертикальні ребра, що виступають, що знижують турбулентність при польоті на малих швидкостях. Але ці виступи викликають небажаний побічний ефект: при польоті на крейсерській швидкості збільшується опір повітря. Чуан Хе з Університету Нотр Дам (штат Індіана, США) вважає, що оптимальним рішенням було б застосуванняплазми. Він провів досліди, які довели, що електроди – ефективна заміна ребра, причому, оскільки їх товщина всього півміліметра, вони анітрохи не погіршують аеродинаміку крила. За твердженням Хе, плазма знижує повітряний опір на 40% ефективніше, ніж традиційне ребра. ВМФ США профінансував розробку пробної системи повного керування літаком (з перспективою льотних випробувань у майбутньому).
Розробка може знайти застосування й у цивільній авіації. За розрахунками Девіда Берча, інженера з Університету графства Суррей у Гілдфорді (Великобританія), невеликі плазмогенератори можуть знизити опір повітря на 30%, що відповідає приблизно п'ятивідсотковому скороченню витрати палива. Для пасажирської авіації США, яка споживає близько 40 мільярдів літрів авіаційної гасу на рік, економія від застосування цієї технології становитиме 1,5 мільярда доларів (з урахуванням як вартості палива, так і скорочення викидів в атмосферу вуглекислого газу на 5 мільйонів тонн на рік).
Удосконалення може торкнутися не тільки крила літальних апаратів, а й лопаті вертолітних пропелерів, та лопатки турбін тепло- та вітроелектростанцій. Особливо зацікавлена у перевагах застосування плазми вітроенергетична галузь. Лопатки ротора вітрової турбіни – прецизійні та дуже дорогі деталі, оскільки мають забезпечувати максимальну потужність на валу у широкому діапазоні швидкостей вітру. У деяких турбінах застосовуються поворотні лопатки, кут атаки яких змінюють сервомотори, щоб забезпечувати максимальну потужність при слабкому вітрі та зменшувати її при штормовому. Плазмогенератори можуть виконувати те саме завдання без використання такого складного і громіздкого обладнання. А якщо вздовж лопатки встановити кілька плазмогенераторів, кожен із якихкерується окремим датчиком, можна в реальному часі оптимізувати весь потік, що обтікає лопатку. "Це дуже перспективна система, дешева у виробництві і не містить рухомих деталей", - говорить Георгіос Пехліваноглу, головний інженер компанії Smart Blade з Равенсбурга (Німеччина), що розробляє плазмові регулятори для вітрових турбін. За його словами, електроди можуть бути настільки тонкими, що їх можна буде наклеювати на лопаті та лопатки скотчем. «Впровадити такі плазмогенератори нескладно, тому вони настільки привабливі для підприємств нашої галузі», – каже він.
Який можливий економічний ефект? На думку Томаса Корка, інженера-розробника аерокосмічних кораблів з Університету Нотр Дам, оснащення плазмогенераторами збільшить ККД існуючих турбін на 15%, а отже, енергія, вироблена вітроелектростанціями, стане більш конкурентоспроможною на ринку. Щоб довести це, у другому півріччі цього року Корк та його співробітники планують провести польові випробування. «У нас є дві вітротурбіни у працездатному стані. Одну з них ми оснастимо плазмогенераторами», – каже він.
На черзі – автотранспорт. Вчені з Орлеанського університету (Франція) досвідченим шляхом довели, що, якщо встановити плазмогенератори на всю ширину заднього скла, це на 8% знизить турбулентність при русі. Хоча економія палива для кожного окремого автомобіля при цьому невелика, у масштабах країни це дасть істотне зниження обсягів споживання пального та викидів вуглекислого газу.
Ламінарні потоки
Перш ніж плазма знайде практичне застосування на транспорті, потрібно знайти кілька серйозних проблем. Встановлювати плазмогенератори доведеться з дуже високою точністю. Згадані французькі вчені встановили, що навітьневеликий зсув їх збільшує опір повітряного середовища на 6%.
У 2009 році кілька європейських університетів та інших організацій об'єдналися для вирішення деяких цих та подібних проблем. У рамках проекту "Плазмаеро" йде пошук фізичних причин цього аеродинамічного феномену. Крім мети підвищення ефективності плазмогенераторів ставиться і більш амбітне завдання: навчитися управляти безпілотними літальними апаратами (UAV) за допомогою одних лише плазмогенераторів, без застосування закрилків та інших рухомих деталей.
На думку Берча, у найближчі кілька років плазмове управління польотом з'явиться у вигляді підстрахувальної системи, яка автоматично запобігає, наприклад, звалюванню машини у штопор.
Втім, ця технологія вже зараз надихає проектувальників на перегляд колишніх поглядів на аеродинаміку. Може виявитися, що якщо покрити всю поверхню крила плазмогенераторними електродами, це дасть набагато більші переваги, ніж при встановленні їх тільки на його передній кромці. На думку Хе, це дозволить не лише зменшити опір повітря, а й «перекроїти» повітряні потоки як заманеться, фактично створити віртуальне крило.
На думку Пехліваноглу, сяючі плазмові оболонки очікує на блискуче майбутнє. Сьогодні потоками повітря управляють суто механічні пристрої, тоді як плазмові «кермо» - набагато витонченіша ідея, лише недавно вийшла на арену нових технологій.