مشغل البلازما

تُعدّ مشغلات البلازما نوعًا من المشغلات التي يجري تطويرها حاليًا للتحكم النشط في تدفق الهواء الديناميكي . وتُطبّق مشغلات البلازما قوةً بطريقة مشابهة للمركبات الأيونية . وقد حظي التحكم في تدفق البلازما باهتمام كبير، واستُخدم في تسريع الطبقة الحدية، والتحكم في انفصال الأجنحة، والتحكم في انفصال مقدمة الطائرة، والتحكم في انفصال شفرات التوربينات، وتحسين استقرار الضواغط المحورية ، ونقل الحرارة، والتحكم في النفاثات عالية السرعة.

تُستخدم مشغلات البلازما ذات التفريغ الحاجز العازل (DBD) على نطاق واسع في تطبيقات التحكم في تدفق الهواء. ^{[ 2 ]} يُعدّ التفريغ الحاجز العازل نوعًا من التفريغ الكهربائي شائع الاستخدام في تطبيقات الديناميكا الكهربائية المائية (EHD) المختلفة. ^{[ 1 ]}

في تفريغ الحاجز العازل (DBD)، يُوصل قطب الباعث بمصدر جهد عالٍ ويُعرَّض للهواء المحيط، بينما يُؤرَّض قطب المُجمِّع ويُغلَّف داخل المادة العازلة (انظر الشكل). عند التنشيط، تتشكل بلازما منخفضة الحرارة بين القطبين بتطبيق إشارة تيار متردد عالية الجهد بينهما. ونتيجةً لذلك، تتأين جزيئات الهواء المحيطة بقطب الباعث، وتتسارع نحو القطب المقابل بفعل المجال الكهربائي . ^{[ 1 ]}

تُعدّ مشغلات البلازما العاملة في الظروف الجوية واعدةً للتحكم في التدفق، وذلك بفضل خصائصها الفيزيائية، مثل القوة الناتجة عن المجال الكهربائي القوي وتوليد الحرارة أثناء القوس الكهربائي، بالإضافة إلى سهولة تصميمها وتركيبها. ^{[ 3 ]} وعلى وجه الخصوص، ساهم اختراع مشغلات بلازما التفريغ المتوهج الذي ابتكره روث (2003) ^{[ 4 ]،} والقادر على إنتاج كميات كافية من بلازما التفريغ المتوهج في الهواء ذي الضغط الجوي، في تحسين أداء التحكم في التدفق.

يمكن استخدام مصدر طاقة تيار مستمر (DC) أو تيار متردد (AC) أو تفريغ دقيق بالموجات الميكروية لتكوينات مختلفة من مشغلات البلازما. ^{[ 5 ] [ 6 ]} يُعرض هنا رسم تخطيطي لتصميم مصدر طاقة تيار متردد لمشغل بلازما يعمل بتفريغ حاجز عازل كمثال. يتحدد أداء مشغلات البلازما بالمواد العازلة ومدخلات الطاقة، والتي بدورها محدودة بخصائص ترانزستور MOSFET أو IGBT .

يمكن تحسين أشكال الموجات المحركة لتحقيق تشغيل أفضل (سرعة تدفق مستحثة). مع ذلك، قد يكون شكل الموجة الجيبية مفضلاً لتبسيط تصميم مصدر الطاقة. وتتمثل الميزة الإضافية في انخفاض التداخل الكهرومغناطيسي نسبيًا . ويمكن اعتماد تعديل عرض النبضة لضبط قوة التشغيل بشكل فوري. ^{[ 7 ]}

أظهرت الدراسات أن تعديل موضع القطب الكهربائي المغلف وتوزيعه على كامل الطبقة العازلة يؤثر على أداء مشغل بلازما تفريغ الحاجز العازل (DBD). فوضع القطب الكهربائي المغلف الأولي بالقرب من سطح العازل ينتج عنه سرعات مستحثة أعلى من السرعة الأساسية عند تطبيق جهد معين. ^{[ 8 ]} إضافةً إلى ذلك، تتميز المشغلات ذات القطب الكهربائي الأولي الضحل بقدرتها على نقل الزخم والطاقة الميكانيكية إلى التدفق بكفاءة أكبر. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

بغض النظر عن حجم التمويل المستثمر وعدد الادعاءات الخاصة المختلفة بالسرعة العالية المستحثة، فإن السرعة القصوى المتوسطة المستحثة بواسطة مشغلات البلازما على ضغط جوي، دون أي مساعدة من مكبر ميكانيكي (غرفة، تجويف، إلخ)، لا تزال أقل من 10  م/ث. ^{[ 11 ]}

تلعب درجة حرارة السطح دورًا هامًا في الحد من فعالية مشغل البلازما ذي التفريغ الحاجز العازل. تزداد قوة الدفع الناتجة عن المشغل في الهواء الساكن وفقًا لقانون أُسّي للجهد المُطبق. عند تجاوز الجهد عتبة معينة، ينخفض ​​أُسّ هذا القانون، مما يحد من زيادة قوة الدفع، ويُقال حينها إن المشغل قد وصل إلى حالة "التشبع"، مما يحد من أدائه. يمكن ربط بداية التشبع بصريًا ببدء أحداث التفريغ الخيطي. يمكن التحكم في تأثير التشبع بتغيير درجة حرارة السطح الموضعية للعازل. ^{[ 12 ]} كذلك، عند التعامل مع الطائرات الحقيقية المُجهزة بمشغلات البلازما، من المهم مراعاة تأثير درجة الحرارة. قد يكون لتغيرات درجة الحرارة التي تحدث أثناء الطيران آثار سلبية على أداء المشغل. وقد وُجد أنه عند ثبات الجهد من الذروة إلى الذروة، تعتمد السرعة القصوى التي يُنتجها المشغل بشكل مباشر على درجة حرارة سطح العازل. تشير النتائج إلى أنه بتغيير درجة حرارة المُشغِّل، يمكن الحفاظ على الأداء أو حتى تغييره في ظل ظروف بيئية مختلفة. ويمكن لزيادة درجة حرارة سطح العازل أن تُحسِّن أداء مُشغِّل البلازما عن طريق زيادة تدفق الزخم مع استهلاك طاقة أعلى قليلاً. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

على الرغم من أن أداء مشغلات البلازما كأجهزة للتحكم في التدفق قد خضع لدراسات مستفيضة، إلا أن احتمال تعطلها في ظروف جوية قاسية كالندى أو الرذاذ أو الغبار يقلل من شعبيتها في التطبيقات العملية. وقد أظهرت دراسات سابقة تأثير الرطوبة ^{[ 15 ] [ 16 ]} ، والتصاق الماء ^{[ 17 ]} ، وحتى التجلد ^{[ 18 ] [ 19 ]} . وفي دراسة حديثة، تمت محاكاة هطول أمطار خفيفة برش قطرات الماء مباشرة على مشغل بلازما عامل، وتم توضيح تأثير ذلك على استعادة قوة الدفع كمقياس للأداء ^{[ 20 ]} . وقد تبين أن المشغلات المبللة تستعيد توهج البلازما بسرعة، وتستعيد تدريجيًا قوة دفع مماثلة للمشغل الجاف.

تشمل بعض التطبيقات الحديثة لتشغيل البلازما التحكم في التدفق عالي السرعة باستخدام مشغلات بلازما ذات خيوط قوسية موضعية، ^{[ 21 ]} والتحكم في التدفق منخفض السرعة باستخدام تفريغات حاجز عازل لفصل التدفق، بدلاً من أجهزة الرفع الميكانيكية العالية، ^{[ 22 ]} والتحكم في منطقة الاضطراب ثلاثية الأبعاد، ^{[ 23 ]} والتحكم في الصوت، ^{[ 24 ]} والتفريغات الانزلاقية. ^{[ 25 ]} يركز البحث الحالي في مشغلات البلازما بشكل أساسي على ثلاثة اتجاهات: (1) التصاميم المختلفة لمشغلات البلازما؛ (2) تطبيقات التحكم في التدفق؛ و(3) نمذجة تطبيقات التدفق الموجهة للتحكم تحت تشغيل البلازما. بالإضافة إلى ذلك، يجري تطوير طرق تجريبية ورقمية جديدة ^{[ 26 ] لتوفير رؤى فيزيائية.}

مولد الدوامات

يُحدث مُشغّل البلازما اضطرابًا موضعيًا في سرعة التدفق، والذي يتطور لاحقًا إلى طبقة دوامية. ونتيجةً لذلك، يمكن لمُشغّلات البلازما أن تعمل كمولدات دوامات . ويكمن الفرق بين هذا وبين توليد الدوامات التقليدي في عدم وجود أجزاء ميكانيكية متحركة أو أي ثقوب حفر على الأسطح الديناميكية الهوائية، مما يُبرز فائدةً مهمةً لمُشغّلات البلازما. تُولّد المُشغّلات ثلاثية الأبعاد، مثل مُشغّل البلازما ذي الشكل المتعرج، دوامات مُوجهة في اتجاه التدفق، ^{[ 22 ] [ 27 ]} وهي مفيدة للتحكم في التدفق. ^{[ 28 ]} وقد أظهرت دراسات حديثة انخفاضًا ملحوظًا في مقاومة الاضطراب من خلال تعديل الأنماط النشطة للتدفق الانتقالي باستخدام هذه المُشغّلات. ^{[ 29 ]}

التحكم في الطيران

يمكن تركيب مشغلات البلازما على سطح الجناح للتحكم في وضعية الطيران، ومن ثم مساره. وبذلك، يمكن الاستغناء عن التصميم المعقد وجهود الصيانة لأنظمة النقل الميكانيكية والهيدروليكية في الدفة التقليدية. لكن هذا يتطلب تصميم نظام كهربائي مناسب عالي الجهد/الطاقة يفي بمعايير التوافق الكهرومغناطيسي. لذا، فإلى جانب التحكم في التدفق، تتمتع مشغلات البلازما بإمكانات واعدة في التحكم المتقدم بالطيران، لا سيما في مجال الطائرات بدون طيار واستكشاف الكواكب الخارجية (ذات الظروف الجوية الملائمة).

من جهة أخرى، ينبغي إعادة النظر في استراتيجية التحكم في الطيران برمتها مع مراعاة خصائص مشغلات البلازما. يوضح الشكل نظامًا أوليًا للتحكم في الدوران باستخدام مشغلات بلازما DBD. ^{[ 33 ]}

يُلاحظ وجود مُشغّلات بلازما مُثبّتة على جانبي جناح الطائرة. يُمكن التحكم في دوران الطائرة عن طريق تفعيل مُشغّلات البلازما وفقًا لبيانات زاوية الدوران. بعد دراسة منهجيات التحكم المختلفة، تم اختيار طريقة التحكم الثنائي (Bang-Bang) لتصميم نظام التحكم في الدوران باستخدام مُشغّلات البلازما. والسبب في ذلك هو أن التحكم الثنائي (Bang-Bang) يُعدّ مثاليًا من حيث التوقيت وغير حساس لتفعيل البلازما، الذي يتغير بسرعة بتغير الظروف الجوية والكهربائية.

أُجريت دراسة أخرى للتحكم في عزم الدوران باستخدام التفعيل ثلاثي الأبعاد لجناح طائرة، حيث استُخدمت المُشغّلات كشرائح أمامية، ومُثبِّتات، وقلابات، وجنيحات أمامية. ^{[ 22 ]} تُظهر النتائج أن مُشغّلات البلازما المتعرجة يُمكن استخدامها كأجهزة رفع عالية (كشرائح ومُثبِّتات تفريغ حاجز ثنائي القطب) تعمل عند أرقام رينولدز منخفضة، ويمكن أن يكون لها نفس تأثير الجنيح التقليدي في مناورات الطيران العادية، مع استهلاك منخفض للطاقة.

انتقال الحرارة

يُعدّ نقل الحرارة المُفعّل بالبلازما (أو نقل الحرارة المُساعد بالبلازما) طريقةً لتبريد الأسطح الساخنة بمساعدة مُسرّع سائل كهرساكن ، مثل مُشغّل بلازما تفريغ الحاجز العازل (DBD) أو مُشغّل بلازما تفريغ الهالة . ويُعتبر نقل الحرارة المُفعّل بالبلازما أحد التطبيقات المُقترحة لمُشغّلات بلازما DBD، ^{[ 34 ]} ومُشغّل بلازما الإبرة. ^{[ 35 ]}

التبريد القسري

تُنتج جميع الأجهزة الإلكترونية حرارة زائدة يجب التخلص منها لمنع تلفها المبكر. ولأن التسخين يحدث داخل الجهاز نفسه، فإن إحدى الطرق الشائعة لإدارة الحرارة في الإلكترونيات هي توليد تدفق هواء كبير (باستخدام مراوح خارجية مثلاً) يُقرّب الهواء المحيط البارد من الجهاز الساخن. ويحدث انتقال حراري صافٍ بين الإلكترونيات الساخنة والهواء البارد، مما يُخفض متوسط ​​درجة حرارة الإلكترونيات. في نقل الحرارة المُفعّل بالبلازما، تُولّد مُشغّلات البلازما EFA تدفقًا ثانويًا للتدفق الرئيسي، مما يُسبب تسارعًا موضعيًا للسائل بالقرب من مُشغّل البلازما، وقد يُؤدي في النهاية إلى ترقيق طبقة الحدود الحرارية والسرعة بالقرب من الإلكترونيات. ^{[ 36 ] [ 37 ]} والنتيجة هي تقريب الهواء البارد من الإلكترونيات الساخنة، مما يُحسّن التبريد بالهواء القسري. يُمكن استخدام نقل الحرارة المُفعّل بالبلازما كحل لإدارة الحرارة في الأجهزة المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر فائقة الصغر، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية، أو في تطبيقات أخرى تستخدم تكوينات تبريد مماثلة بالهواء القسري. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

تبريد الفيلم

في التطبيقات الهندسية التي تتعرض لبيئات ذات درجات حرارة عالية للغاية، كما هو الحال في شفرات التوربينات الغازية ، يجب تبريد الهياكل الساخنة للحد من الإجهادات الحرارية واحتمالية حدوث انهيار هيكلي. في هذه التطبيقات، تُعد تقنية التبريد بالطبقة الرقيقة من أكثر التقنيات شيوعًا ، حيث يُضخ سائل ثانوي، كالهواء أو أي مُبرد آخر، إلى سطح في بيئة ذات درجة حرارة عالية. يُشكل هذا السائل طبقة عازلة باردة (أو غشاءً) على طول السطح، تعمل كمشتت حراري، مما يُخفض متوسط ​​درجة الحرارة في الطبقة الحدية . ^{[ 40 ]} ونظرًا لحقن السائل الثانوي على السطح عبر فتحات مُحددة، فإن جزءًا منه يتطاير بعيدًا عن السطح (خاصةً عند نسب الزخم العالية للهواء المحقون إلى التدفق العرضي)، مما يُقلل من فعالية عملية التبريد بالطبقة الرقيقة. ^{[ 40 ]} في نقل الحرارة المُفعل بالبلازما، تُستخدم مُشغلات البلازما EFA للتحكم في السائل الثانوي عبر قوة ديناميكية تُعزز التصاقه بالسطح الساخن، مما يُحسّن من فعالية التبريد بالطبقة الرقيقة. ^{[ 34 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}

تم اقتراح نماذج عددية متنوعة لمحاكاة عمليات تشغيل البلازما في التحكم بالتدفق. وهي مدرجة أدناه وفقًا للتكلفة الحسابية، من الأكثر تكلفة إلى الأقل.

• طريقة مونت كارلو بالإضافة إلى طريقة الجسيمات في الخلية ؛
• نمذجة الكهرباء المقترنة بمعادلات نافيير-ستوكس ؛ ^{[ 44 ]}
• نموذج العناصر المجمعة المقترن بمعادلات نافيير-ستوكس ^{[ 45 ]}
• نموذج بديل لمحاكاة تشغيل البلازما. ^{[ 46 ] [ 26 ] [ 47 ]}

تكمن أهم إمكانيات مشغلات البلازما في قدرتها على الربط بين الموائع والكهرباء. ويمكن تطبيق نظام تحكم حديث ذي حلقة مغلقة، بالإضافة إلى أساليب نظرية المعلومات التالية، على علوم الديناميكا الهوائية الكلاسيكية نسبيًا. وقد تم اقتراح نموذج موجه للتحكم في تشغيل البلازما في التحكم بالتدفق، وذلك لحالة التحكم في تدفق التجويف. ^{[ 48 ]}

• دافع أيوني
• مشغل بلازما ذو هندسة متعرجة
• مركبة جوية كهرومغناطيسية بدون أجنحة
• تفريغ حاجز عازل