Наука и технологии России

Вход Регистрация
08.05.13 | Наука и техника: Новые технологии Дэвид Хамблинг

Плазма для всех

Безоблачной лунной ночью два человека установили свои видеокамеры на штативы вдоль шоссе №58 в пустыне Мохаве, чуть севернее калифорнийской базы ВВС США. Они надеялись заснять проходившие здесь испытания самолёта новейшей конструкции, построенного с использованием технологий будущего. По словам фотографа Билла Хартенстейна, в час ночи с запада прилетел длинный и тонкий светящийся объект. И исчез так стремительно, что Хартенстейн едва успел запечатлеть его на плёнке. Неужели это и был самолёт?

Они показали свои плёнки физикам из Калифорнийского технологического института в Пасадене. По движениям огненных сгустков учёные предположили, что это пузырьки плазмы – субстанции, напоминающей газ, только состоящей не из нейтральных атомов, а из смеси ионов и электронов, которая получается ионизацией газа.

Плазма присутствует в светящейся неоновой рекламе, в молниях, на поверхности Солнца. Выходит, военные проводят испытания летательных аппаратов, окутанных слоем плазмы? Возможно ли такое? Вполне. С той таинственной встречи в июле 1991 года прошло много лет. В СМИ появились сообщения о попытках конструкторов создать самолёты, летящие в облаке плазмы, которое поглощает лучи радаров, об испытаниях бомбардировщика-невидимки, напоминающего истребители «Стелс». Но, судя по другим, незасекреченным исследованиям, у сияющей плазменной оболочки совсем другая задача.

Оказывается, ионизация газа резко изменяет характер воздушных потоков, что даёт множество преимуществ. Например, плазменная оболочка вокруг лопастей ветрогенератора удешевит производимую им электроэнергию. У автомобилей и самолётов с «прожорливыми» двигателями плазма снизит расход топлива, а значит, и количество вредных выбросов. Наконец, аэродинамика движения объекта в плазме совершенно не та, что в воздухе, и применение её разительно изменит транспорт будущего.

Учёные начали изучать плазму 50 лет назад, в самый разгар «космической гонки». Их тогда заинтересовали явления, происходящие при возвращении капсулы космического аппарата на Землю. При входе в верхние слои атмосферы из-за сопротивления воздуха поверхность капсулы нагревается столь сильно, что молекулы газа вокруг неё ионизируются, создавая плазменную оболочку.

Эта плазма ведёт себя совершенно не так, как обычный газ. В частности, эксперименты показали, что она уменьшает сопротивление воздуха, по крайней мере для быстро движущихся объектов. Опыты, проведённые в Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе в Ленинграде в 1970-х годах, показали, что сопротивление среды, которое испытывает металлический шарик, выстреленный в плазму и летящий в ней с гиперзвуковой скоростью, на треть ниже расчетного. Этот феномен чрезвычайно заинтересовал учёных. А поскольку ионизированный газ, как известно, поглощает сигналы радаров (а это серьёзная проблема для космонавтики – наземным службам трудно отследить траекторию возвращающейся капсулы), начались попытки создания сверхскоростных, невидимых для радаров бомбардировщиков. Холодная война была тогда в самом разгаре, и эти работы засекретили.

В начале 90-х годов, после распада СССР, завеса секретности над исследованиями в области плазмы постепенно стала приоткрываться. Когда зарубежные учёные получили доступ к российским наработкам в этой области, вновь возник интерес к использованию плазмы в авиации. И пока учёные пытались понять физические причины этого аэродинамического явления, Рот Рис, инженер из Университета штата Теннесси в Ноксвилле (США), и его сотрудники совершили настоящий прорыв.

В 1998 году они построили простой плазмогенератор. Выяснилось, что плазма снижает сопротивление среды даже для сравнительно медленно движущихся объектов. Появилась надежда, что она найдёт практическое применение в авиации. А опыты в аэродинамической трубе принадлежащего NASA Исследовательского центра Лэнгли в Гамильтоне (штат Виргиния, США) вскоре подсказали и способ её использования.

На огненных крыльях

Чтобы свести к минимуму силу трения воздуха о крыло, ближний к его поверхности слой воздуха должен двигаться «гладко» – ламинарным потоком. В реальности же этот приповерхностный слой легко разрывается, отрывается от поверхности крыла. Возникает турбулентность, на треть увеличивающая сопротивление среды движению летательного аппарата. В попытке предотвратить возникновение турбулентности Род и его сотрудники прикрепили на верхнюю плоскость крыла, рядом с его передней кромкой, пару электродов с тонким слоем электроизоляционной плёнки между ними.

Под действием высокого напряжения воздух в межэлектродном пространстве ионизировался. На верхней плоскости крыла возникла полоска плазмы, светящаяся красным светом. Испытания в аэродинамической трубе показали, что это несложное приспособление обеспечивает ламинарность потока даже в условиях, когда без плазмы возникла бы сильная турбулентность.

С тех пор учёные приложили немало усилий, чтобы разгадать причину этого феномена. Судя по всему, как только образуется плазма, оголённый (неизолированный) электрод её отталкивает, и образуется «ионный ветер», стекающий с крыла назад и вниз. Благодаря этому потоку уже при его скорости до 10 м/с относительно крыла скорость движения воздуха в приповерхностном слое увеличивается, что препятствует его «отрыву» от верхней плоскости крыла.

Подобный молнии полёт
Есть способ радикально улучшить эффективность летательных аппаратов – летать через непрерывно взрывающуюся, подобно каналу молнии, трубу. Этот метод позволяет не только уменьшить сопротивление среды, но и провести самолёт «как по рельсам» – сквозь непрерывно создаваемый впереди него плазменный туннель. Идея принадлежит Кевину Кремейеру, генеральному директору компании PM&AM Research из Туcсона (штат Аризона, США).
Кремейер планирует оснастить летательный аппарат мощными лазерами, «выстреливающими» вперёд по курсу одну за другой последовательности мощных импульсов сверхкраткой длительности, каждый из которых создаёт узкий плазменный канал. Затем установленные на борту электрические конденсаторы будут направлять электрический разряд, летящий по этим токоведущим каналам, взрывообразно расширяя их, наподобие того как это происходит в канале молнии со «стримерами» – нитевидными электрическими разрядами.
Создаётся «туннель» разряженного воздуха, в который и «ныряет» летательный аппарат. По расчётам Кремейера, самолёт, двигающийся со скоростью в 5 раз выше скорости звука, в таком канале будет встречать сопротивление в 10 раз меньшей величины, чем в воздухе. На дозвуковых скоростях этот эффект гораздо скромнее – снижает сопротивление среды всего на 10%. А вести самолёт, как по рельсам, без какого бы то ни было использования традиционных «штурвальных» приспособлений, можно будет, изменяя траекторию плазменного туннеля. Точная его «настройка» позволит снизить шум и намного повысить стабильность летательного аппарата в воздухе.
Дойл Найт, директор Центра компьютерного дизайна Университета Рутгерс (штат Нью-Джерси, США), полагает, что теоретически это вполне возможно. Расчёты показывают: подобная плазменная игла позволит экономить больше энергии, чем будет уходить на её создание. Главное – научиться создавать плазменный канал нужной формы и размеров

Результаты опытов в аэродинамической трубе впечатляют, но сохранится ли тот же эффект в условиях реального полёта? На вооружении США находится гибрид самолёта и вертолёта – конвертоплан V-22 Osprey, разработанный компаниями «Белл» и «Боинг». Две его турбины поворачиваются в вертикальной плоскости – и военная транспортная машина взлетает, как вертолёт. Затем турбины поворачиваются в горизонтальное положение, и дальше конвертоплан летит, как винтовой двухмоторный самолёт. Сохранить ламинарность потоков при повороте двигателей – трудная задача. На крыльях аппарата для этого имеются небольшие вертикальные выступающие рёбра, снижающие турбулентность при полёте на малых скоростях. Но эти же выступы вызывают нежелательный побочный эффект: при полёте на крейсерской скорости увеличивается сопротивление воздуха. Чуан Хэ из Университета Нотр Дам (штат Индиана, США) считает, что оптимальным решением было бы применение плазмы. Он провел опыты, доказавшие, что электроды – эффективная замена оребрению, причём, поскольку их толщина всего полмиллиметра, они нисколько не ухудшают аэродинамику крыла. По утверждению Хэ, плазма снижает воздушное сопротивление на 40% эффективнее, чем традиционное оребрение. ВМФ США профинансировал разработку пробной системы полного управления самолётом (с перспективой лётных испытаний в будущем).

Разработка может найти применение и в гражданской авиации. По расчётам Дэвида Бэрча, инженера из Университета графства Суррей в Гилдфорде (Великобритания), небольшие плазмогенераторы могут снизить сопротивление воздуха на 30%, что соответствует примерно пятипроцентному сокращению расхода топлива. Для пассажирской авиации США, которая потребляет около 40 миллиардов литров авиационного керосина в год, экономия от применения этой технологии составит 1,5 миллиарда долларов (с учётом как стоимости топлива, так и сокращения выбросов в атмосферу углекислого газа на 5 миллионов тонн в год).

Усовершенствование может затронуть не только крылья летательных аппаратов, но и лопасти вертолётных пропеллеров, и лопатки турбин тепло- и ветроэлектростанций. Особенно заинтересована в преимуществах применения плазмы ветроэнергетическая отрасль. Лопатки ротора ветровой турбины – прецизионные и очень дорогие детали, поскольку должны обеспечивать максимальную мощность на валу в широком диапазоне скоростей ветра. В некоторых турбинах применяются поворотные лопатки, угол атаки которых изменяют сервомоторы, чтобы обеспечивать максимальную мощность при слабом ветре и уменьшать её при штормовом. Плазмогенераторы могут выполнять ту же задачу без использования столь сложного и громоздкого оборудования. А если вдоль лопатки установить несколько плазмогенераторов, каждый из которых управляется отдельным датчиком, можно в реальном времени оптимизировать весь обтекающий лопатку поток. «Это очень перспективная система, дешёвая в производстве и не содержащая подвижных деталей», – говорит Георгиос Пехливаноглу, главный инженер компании Smart Blade из Равенсбурга (Германия), разрабатывающей плазменные регуляторы для ветровых турбин. По его словам, электроды могут быть столь тонкими, что их можно будет наклеивать на лопасти и лопатки скотчем. «Внедрить такие плазмогенераторы несложно, поэтому-то они столь привлекательны для предприятий нашей отрасли», – говорит он.

Каков возможный экономический эффект? По мнению Томаса Корка, инженера-разработчика аэрокосмических кораблей из Университета Нотр Дам, оснащение плазмогенераторами увеличит КПД существующих турбин на 15%, а значит, энергия, производимая ветроэлектростанциями, станет более конкурентоспособной на рынке. Чтобы доказать это, во втором полугодии этого года Корк и его сотрудники планируют провести полевые испытания. «У нас есть две ветротурбины в работоспособном состоянии. Одну из них мы оснастим плазмогенераторами», – говорит он.

На очереди – автотранспорт. Учёные из Орлеанского университета (Франция) опытным путём доказали, что, если установить плазмогенераторы во всю ширину заднего стекла, это на 8% снизит турбулентность при движении. Хотя экономия топлива для каждого отдельного автомобиля при этом невелика, в масштабах страны это даст существенное снижение объёмов потребления горючего и выбросов углекислого газа.

Ламинарные потоки

Прежде чем плазма найдёт практическое применение на транспорте, нужно найти решение нескольких серьёзных проблем. Устанавливать плазмогенераторы придётся с очень высокой точностью. Упомянутые французские учёные установили, что даже небольшой их сдвиг увеличивает сопротивление воздушной среды на 6%.

В 2009 году несколько европейских университетов и других организаций объединились для решения некоторых этой и подобных проблем. В рамках проекта «Плазмаэро» идёт поиск физических причин этого аэродинамического феномена. Помимо цели повышения эффективности плазмогенераторов ставится и более амбициозная задача: научиться управлять беспилотными летательными аппаратами (UAV) с помощью одних только плазмогенераторов, без применения закрылков и других подвижных деталей.

Раз плазма применяется вместо закрылков для регулировки подъёмной силы крыла, участники проекта «Плазмаэро» хотят вообще обойтись без элеронов: установить плазмогенераторы на оба крыла и, регулируя их отдельно, выполнять виражи. Можно ли таким же способом управлять рулём поворота и рулями высоты? В декабре 2012 года учёные получили положительный ответ на этот вопрос в испытательном полёте беспилотника размахом крыльев в 4 метра в Дармштадте (Германия). «В условиях реального полёта эти приспособления работали, как и ожидалось согласно расчётам, – говорит Даниэль Каруано, координатор проекта «Плазмаэро». – Все его манёвры выполнялись исключительно регулированием интенсивности плазмообразования. А голубая светящаяся оболочка вокруг него придавала ему фантастический, инопланетный вид».

По мнению Бэрча, в ближайшие несколько лет плазменное управление полётом появится в виде подстраховочной системы, автоматически предотвращающей, например, сваливание машины в штопор.

Впрочем, эта технология уже сейчас вдохновляет проектировщиков на пересмотр прежних взглядов на аэродинамику. Может оказаться, что, если покрыть всю поверхность крыла плазмогенераторными электродами, это даст гораздо большие преимущества, чем при установке их только на его передней кромке. По мнению Хэ, это позволит не только уменьшить сопротивление воздуха, но и «перекроить» воздушные потоки как заблагорассудится, фактически создать виртуальное крыло.

Джейми Джейкоб из Университета штата Оклахома в Стиллуотере (США) заглядывает вперёд ещё дальше: по его мнению, в будущем плазменные генераторы могут заменить двигатели самолётов. Для этого придётся увеличить мощность ионного потока: только так можно обеспечить большую подъёмную силу, необходимую для отрыва от земли. Пока такие перспективы не просматриваются, мощность плазменных потоков для этого недостаточна, признаёт сам автор идеи. Хотя, по его словам, технология постоянно совершенствуется в нужном направлении.

По мнению Пехливаноглу, сияющие плазменные оболочки ожидает блестящее будущее. Сейчас потоками воздуха управляют чисто механические приспособления, тогда как плазменные «рули» – гораздо более изящная идея, лишь недавно вышедшая на арену новейших технологий.

Материал опубликован в журнале New Scientist | Май 2013

РЕЙТИНГ

3.86
голосов: 7

Галереи

МАКС-2011: картинки с выставки

C 16 по 21 августа 2011 года в подмосковном городе Жуковский на территории Лётно-исследовательского института имени Громова в десятый раз проходит международный авиакосмический салон МАКС. В этом альбоме - то, что показалось нам наиболее интересным в статической экспозиции и выставочных павильонах.

93 фото

Обсуждение