Švytintys lėktuvai: Plazma šalina oro pasipriešinimą

Buvo giedra, mėnesienos nušviesta naktis, kai du vyrai paruošė savo vaizdo kameras šalia 58-ojo greitkelio Mojave dykumoje. Kiek šiauriau Edwardso Oro pajėgų bazės jie tikėjosi užfiksuoti itin slapto futuristinio lėktuvo bandymus. Vėlesni įvykiai juos pribloškė.

Maždaug pirmą valandą nakties iš vakarų atskriejo švytintis objektas. Jis buvo ilgas ir laibas, apgaubtas švytinčiu auksinės ir baltos šviesos sluoksniu, prisimena fotografas Billas Hartensteinas. Objektas padidino greitį ir pranyko taip greitai, kad Hartensteinas vos užfiksavo jį: „Nuo susijaudinimo tapau nerangus,“ sako jis.

Iš pradžių jie pamanė, kad objektas – vėliau pavadintas „Purkštuku“ dėl jo paliekamo švytinčių burbulų pėdsako – buvo meteoras, bet kai niekas apie jį nepranešė, jie pradėjo įtarti matę lėktuvą. Bet ar kas girdėjo apie švytintį lėktuvą?

Ieškodami užuominų, jie parodė vaizdo įrašą Kalifornijos Technologijos instituto Pasadenoje fizikams. Įvertinę burbulų judėjimą, Pasadenos mokslininkai iškėlė mintį, kad švytėjimas primena plazmą – jonų ir elektronų debesį, susidarantį, jonizuojantis dujoms. Plazma susikuria neoninėse lempose, žaibuojant ir Saulės paviršiuje. Ar galėjo karinės oro pajėgos bandyti plazma padengtus lėktuvus?

Labai gali būti. Per dešimtmečius nuo Hartensteino paslaptingojo susidūrimo 1991-ųjų liepą, sklandė gandai, kad karinėse laboratorijose lėktuvai apvelkami plazminiais „apsiaustais“, absorbuojančiais radarų bangas, taip kuriant naujos kartos radarais neaptinkamus bombonešius. Bet kitas, neįslaptintas tyrimas pateikė visai kitokį švytinčio apsiausto paaiškinimą.

Pasirodo, jonizuotos dujos daro stiprią įtaką oro tėkmei, o tai gali suteikti daug privalumų. Pavyzdžiui, plazma ant vėjo turbinų menčių galėtų atpiginti atsinaujinančią energiją. Kurą ryjantys automobiliai ir lėktuvai taip pat gali gauti naudos iš plazmos, siūlančios pigesnes ir švaresnes keliones. Galiausiai, plazma leidžia inžinieriams visai kitaip mąstyti apie aerodinamiką, o tai gali smarkiai paveikti visą transporto ateitį.

Plazmos tyrimų pamatai buvo pakloti prieš pusšimtį metų, pačiame kosminių lenktynių įkarštyje. Tuo metu mokslininkus intrigavo reiškiniai, stebimi kosminės kapsulės grįžimo į Žemę metu. Jie atrado, kad kapsulei pasiekus viršutinę atmosferą, kyla trintis, įkaitinanti dujas taip stipriai, kad jų molekulės jonizuojasi, sudarydamos plazmos sluoksnį.

Plazmos savybės skiriasi nuo įprastų dujų savybių. O konkrečiai, eksperimentai parodė, kad plazma sumažina oro pasipriešinimą – bent jau greitai judančių objektų. Praėjusio amžiaus aštuntajame dešimtmetyje Jofės institute Sankt Peterburge, Rusijoje, atlikti bandymai parodė, kad plieninio rutulio, iššauto viršgarsiniu greičiu per plazmą, oro pasipriešinimas buvo trečdaliu mažesnis, nei tikėtasi. Šis reiškinys sužavėjo fizikus. Tačiau, kadangi buvo žinoma, kad jonizuotos dujos sugeria radarų signalus – tai sukeldavo problemų kosmoso agentūroms, nes dėl to sutrikdavo radijo ryšys su besileidžiančia kapsule – į plazmą pradėta žiūrėti kaip į priemonę sukurti greitus, radarais neužfiksuojamus bombonešius. Kadangi Šaltasis karas tada vyko visu smarkumu, šie darbai buvo įslaptinti.

Paslapties šešėlis nuo plazmos tyrimų ėmė trauktis tik dešimtojo dešimtmečio pradžioje, iširus Sovietų sąjungai. Viso pasaulio laboratorijoms gavus priėjimą prie Rusijos tyrimų, kilo nauja susidomėjimo plazmos teikiamų privalumų panaudojimo aviacijoje banga. Kol fizikai laužė galvas, stengdamiesi suprasti fizikinius reiškinio pagrindus, Johno Reece'o Roth'o, Tenesio Universiteto Knoxville'yje fiziko vadovaujama komanda pasiekė proveržį.

1998 m., jie sukūrė paprastą plazmos generatorių ir atrado, kad juo galima sumažinti ir lėtai judančių objektų oro pasipriešinimą. Buvo iškelta mintis, kad šis efektas gali būti praktiškas orlaiviams ir bandymai NASA'os Langley Tyrimų centro Hamptone, Virdžinijoje vėjo tunelyje greitai parodė, kaip tokia sistema galėtų veikti.

Liepsnojantys sparnai

Tam, kad trintis su sparnu būtų kuo mažesnė, artimiausias jo paviršiui oro sluoksnis turi judėti tolygiai – vadinamuoju laminariniu srautu. Tačiau praktikoje šis ribinis sluoksnis lengvai sutrikdomas ir atitrūksta nuo paviršiaus. Dėl to kyla turbulencija, sukelianti iki trečdalio lėktuvo patiriamos oro trinties. Stengdamiesi su tuo kovoti, Rothas su kolegomis sukūrė elektrodų porą, atskirtą plonu izoliuojančiu sluoksniu ir pritaisė ant sparno viršutinės pusės, netoli priekinės briaunos.

Tyrėjams prijungus aukštą įtampą, oras tarp elektrodų jonizavosi, virš sparno sukurdamas purpurinę švytinčios plazmos juostą. Vėjo tunelio testai parodė, kad šis paprastas patobulinimas padėjo išlaikyti tolygų oro aptekėjimą netgi tokiomis sąlygomis, kokiomis įprastai srautas būtų itin nestabilus.

Nuo tada tyrėjai plūkėsi, stengdamiesi išsiaiškinti šio reiškinio priežastis. Eksperimentai rodo, kad susiformuojančią plazmą atstumia neizoliuotas elektrodas, sukurdamas sparnu tekantį „jonų vėją“. Šis, nejudančio sparno atveju pasiekdamas iki 10 m/s greitį, spartina ribinio sluoksnio orą, neleisdamas jam atitrūkti nuo sparno paviršiaus.

Bandymo rezultatai puikūs, bet ar plazma gali daryti kokią nors įtaką tikriems orlaiviams? Paimkime, pavyzdžiui Bell Boeing V-22 Osprey su jo dviem nukreipiamais rotoriais. Tai karinis transporto lėktuvas, pakylantis kaip sraigtasparnis, o tada pakreipiantis variklius 90 laipsnių kampu ir tampantis dvimotoriu propeleriniu lėktuvu. Išlaikyti tolygų oro aptekėjimą šio pasikeitimo metu nėra paprasta. Siekiant supaprastinti užduotį, aparato sparnai padengti mažais „pelekais“, slopinančiais turbulenciją, kai judama negreitai. Bet šie pelekai turi nepageidaujamą šalutinį poveikį: Osprey skrendant visu greičiu, jie sukuria papildomą oro pasipriešinimą.

Pasak Chuan He iš Notre Dame'o universiteto Indianoje, atsakymas yra plazma. Jo bandymai rodo, kad elektrodai gali veikti taip pat, kaip pelekai, bet kadangi jie plonesni, nei pusės milimetro, neblogintų aparato aerodinamikos. Remiantis He rezultatais, plazma sumažina aparato oro pasipriešinimą daugiau, nei 40 procentų, lyginant su įprastiniu pelekų dizainu ir JAV Jūrų laivynas dotavo tyrimą, skirtą visos kontrolės sistemos sukūrimui ir tolesniems skrydžių bandymams.

Keleiviniai orlaiviai irgi galėtų gauti panašios naudos. Inžinierius Davidas Birchas iš Surrey universiteto Guildforde, JK, paskaičiavo, kad maži plazmos aktyvatoriai galėtų sumažinti oro trintį 30 procentų, o tai leistų sutaupyti maždaug 5 procentus kuro. Žinant, kad JAV orlaiviai kasmet sunaudoja apie 40 milijardų litrų aviacinio kuro, ši technologija leistų sutaupyti 1500 milijonų dolerių už kurą ir sumažintų anglies dvideginio emisiją 5 milijonais tonų.

Kas tinka sparnams, turėtų tikti ir kitoms plokštumoms, veikiančioms dujų srautus, pavyzdžiui, sraigtasparnio mentėms, vėjo turbinoms ir netgi dujų turbinoms. Vėjo energetika itin domisi plazmos technologijos teikiama nauda. Vėjo turbinų rotorių menčių forma yra tiksliai sureguliuota, kad generuotų didžiausią „kėlimą“ plačiame vėjo greičių ruože. Siekiant didesnio efektyvumo, kai kuriose turbinose naudojamos kintamo atakos kampo mentės, pasukamos motorais, kad generuotų didelę keliamąją jėgą ramiu oru ir sumažintų ją audros metu. Plazma galėtų atlikti panašią užduotį be sunkių, brangių mechanizmų. Dar daugiau, su atskirais, ant sparno plokštumos išdėstytais aktyvatoriais – kiekvieną jų kontroliuotų jutikliai – oro tėkmė apie visą sparną galėtų būti optimizuojama realiu laiku. „Tai daug žadanti technologija, ypač dėl mažų gamybos kaštų ir judančių dalių nebuvimo,“ pažymi Georgios Pechlivanoglou, Smart Blade, įsikūrusios Ravensburge, Vokietijoje ir vystančios vėjo turbinų plazmos kontrolę, techninis direktorius. Elektrodai gali būti tokie ploni, kad prie sparno juos galima pritvirtinti kaip lipnią juostą, sako jis. „Paprastas aktyvatorių įrengimas tikrai džiugi naujiena šiai pramonei.“

Kokią naudą tai galėtų suteikti? Pasak Thomaso Corke'o, aviacijos inžinieriaus iš Notre Dame universiteto, plazmos aktyvatorių pritaisymas dabartinių turbinų efektyvumą turėtų padidinti maždaug 15 procentų, ir padėtų vėjo energijos kainas padaryti konkurencingesnes. Siekdama tai patvirtinti, Corke'o komanda vėliau šiais metais atliks lauko bandymus. „Turime dvi veikiančias vėjo turbinas ir ant vienos įrengsim plazmos aktyvatorius,“ sako Corke'as. „Visa reikalinga elektronika jau įdiegta.“

Dar verta pagalvoti ir apie keliais riedančias transporto priemones. Viename automobilių tyrime, Orléans universiteto Prancūzijoje komanda pademonstravo, kad plazmos aktyvatoriai, pritaisyti ant viršutinio galinio lango krašto, gali sušvelninti oro tėkmę už automobilio, taip sumažindami oro pasipriešinimą 8 procentais. Nors kuro efektyvumas padidėja nedaug, nacionaliniu mastu tai reikštų ženklų kuro ir, kartu, CO₂ emisijos sumažėjimą.

Glotnus srautas

Prieš pajungiant plazmą darbui, reikia išspręsti kelias rimtas problemas. Tarkime, aktyvatorių pozicija yra kritiškai svarbi. Prancūzų komanda ištyrė, kad šiek tiek pakeitus elektrodų vietą, oro trintis, užuot sumažėjusi, gali padidėti beveik 6 procentais. Be to, norint, kad sistema būtų praktiška, jos teikiama nauda turėtų viršyti plazmos gavimui sunaudojamą energiją. Šiuo klausimu inžinieriai jau pasistūmėjo: naudojant aukštos įtampos pulsuojančiais signalais kuriamą plazmą, tolygi oro tėkmė sukuriama, panaudojus dvigubai mažiau energijos. Tačiau tokių sistemų valdymas realiu laiku bus iššūkis, įspėja Birchas.

Šias problemas nuo 2009 metų sprendžia Europos universitetų ir kitų organizacijų konsorciumas. Jų Plasmaero projekte naujai žvelgiama į plazmos aktyvatorių fiziką, siekiant pagerinti jų efektyvumą. Bet jis turi ir ambicingesnį tikslą: kontroliuoti nepilotuojamus orlaivius (unmanned aerial vehicle – UAV) naudojant vien plazmą.

Nors plazma buvo panaudota sparno keliamosios galios padidinimui – kitais žodžiais tariant, kaip užsparniai – Plasmaero projekto dalyviai nori pakeisti ir eleronus, pridėdami aktyvatorius prie abiejų sparnų ir įjungiant vieną ar kitą, valdyti lėktuvo šoninį pokrypį. Ar taip pat galima būtų valdyti krypties ir aukščio vairus? 2012metų gruodį tyrėjai gavo atsakymą po sėkmingo 4 metrų sparnų ilgio nepilotuojamo lėktuvo skrydžio Darmstadte, Vokietijoje. „Įrengimai lauko sąlygomis veikė, kaip ir tikėtasi,“ sako Danielis Caruana'as, Plasmaero projekto koordinatorius. „UAV buvo vairuojamas vien plazma.“ O aktyvatorių sukeltas melsvas paviršiaus švytėjimas suteikė aparatui futuristinę išvaizdą, pridūrė jis.

Nors pirmiausia įprastų valdymo paviršių pakeitimas ko gero bus taikomas nepilotuojamiems lėktuvams, keleiviniams orlaiviams jų pakeitimas irgi suteiktų apčiuopiamą naudą. Be oro pasipriešinimo sumažinimo plazminiai kontrolės įrenginiai galėtų skrydžius padaryti tolygesnius, nes aktyvatoriai veikia daug greičiau, nei mechaniniai vairai, o tai leistų lėktuvo autopilotui sparčiau reaguoti į netikėtą turbulenciją. Nesant judančių dalių, priežiūra būtų minimali. O kadangi maždaug ketvirtis nelaimingų atsitikimų su lėktuvais sukelia mechaninai gedimai – ypač pažeidžiami judantys užsparnių ir uodegos judantys paviršiai – plazmos kontrolė galėtų reikšti patikimesnius, saugesnius lėktuvus.

Nesitikėkite švytinčius orlaivius išvysti jau kitąmet. Vėjo turbinos aktyvatorių gedimas nebūtų nieko rimto, bet skrydyje tokia situacija būtų mirtinai pavojinga. Be to, rizikos vengianti komercinės aviacijos pramonė naujas technologijas priima atsargiai. Birchas siūlo, kad artimiausiu metu plazmos aktyvatoriai galėtų būti kaip tam tikra atsarginė kontrolės priemonė, padedanti, pavyzdžiui, automatiškai išvengti lėktuvo pakliuvimo į suktuką.

Kaip bebūtų, ši technologija jau skatina inžinierius naujai pažvelgti į tradicinę aerodinamiką. Pavyzdžiui, padengus visą sparno paviršių plazmos aktyvatoriais, būtų gaunama ryški nauda. Pasak He, tai ne tik sumažintų oro pasipriešinimą, bet ir leistų inžinieriams kaip tinkamiems valdyti aptekantį oro srautą, sukuriant, kaip išsireiškė He „virtualius sparnus“. Užuot naudojus tikslaus dizaino plokštumas, virtualus sparnas galėtų naudoti bendrą formą, bet su plazmos dangalu. Taip jį būtų galima transformuoti jungtuko spragtelėjimu – kylant ir leidžiantis, paviršius būtų platus, labiau išlenktas, o skrendant kreiseriniu greičiu, profilis būtų tolygesnis. Automatiškai kontroliuojami, skrendant tokie sparnai galėtų mirgėti mėlyna šviesa, nuolat optimizuodami savo aerodinamines charakteristikas.

Jamey'is Jacobas iš Oklahomos Valstijos universiteto Stillwateryje žvelgia dar toliau. Jis tiria ar plazma galėtų pakeisti netgi variklius. Norint to pasiekti, reikėtų padidinti jonų vėjo energiją, kad jos pakaktų lėktuvo pakėlimui į orą. Kol kas, pripažįsta Jacobas, tai nepasiekiama – plazmos srautas nepakankamai galingas. „Tačiau lauko pokyčiai pastūmėjo jį norima kryptimi,“ sako jis.

Ir Pechlivanoglou nuomone, švytinčių apdangalų ateitis šviesi. Įprastinės srauto kontrolės priemonės naudoja grubią jėgą, „bet plazmos aktyvatoriai tai atlieka daug elegantiškiau“, pažymi jis. „O jų vystymas dar tik prasideda.“

David Hambling
New Scientist, № 2907