بخشی از مقاله
چکیده
گرماصوتیات از ترکیب علم گرماپویایی - ترمودینامیک - و علوم مربوط به امواج صوتی پدید آمده است. در کاربردهای برون زمینی از دو دسته اصلی تجهیزات گرماصوتی استفاده می شود که عبارتند از: موتورها و خنک ساز1های گرماصوتی . در موتورها با استفاده از انتقال حرارت از یک منبع گرم، امواج صوتی تولید می گردد که همچون کار مکانیکی ارزشمند است و به صورت معکوس در خنک سازها، امواج صوتی ایجاد اختلاف دما و در نتیجه خنکسازی میکنند.
در کاربردهای برون زمینی، به علت دور از دسترس بودن فضاپیماها، ماهوارهها و سامانههای تحقیقاتی فضایی، نیاز به یک منبع تأمین توان گرمایی و برقی، بسیار ضروری می باشد. موتورها و خنک سازهای گرماصوتی به علت عدم وجود قطعه متحرک و ارتعاشات، دارای قابلیت اطمینان بالایی هستند.
استفاده از خنک سازهای گرماصوتی در کاربردهای برون زمینی نسبت به موتورهای گرماصوتی سابقه طولانیتری دارد و تقریباً از انتهای دهه 80 مورد استفاده قرار گرفته اند؛ اما برنامه ریزی برای استفاده از موتورهای استرلینگ در کاربردهای برون زمینی اوایل دهه 90 آغاز شده است و در سال های اخیر بهره گیری از موتورگرماصوتی برای تولید برق و توان مکانیکی در سامانه های فضایی نیز مورد توجه ویژه قرار گرفته است. در این متن به اقداماتی که در خصوص بهره گیری از سامانههای گرماصوتی در کاربردهای برون زمینی صورت گرفته، اشاره شده است.
.1 مقدمه
فعالیت های فضایی در زمینه ارسال پرتابه ها به فضا از دهه 50 میلادی آغاز شده است. از همان آغاز مسئله تأمین توان مورد نیاز سامانه های فضایی به صورت جدی مطرح بوده است؛ همچنین خنک سازی تجهیزات حساس نیز از دیگر مسائل پیش رو در فعالیتهای فضایی میباشد.
تاریخچه گرماصوتیات به اواخر قرن هجدهم میلادی باز می گردد که اولین نشانه های پدیده گرماصوتی توسط شیشه گرها مشاهده شده است. از آن جا که مبنای علمی و تاریخی تجهیزات گرماصوتی از موتور استرلینگ نشأت گرفته است، در این مقاله ابتدا نمونه هایی از فعالیت های صورت گرفته در زمینه تولید توان از موتور استرلینگ بیان شده و سپس به معرفی تجهیزات گرماصوتی برون زمینی پرداخته شده است.
موتور استرلینگ که بین دو منبع گرم و سرد کار میکند، با انبساط و انقباض هوا یک پیستون را به حرکت در می آورد و در نتیجه تولید توان مکانیکی می کند. از جمله موارد استفاده آن می توان به موتور قطارها اشاره نمود. امروزه نمونه های کوچک آن ساخته شده اند که برای کاربردهای فضایی مناسب هستند. منبع گرم مورد استفاده در موتور استرلینگ هر نوع منبع انرژی می تواند باشد اما در کاربردهای برون زمینی منبع گرما از طریق انرژی خورشیدی یا هستهای تأمین میگردد.
موتورهای گرماصوتی بر خلاف دیگر تبدیلکنندههای پویا - دینامیک - همچون موتور استرلینگ و موتور حرارتی توربو برایتون، قطعه متحرکی ندارند، به همین دلیل قابلیت اطمینان بالاتر، ساخت سادهتر و احتمال خستگی و واماندگی کمتری دارند .
موتورهای گرماصوتی گرما را از هر منبع حرارت در دسترسی دریافت میکنند، آن گاه حرارت دریافتی را به کار صوتی تبدیل می کنند. این کار صوتی که به صورت موج های فشاری می باشد مانند کار مکانیکی میللنگ و تجهیزات دوّار - همچون توربین - ارزشمند است و می توان با بهکارگیری این توان صوتی یک در یک تبدیل کننده توان1 - مولد برق - آن را به برق تبدیل نمود یا یک خنک ساز گرماصوتی2 را به حرکت درآورد و تولید توان سرمایشی نمود. لازم به ذکر است که خنکساز گرماصوتی برعکس موتور گرماصوتی عمل می کند؛ بدین صورت که کار صوتی را دریافت می کند و به اختلاف دما تبدیل می کند یعنی یک سر آن در دمای محیط است و سر دیگر آن در دمای بسیار پایین میرود، این نوع خنکسازها که فاقد هرگونه قطعه متحرکی می باشند و به طبع ارتعاشات کمتر و طول عمر بیشتری دارند در فضا برای خنک کردن تجهیزات حسّاس برقی و ابزار دقیق استفاده میشوند.
سازمان فضایی آمریکا - ناسا - به عنوان پیشتازترین مرکز فعال در زمینه فعالیت های فضایی، از اواخر دهه هشتاد میلادی همزمان با اوج گرفتن فعالیت ها در زمینه ساخت سامانه های گرماصوتی، به استفاده از خنکسازهای گرماصوتی روی آورد و در اواخر دهه 90 نیز موتورهای استرلینگ نیز مورد توجه آن ها قرار گرفت . سامانه موتور استرلینگ یکی از گزینه های مورد نظر ناسا برای تأمین توان برون زمینی می باشد و برنامه ریزی زمانی و بودجه ای گسترده ای برای دست یابی به آن صورت گرفته است که بخشی از آن ها در جدول 1-0 درج شده اند.
این مقادیر در واقع نقشه راه فعالیتهای تحقیقاتی سالهای اخیر ناسا در زمینه موتورهای استرلینگ می باشد که در سال 2001 منتشر شده اند. لازم به ذکر است که اکنون سامانهای استرلینگِ پیشرفته ای ساخته شده اند و مراحل پایانی خود را سپری میکنند. روندی که به سامانههای پیشرفته کنونی منجر شده در این جدول مشاهده می شود. مطابق جدول 1-0، کار از نسخه اولیه شروع شده و پس از ساخت سه نسخه، به نسخه استرلینگ 2.0 رسیده اند. این نسخه یک موتور استرلینگ گرماصوتی است که در آن اجزاء متحرک موتورهای استرلینگ معمولی حذف شده است. در مجموع در نقشه راه سال 2001 ناسا، 39/5 میلیون دلار برای توسعه سامانه های استرلینگ و آلیاژهای مورد استفاده آن در نظر گرفته شده است.
مطابق این برنامه به طور موازی بر روی مواد و آلیاژهای موجود در قسمت های دما پایین و دما بالای سامانه، کار تحقیقاتی صورت گرفته است. آلیاژهای دما بالا از موارد کلیدی برای دست یابی به این فن اوری هستند که طبق نقشه راه ناسا یکی از مواردی است که با 15 میلیون دلار سرمایه گذاری، بهای زیادی به آن داده شده است. لازم به ذکر است که این مورد علاوه بر تأمین سامانه استرلینگ، به خودکفایی در سایر کاربردهایی که به آلیاژهای دما بالا نیاز دارند نیز منجر میگردد، که بهعنوان نمونه میتوان به فناوری ساخت پرههای توربینهای گازی اشاره نمود که در صنایع هوافضا و نیروگاهی کاربرد فراوانی دارد و از گلوگاههای اصلی محسوب میشود.
سامانه های استرلینگ برای کاربردهای برون زمینی، توسط وزارت دفاع امریکا - دیاُایی - 3 و سازمان فضایی آمریکا - ناسا - توسعه پیدا کرده اند .[1] دستگاه تبدیل توان4 گرماصوتی موج رونده که از حرارت آزاد شده ازیک منبع گرم تولید توان برقی نموده است توسط ناسا توسعه پیدا کرده و با موفقیت آزمایش شده است. این دستگاه تبدیل توان برای تولید توان 100 وات در مأموریت های طولانی فضایی و مأموریت فرودگر مریخ5 طراحی شده است. تخمین آن ها از "وزن-پروازی"6 سامانه 100 واتی برقی، 13/9 کیلوگرم بوده و با توجه به اینکه منبع گرم به مرور زمان دچار افت توان می گردد، در آغاز عمرش - بیاُاِل - 7 توان مخصوص 8/3 وات برقی بر کیلوگرم - - داشته است .[1] این دستگاه گرماصوتی تبدیل توان با موفقیت آزمایش شد و به بیش از 50 وات توان برق خروجی با حداکثر بازده %18 رسید.
جدول 1-0 ویژگیهای گزینههای موجود برای فناوری سامانههای توان استرلینگ ناسا .[2]
این دستگاه به عنوان اولین پیاده سازی فن اوری تبدیل گرماصوتی توان موج رونده به برق در فضا محسوب می شود؛ هم چنین اولین گام برای تولید منبع فضایی توان بازده- بالا2 بر پایه فناوری گرماصوتی است که عملکرد آن تأیید شده است .[1] این سامانه، در شکل 1-0 مشاهده میشود.
شکل 1-0 سامانه تولید توان با استفاده از تبدیلکننده توان گرماصوتی
سامانه بعدی که در آمریکا توسعه داده شده، مولدهای پیشرفته استرلینگ بود که این سامانه را وزارت انرژی آمریکا برای ناسا ساخت.
