دافع بلازما نبضي

يُعد دافع البلازما النبضي، أو محرك البلازما النفاث، شكلًا من أشكال الدفع الكهربائي للمركبات الفضائية. دافعات البلازما النبضية هي أبسط أشكال الدفع الكهربائي للمركبات الفضائية، وكانت أول شكل من أشكال الدفع الكهربائي يُستخدم في الفضاء، حيث استخدمها السوفيت على متن مسبارين (زوند 2 وزوند 3) بدءًا من عام 1964.  تُستخدم دافعات البلازما النبضية عادة على المركبات الفضائية التي تتمتع بفائض من الكهرباء من الطاقة الشمسية المتوفرة.

لا ينبغي الخلط بين محركات الدفع البلازمية النبضية وصاروخ البلازما النبضي الذي طورته شركة هوي إندستريز، حيث أن محرك الدفع البلازمي النبضي هو نظام دفع كهربائي، بينما صاروخ البلازما النبضي هو نظام دفع نووي يستخدم نهجًا مختلفًا تمامًا.

 العملية 
تصغير|مخطط لمحرك دفع بلازما نبضي
تستخدم معظم مدافع البلازما ذات النبضات مادة صلبة (عادة بولي رباعي فلورو الإيثيلين، المعروف باسم التفلون) كوقود دافع، بينما تستخدم قلة منها وقودًا سائلًا أو غازيًّا. تتضمن المرحلة الأولى من تشغيل هذه الدافعات مرور قوس كهربائي عبر الوقود، مما يؤدي إلى عمليتي استئصال وتسامي. تتسبب الحرارة المتولدة من هذا القوس في تحويل الغاز الناتج إلى بلازما، فتتكون بذلك سحابة غازية مشحونة. وبسبب قوة التآكل، تُدفع البلازما بسرعة منخفضة بين لوحين مشحونين (مصعد ومهبط). ولأن البلازما مشحونة، يكمل الوقود الدائرة الكهربائية بين اللوحين، مما يسمح بمرور تيار كهربائي عبر البلازما. يولِّد هذا التدفق من الإلكترونات مجالًا كهرمغناطيسيًّا قويًّا يؤثر بدوره بقوة لورنتز على البلازما، مسرعًا إياها خارج عادم مدفع البلازما بسرعة عالية "NASA Glenn Research Center PPT". National Aeronautics & Space Administration (NASA). Retrieved 5 July 2013. تشبه في طريقة تشغيلها طريقة عمل المدفع الكهرومغناطيسي. يحدث النبض نتيجة الوقت اللازم لإعادة شحن الألواح بعد كل دفعة من الوقود، والفاصل الزمني بين كل نبضة. عادة ما يكون تردد النبض عاليًّا جدًا، مما يولد قوة دفع شبه متواصلة وسلسة. على الرغم من أن قوة الدفع منخفضة جدًّا، إلا أن نظام الدفع النبضي ذي الطورين قادر على العمل عملًا متواصلًا لفترات طويلة، مما يتيح سرعة نهائية عالية.

تخزن الطاقة المستخدمة في كل نبضة في مكثف. وبتغيير الفترة الزمنية بين كل تفريغ للمكثف، يمكن التحكم في قوة الدفع واستهلاك الطاقة لنظام الدفع النبضي، مما يتيح استخدامات متعددة للنظام.P. Shaw (30 September 2011). "Pulsed Plasma Thrusters for Small Satellites". Doctoral Thesis - University of Surrey. Retrieved 2020-06-27.

 مقارنة بالدفع الكيميائي 
تُعطى معادلة تغير سرعة المركبة الفضائية بواسطة معادلة الصاروخ على النحو التالي:



تتميز محركات الدفع النبضي بسرعات عادم أعلى بكثير من محركات الدفع الكيميائي، ولكن بمعدل تدفق وقود أقل بكثير. وبناءً على معادلة تسيولكوفسكي المذكورة أعلاه، ينتج عن ذلك سرعة نهائية أعلى نسبيًّا للمركبة المدفوعة. تبلغ سرعة عادم محرك الدفع النبضي عشرات الكيلومترات في الثانية، بينما تولد محركات الدفع الكيميائي التقليدية سرعات حرارية تتراوح بين 2 و4.5 كيلومتر في الثانية. ونظرًا لانخفاض السرعة الحرارية، تصبح وحدات الدفع الكيميائي أقل فعالية إلى حد كبير عند سرعات المركبات العالية، مما يستلزم استخدام أنظمة دفع كهربائية للمركبات الفضائية مثل محركات الدفع الكهرضوئية. ولذلك، يُعد استخدام نظام دفع كهربائي مثل محرك الدفع الكهرضوئي مفيدًا لتوليد سرعات عالية بين الكواكب تتراوح بين 20 و70 كم/ث.

حقق جهاز دافع البلازما النبضي البحثي التابع لناسا (الذي أُطلق في عام 2000) سرعة عادم تبلغ 13700 م/ث، وولّد قوة دفع قدرها 860 ميكرونيوتن، واستهلك 70واط من الطاقة الكهربائية."NASA Glenn Research Center PPT". National Aeronautics & Space Administration (NASA). Retrieved 5 July 2013.

طُور نوع جديد من دافعات البلازما النبضية يسمى دافع البلازما النبضي المغذى بالفايبر بواسطة CU Aerospace, LLC https://www.howeindustries.net/technology/ppr بأموال برنامج أبحاث الأعمال الصغيرة المبتكرة التابع لناسا، وكان دفعه النوعي أكبر من 3,500 ثانية.

 المزايا والعيوب 
تتميز أنظمة دفع البلازما النبضية بمتانتها العالية نظرًا لتصميمها البسيط (مقارنة بتقنيات الدفع الكهربائي الأخرى للمركبات الفضائية). وباعتبارها أنظمة دفع كهربائية، تستفيد هذه الأنظمة من انخفاض استهلاك الوقود مقارنة بالصواريخ الكيميائية التقليدية، مما يقلل من كتلة الإطلاق والتكاليف تبعًا لذلك، بالإضافة إلى ارتفاع الدفع النوعي الذي يحسن الأداء."NASA Glenn Research Center PPT". National Aeronautics & Space Administration (NASA). Retrieved 5 July 2013.

ومع ذلك، وبسبب فقدان الطاقة الناتج عن التآكل المتأخر وانتقال الحرارة التوصيلي السريع من الوقود إلى بقية المركبة الفضائية، فإن كفاءة الدفع (الطاقة الحركية للعادم / إجمالي الطاقة المستخدمة) منخفضة للغاية مقارنة بأشكال الدفع الكهربائي الأخرى، حيث تبلغ حوالي 10٪ فقط.

 المراجع 

تصنيف:اختراعات سوفيتية