تطوير مسبار صغير مزدوج القياس لدرجة الحرارة وتدفق الحرارة باستخدام طبقة رقيقة من البلاتين للقياسات الحرارية العابرة حتى 1400 °C.

قياس الحرارة القصوى على أسطح الطيران المستقبلية

عندما تخترق المركبات الفضائية أو الطائرات فائقة السرعة الغلاف الجوي، تتعرض واجهاتها لحرارة شديدة خلال أجزاء من الثانية. معرفة كمية الحرارة التي تتحملها تلك الأسطح بدقة أمر حيوي لحفظ المحركات وخزانات الوقود والطلاءات الواقية من الفشل. تعرض هذه الورقة نوعًا جديدًا من المجسات الحرارية الصغيرة القادرة على الصمود عند درجات حرارة تفوق العديد من تدفقات الحمم والاستجابة بسرعة كافية لتتبع الصدمات الحرارية المفاجئة، مما يوفر أداة قوية لتصميم مركبات عالية السرعة أكثر أمانًا.

لماذا يصعب قياس الحرارة الشديدة

قد تتجاوز الأسطح على نماذج الاختبار الفرط صوتية وشفرات التوربينات وحجرات الاحتراق بشكل مؤقت درجة حرارة 1000 °C بينما تتعرض للرمال والغازات عالية السرعة. تكافح مستشعرات تدفق الحرارة التقليدية—الأجهزة التي تقيس سرعة تدفق الحرارة إلى سطح—في مثل هذه البيئات. التصاميم الكلاسيكية كبيرة نسبيًا، مما يخل بتدفق الهواء حولها، وقد تتأكسد موادها أو تلين، مما يؤدي إلى انجراف القياسات أو فشلها. العديد من المستشعرات الحالية تقف حدودها عند أقل من نحو 1200 °C وتستجيب خلال ملليثوانٍ أو أطول، وهو أمر بطيء وهش جدًا بالنسبة لذروات الحرارة الحادة والشديدة التي تُرى في اختبارات نفق الرياح الحديثة وأبحاث المحركات.

عمود صغير مصمم لتحمل الحرارة

صمم الباحثون مسبارًا مصغّرًا يعتمد على طبقة رقيقة من البلاتين ملفوفة حول عمود من الألمنيا (أكسيد الألومنيوم) بعرض 2 مليمتر. تم اختيار الألمنيا لأنها عازلة كهربائيًا، قوية ميكانيكيًا، وقادرة على تحمل درجات حرارة تصل تقريبًا إلى 1600 °C. داخل هذا العمود الخزفي، تُخبأ الموصلات الكهربائية في قنوات ضيقة، مما يحمي الأسلاك من الغازات الحارة المآكلة ويقلل الضوضاء الكهربائية. في الخارج، تُنقّش طبقة البلاتين على شكل حرف S لزيادة طولها، مما يعزز الحساسية لتغيرات الحرارة مع البقاء ضمن بصمة صغيرة جدًا.

طبقة واقية تمنع تحلل الغشاء

أحد التحديات الرئيسية للأغشية المعدنية عند درجات الحرارة العالية جدًا هو أنها قد تتجمع تدريجيًا إلى جزر، مثل تكوّن قطرات الماء على الزجاج، وهو ما يدمر سلوكها الكهربائي. لمنع ذلك، استخدم الفريق الطباعة بالحبر الكهروضوئي الهيدروديناميكي—a تقنية رش دقيقة تشبه الحبر—لطلاء البلاتين بطبقة واقية مكونة من الألمنيا المخصصة. بعد المعالجة الحرارية، تتحول هذه الطبقة إلى شكل بلوري كثيف ومستقر يُعرف بالألمنيا-ألفا. أظهرت الميكروسكوبيات وقياسات الأشعة السينية أن غشاء البلاتين المغطى يبقى أملسًا ومتماسكًا جيدًا حتى بعد التسخين إلى 1400 °C، بينما يطور الغشاء غير المحمي فراغات وبقع خشنة عند درجات حرارة أقل.

كيف يحول المسبار الحرارة إلى إشارات

يعمل المستشعر الجديد بطريقتين مكملتين. أولًا، مع تسخين غشاء البلاتين ترتفع مقاومته الكهربائية بطريقة متوقعة وشبه خطية. بتمرير تيار ثابت عبر الغشاء وتتبع تغير الجهد، يمكن حساب درجة حرارة السطح بدقة عالية. ثانيًا، باستخدام نموذج معروف لنقل الحرارة، يمكن تحويل التاريخ الزمني لذلك الجهد إلى التاريخ الزمني لتدفق الحرارة—معدل تدفق الطاقة إلى السطح. أكدت المحاكاة الحاسوبية أن هيكل المسبار المكوّن من طبقات ينتج علاقة نظيفة وشبه خطية بين الحرارة الداخلة والإشارة الخارجة، بينما يساعد الضغط الانضغاطي في الغشاء، والمحافظ عليه عبر طبقات الألمنيا، على بقاء البلاتين مستقرًا عند درجات الحرارة العالية.

اختبار المستشعر

عرض الفريق المسبار لسلسلة من التجارب. في فرن، تابعت مقاومة غشاء البلاتين درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة حتى 1000 °C بخطية وتكرارية ممتازتين، ونجا النموذج المحمي حتى نحو 1440 °C—أي أعلى بنحو 50 بالمئة تقريبًا من الأغشية غير المحمية. قارنت اختبارات بالليزر المسبار الجديد بمستشعر تجاري لتدفق الحرارة وأظهرت توافقًا جيدًا: عند أعلى قدرة مختبرة، قاس الجهاز الجديد نحو 71 كيلوواط لكل متر مربع من تدفق الحرارة بخطأ أقل من 1.7 بالمئة من المدى الكامل وتكرارية أفضل من 0.6 بالمئة. كشف إعداد تسخين سريع، يحاكي الأحمال الحرارية المفاجئة، أن المسبار يمكنه الاستجابة خلال نحو 0.2 مللي ثانية وتحمل تدفقات حرارة تفوق 3.5 ميجاواط لكل متر مربع، مع أخطاء في قياس درجة الحرارة تقل عن 1 بالمئة عند التحقق بواسطة مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء.

ماذا يعني هذا للطيران عالي السرعة في المستقبل

بعبارات بسيطة، يقدم هذا العمل مقياس حرارة صغير جدًا، شديد التحمل، وسريع جدًا، لا يقيس فقط درجة الحرارة بل أيضًا مدى شدة اصطدام الحرارة بسطح. وبما أنه قادر على الصمود قرب 1500 °C، والاستجابة خلال ميكروثوانٍ، ويمكن تصنيعه كمصفوفات على أعمدة صغيرة، فهو مناسب لرسم خرائط الأحمال الحرارية على المركبات الفرط صوتية ومكونات المحركات بتفصيل دقيق. ينبغي أن تساعد هذه القدرة المهندسين على تصميم أنظمة حماية حرارية أكثر موثوقية واختبار مواد جديدة في ظروف واقعية وقاسية، مما يقرب تحقيق الطيران الأسرع والأكثر أمانًا.

الاستشهاد: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

الكلمات المفتاحية: مستشعر تدفق الحرارة, نفق رياح فرط صوتي, طبقة رقيقة من البلاتين, قياس درجات الحرارة العالية, سيراميك ألمنيوم أكسيد