الفيزياء المغناطيسية الهوائية الكونية

...إن مجال MHD واسع جداً. مخترع المفاهيم الأساسية هو العلماء البريطاني البارز مايكل فاراداي. تتميز MHD بجانبين.

• من ناحية، يمكن تسريع السوائل من خلال قوة لورنتز J × B، وهو ما يتوافق مع مسرعات MHD.

• من ناحية أخرى، يمكن تحويل الطاقة الحركية لسوائل، والإنثالبي، إلى طاقة كهربائية. وهذا ما يتوافق مع مولدات MHD. في مثل هذه المنشآت، عندما يمر تدفق غازي عبر خطوط المجال المغناطيسي لمجال مغناطيسي عرضي B بسرعة V، فإن مجال كهربائي مُحفَّز V × B يعمل على الجسيمات المشحونة، الإلكترونات الحرة أو الأيونات.

...إن هناك كتابًا رائعًا موجودًا (حتى الآن، فقط في المكتبات العلمية) :

ساتون وشيرمان: "هندسة المغناطيسية المغناطيسية المائية"، مك غراو هيل بوكس سيه، 1967

مخصص للعلماء والفنيين في الدراسات العليا.

...لدي تجربة شخصية في MHD منذ عام 1964. بين عامي 1964 و1972، عملت في معهد ميكانيكا السوائل في مارسيليا. ثم إليكم مراجع مختصرة (مكرسة لمشاريع أحدث):

(1) ج. بي. بيت: "هل الطيران الصوتي ممكن؟" المؤتمر الثامن الدولي حول MHD وإنتاج الكهرباء. موسكو، 1983.
(2) ج. بي. بيت و ب. لبرون: "إلغاء موجات الصدمة في الغاز بفعل قوة لورنتز". المؤتمر التاسع الدولي حول MHD وإنتاج الكهرباء. تسوكوبا، اليابان، 1986
(3) ب. لبرون وج. بي. بيت: "إلغاء موجات الصدمة بفعل MHD في التدفقات الصوتية. تحليل موحد وثابت وعائق حراري". مجلة الأوروبية للآليات؛ B/السوائل، 8، رقم 2، ص 163-178، 1989
(4) ب. لبرون وج. بي. بيت: "إلغاء موجات الصدمة بفعل MHD في التدفقات الصوتية. تحليل ثنائي الأبعاد ثابت غير متساوي. معيار مضاد للموجات الصدمية، ومحاكاة في أنابيب صدمية لتدفقات متساوية". مجلة الأوروبية للآليات، B/السوائل، 8، ص 307-326، 1989
(5) ب. لبرون: "النهج النظري لإلغاء موجات الصدمة التي تتشكل حول عائق حاد موضعه في تدفق أرجون م-ionized". أطروحة الطاقة رقم 233. جامعة بوايير، فرنسا، 1990.
(6) ب. لبرون وج. بي. بيت: "تحليل نظري لإلغاء موجات الصدمة بواسطة مجال قوة لورنتز". مؤتمر دولي MHD، بكين، 1990.

...بعد ذلك، قمت بتغيير المجال لتركيزه على الفيزياء الفلكية والكونية النظرية. في سبعينيات القرن الماضي، أنشأنا مولدات MHD قصيرة المدى، تعتمد على أنابيب صدمية مغذية بتيار حار. يمكن لهذا الجهاز إنتاج تدفقات قصيرة المدى، بدرجة حرارة عالية وسرعة عالية، مع ضغط نسبيًا عالي. إنه ليس أنبوب ضغط منخفض. المعايير النموذجية هي كالتالي:

الغاز: أرجون
السرعة: 2700 م/ث
درجة الحرارة: 10000 درجة كلفن
الضغط: 1 بار
الموصلية الكهربائية: 4000 مكوس/م

...نحن حاليًا في طور بناء مختبر جديد، ممول من مصادر خاصة. أعتقد أنه سيكون قابلًا للعمل بحلول نهاية عام 2001. ستغطي الأنشطة مجالات مختلفة:

• تجارب مع غازات ساخنة - تجارب مع غازات باردة (تدفقات صوتية للهواء بضغط جوي)

• تجارب مع غازات ضغط منخفض (محاكاة).

• تجارب رقمية.

• تجارب هيدروليكية (نماذج غواصات سريعة).

...أولاً، لماذا نبدأ مرة أخرى بعد انقطاع 13 عامًا؟ لأن لدينا أفكار جديدة. في عام 1975، تخيلت أن الطيران الصوتي قد يكون ممكنًا في الهواء الكثيف، دون إنتاج صوت صادم أو تدفق مضطرب. نشرت مقالات في مجلات علمية حول هذا الموضوع. في ذلك الوقت، بدا هذا الأمر فكرة مجنونة. في عام 1975، مع زميلي موريس فيتون، أنشأنا تجربة هيدروليكية تستخدم مغناطيس بقوة تيسلة واحدة. كان هذا المجال المغناطيسي ضروريًا لتغيير تدفق الماء حول نموذج صغير في تدفق سطحي حر (8 سم/ث). كان النموذج أسطوانة (قطرها 7 مم). كانت التجربة ناجحة، وتم إلغاء موجة الصدمة (علماء ميكانيكا السوائل يعرفون أن الأمواج التي تخلقها السفن مشابهة جدًا لموجات الصدمة) تمامًا. ثم فكرت أن الفكرة ربما لم تكن مجنونة كما بدا في البداية.

...خلال العقد التالي، كانت الأمور صعبة للغاية، لا من الناحية العلمية، بل من الناحية "السياسية". بالطبع، كانت هذه الفكرة الجديدة مرتبطة بقضية كائنات فضائية. في التجارب الغازية، ستكون هذه "الهوائية MHD" محيطة ببلازما مضيئة، حمراء في النطاق المنخفض، تقريبًا بيضاء في النطاق الأعلى. الكهرباء، إذا كانت هناك، ستبدو مثل "نوافذ". علاوة على ذلك، كانت الآلة على شكل قرص (وسميت في البداية في "تقرير أكاديمية العلوم في باريس"، في عام 1975) مثالية من الناحية العلمية (والأسس MHD، التي قد تختلف عن أسس ميكانيكا السوائل الكلاسيكية)، لذلك لم تكن المجتمع العلمي متحمسًا جدًا لفكرة هذا المشروع، حتى لو كانت الأسس العلمية واضحة تمامًا.

...حاولت إنشاء بحوث، أولاً في المركز الفرنسي للدراسات الفضائية (CNES) بين عامي 1979 و1982، ثم في مختبر في المركز الوطني للبحث العلمي (CNRS) بين عامي 1984 و1986. كان هذا المختبر في روان، وكان مديره الأستاذ فاليانت، الآن في التقاعد. من خلال CNES، تم تنفيذ بعض التجارب في تولوز، في CERT الفرنسي (مركز الدراسات والبحث التقني)، وهو مختبر مرتبط وثيقًا بالجيش. تم منح بعض التمويل، لكن في هاتين المحاولتين، أدى الجيش ب stupidity إلى إبعاد المختبرات عن منصبي العلمي. للأسف، كان خلفية العلماء المشاركين في الحالتين غير كافية، وفشل البحث في كلا الحالتين. تم هدر الكثير من المال بدون فائدة. لذلك، في عام 1987، قررت التخلي عن المشروع بشكل نهائي. لكن مؤخرًا، أفكار جديدة دفعتني للعودة إلى المجال. من خلال الخبرة، كنت أعرف أن أي تعاون مع المؤسسات الفرنسية سيؤدي فورًا إلى تدخل عسكري، كما حدث مرات عديدة في الماضي. لذلك قررنا البدء بقوتنا ومواردنا الخاصة. قد يبدو هذا غريبًا. لكن، برأيي، يمكن إجراء جميع هذه البحوث باستخدام مواد قديمة. علاوة على ذلك، انخفضت تكلفة الإلكترونيات والحواسيب بشكل كبير خلال عقدين. العديد من الباحثين المتميزين، الآن في التقاعد، انضموا إلينا. لذلك قررنا إنشاء مختبر في جنوب فرنسا. حاليًا، نجمع أنظمة قديمة: مجموعات مكثفات، مصادر كهربائية بجهود مختلفة، منخفضة وعالية، مولدات كهربائية، كلاسترونات، أجهزة بصرية، إلخ، ونخزنها. عندما نحصل على كل ما هو ضروري، سنبدأ العمل قريبًا، نأمل.

...الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض هذه الأفكار الجديدة.

...إذا نقرت هنا، يمكنك قراءة ملاحظة في مجلة أكاديمية العلوم، نُشرت في عام 1975. إذا لم تقرأ الفرنسية، إليك بعض التوضيحات المختصرة. إليك ثلاث صور أولى. في الشكل 1، آلة على شكل قرص، مزودة بملف استوائي، حيث يولد التيار الكهربائي المتردد مجالًا مغناطيسيًا مترددًا. هذا الأخير (بفضل ماكسويل) يولد مجالًا كهربائيًا مُحفَّزًا E' يحاول إنشاء تيارات كهربائية دائرية مُحفَّزة. عند دمج هذه التيارات J' مع القيمة اللحظية للمجال المغناطيسي، نحصل على قوى محورية (يُعتبر تأثير هول مهملًا)، أي نظام قوى محورية تعتمد على الوقت J' × B، موجهة بشكل متقطع نحو الخارج والداخل. كانت الفكرة إذن كالتالي: افترض أننا نستطيع إنشاء تأين غير مستقر بالقرب من القرص، متحكم فيه في الوقت، يمكننا التأثير على السائل، باستخدام القوى المحورية المركبة عندما تكون موجودة، في قمة القرص، والقوى المحورية المركزية، عندما تكون معاكسة، في أسفل الآلة على شكل قرص.

...في الشكل التالي، التدفق الغازي المُحفَّز المتوقع حول آلة على شكل قرص:

...كانت الحسابات تشير إلى أن تأثير الشفط قد يكون قويًا جدًا، بما يكفي لإلغاء أي تشكيل لموجة صدمة في نقطة التوقف للآلة (التي تتحرك على طول محورها). كان التحدي التقني هو تعديل التأين بالقرب من الجدار، في الوقت. قمنا أولاً بتصميم جهاز يشبه "فخ الذئب":

...تخيل ثقبًا صغيرًا مخروطيًا في الجدار، وحول محوره، "مسكة". في تقاطع المخروط والمستوى، كهرباء دائرية (أنود). الكهرباء المركزية (على شكل مسكة) مشحونة سالبًا. ثم تحدث شحنة كهربائية في الهواء المحيط، كما هو موضح أعلاه. المجال المغناطيسي المرتبط بهذه الشحنة الكهربائية يميل إلى دفع الإلكترونات الحرة بعيدًا وتقديم طاقة لها. كنا نعتقد أنه يمكنه إنتاج أيونات سالبة ذات عمر قصير في الهواء، مما يسمح بتقاطع MHD خلال عمر هذه الأيونات. يمكن إجراء بحث في مختبر مزود بشكل جيد، لكننا لم يكن لدينا. منذ عام 1973 كنت في مراصد فلكية، وهو ليس مكانًا مثاليًا لإجراء تجارب في الفيزياء البلازما.

...بأي حال، في أواخر السبعينيات، تم اكتشاف جوانب مثيرة للاهتمام في الآلة. يعلم الخبراء الجيدين في البلازما أن الضغط المغناطيسي يميل إلى دفع الشحنات الكهربائية. قمنا بتجربة ذلك في تجارب هواء ضغط منخفض. تم العثور على الحل بسرعة. بدلًا من إنشاء مجال B حيث تكون القيمة القصوى في مستوى التماثل (المُنشئ من ملف استوائي واحد)، قررنا استخدام ثلاثة ملفات، واحدة كبيرة واثنتين صغيرتين، كما هو موضح في الشكل التالي:

...على اليسار: محور الآلة. في الأعلى واليمين: توزيع مخطط للثلاثة ملفات، مع عرض اتجاه التيار الكهربائي. في الصورة، خطوط المجال المغناطيسي. نرى أن سطح B الأقصى قريب من جزء من مخروط (يحتوي على دوائر الملفين). المنطقة الرمادية: حجم التحويض، حيث يميل البلازما إلى أن يقع. نجاح فوري، تجريبيًا. ثم يجب أن تكون جدار الآلة، لتحسين تفاعل MHD، عموديًا على خطوط المجال. أخيرًا، إليك المظهر النموذجي لفيزيائنا MHD بدون كهرباء، باستخدام ظواهر التحفيز وتأين نبضي، محسّن وفقًا لمبادئ MHD:

...تدرك لماذا واجهنا مشاكل مع المجتمع العلمي، والجيش، والسياسيين، وغيرها.

...التأين القصير كان من الصعب التحكم فيه.

تجارب MHD مع الغاز البارد.

...لكن مؤخرًا، ظهرت فكرة جديدة، ملخصة في الشكل التالي:

...جدران النموذج مصنوعة من تفلون. في القشرتين من التفلون، تم تضمين ملفات (الملف الاستوائي وملفين "التحويض"). سيتم استخدام كلاسترونات اثنتين، مُعدَّلة إلى موجات موجهة منفصلة. هذان العنصرين مُوضَّحان في الصورة. إنها أسطوانات نحاسية مزدوجة. عندما يكون أحدها في العمل، يصبح الآخر خارج الخدمة، وهكذا. أوراق نحاسية رقيقة مختلطة (باللون الأحمر) تعمل كمُوزعات وتشتت الموجات الدقيقة. اللوحة النحاسية الموجودة في مستوى التماثل تمنع الموجات الدقيقة المستخدمة لتأين الهواء من الجانب المقابل من الآلة. في الصورة التالية، نعرض النموذج عندما تمر الموجات الدقيقة عبر القناة المركزية، وتُشتت بواسطة الأوراق النحاسية الرقيقة المختلطة، في الأعلى، تمر عبر التفلون، ثم تخلق طبقة رقيقة من الهواء المؤين. الموجات الدقيقة بتردد 3 غيغاهرتز مثالية لتأين الهواء بضغط جوي، والغاز المؤين يمتص الموجات الدقيقة. وبالتالي، سيتم تقييد التأين في طبقة رقيقة.

...يبدو أن الأمر نسبيًا بسيطًا، مع هذا الجهاز، لإنشاء حالة تأين تعتمد على الوقت بالقرب من نموذج على شكل قرص. من السهل أيضًا تنسيق التيارات الكهربائية المتناوبة في الثلاثة ملفات. وبالتالي، يمكن لهذا النموذج امتصاص الهواء بقوة كبيرة أمامه. يعتمد هذا بالطبع على شدة المجال المغناطيسي (يجب أن يكون المعلمة المغناطيسية المائية كافية). لا حاجة لإلغاء موجات الصدمة لفترة طويلة. يمكن إجراء تجارب قصيرة المدى، في أنبوب صدم قصير المدى. سنحتاج إلى بناءه. بشكل مخطط، يعتمد هذا أنبوب الصدم على خزان ضخم فراغ، يُفرغ محتواه في كل اختبار بواسطة مضخة فراغ قوية (لدينا واحدة بالفعل). على اليسار: القناة الصوتية. بين القناة والخزان: غشاء من ميلار. عندما تخفض المضخة الضغط بشكل كافٍ في الخزان، ينفجر الغشاء. مدة تدفق نموذجية: عدة أجزاء من الثانية.

...هذه الفكرة البسيطة كانت كافية لتشجيعنا على استئناف بحث MHD. الصورة التالية: نظرة أخرى على النموذج على شكل قرص:

...ثم: التدفق الغازي المتوقع حول نموذج "غير نشط". نظام موجات الصدمة.

ثم: التدفق، بعد إلغاء موجة الصدمة بفعل قوى لورنتز:

...لدينا نية لإجراء تجارب على "الهيدروديناميكية MHD"، أي غواصات سريعة.

تجارب MHD مع الغاز الساخن.

...في المختبر، سيتم بناء أنبوب صدم مُغذى بامتداد موجة صدم (يُسمى أنبوب الصدم). في الصورة التالية، نظرة مخططية للتركيب MHD.

...الصورة التالية: الجزء MHD من التركيب.

...الصورة التالية تظهر الملفين وقناة MHD:

...في مثل هذه المنشآت، في عام 1967، تم تحقيق تسارع البلازما في معهد ميكانيكا السوائل في مارسيليا، مما أظهر كفاءة قوى لورنتز لتحكم في تدفق صوتي. سرعة الدخول (أرجون نقي، 1 بار، 10000 درجة كلفن): 2750 م/ث. سرعة الخروج: 8000 م/ث !!

الصورة التالية: موقع نموذج الجناح المستوي في أنبوب الصدم الصوتي، في التجربة المخطط لها في عام 1987:

...أطروحة الدكتوراه لبيرتراند لبرون (1987)، والمنشورات في مجلة الأوروبية للآليات، بالإضافة إلى عرضين في مؤتمرات دولية حول MHD (تسوكوبا، 1987، بكين، 1990) ركزت على إلغاء موجة الصدمة الأمامية في تدفق أرجون ساخن (10000 درجة كلفن) المُقدَّم من أنبوب صدم. اليوم، ننوي إنشاء هذه التجربة الأساسية. بشكل مخطط، يمكن التعرف على وجود موجة صدمة ملتصقة بجزء أمامي من نوع من الجناح (تدفق ثنائي الأبعاد) من خلال التداخل الليزري (تم تطويره في معهد ميكانيكا السوائل في مارسيليا عام 1965). على اليمين، الصورة التي نأمل الحصول عليها، إذا تم إلغاء موجة الصدمة في هذا تدفق أرجون ساخن.

...بما أننا الآن لدينا القدرة (نظرية) على إجراء تجارب مع غاز بارد، قد تبدو هذه التجربة في أرجون ساخن زائدة. لكننا نفضل معالجة هذين الهدفين كبحوث متوازية.

العودة إلى الملخص العلمي

العودة إلى الملخص العلمي