MHD aerodynamika, kosmologie

...Obor MHD je velmi rozsáhlý. Inventorem základních konceptů je slavný britský vědec Michael Faraday. MHD má dva aspekty.

• Na jedné straně lze zrychlovat tekutiny pomocí Lorentzovy síly J × B, což odpovídá MHD akcelerátorům.

• Na druhé straně lze přeměnit kinetickou energii tekutiny, její entalpii, na elektrickou energii. To odpovídá MHD generátorům. V takových zařízeních, když plynový proud prochází siločarami příčného magnetického pole B rychlostí V, indukované elektrické pole V × B působí na nabité částice, volné elektrony nebo ionty.

...Existuje velmi dobrá kniha (v současnosti pouze ve vědeckých knihovnách):

Sutton & Sherman: „Engineering magnetohydrodynamics“, Mac Graw Hill Books Cie, 1967

určená fyzikům a studentům postgraduálního studia.

...Mám osobní zkušenost s MHD od roku 1964. Mezi lety 1964 a 1972 jsem pracoval v Institutu mechaniky tekutin v Marseille. Následuje zkrácená bibliografie (zaměřená na novější práce):

(1) J.P. Petit: „Je nadzvukový let možný?“ Osmá Mezinárodní konference o MHD a výrobě elektřiny. Moskva, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun: „Zrušení rázových vln v plynu působením Lorentzovy síly“. Devátá Mezinárodní konference o MHD a výrobě elektřiny. Tsukuba, Japonsko, 1986
(3) B. Lebrun & J.P. Petit: „Zaniknutí rázových vln působením MHD v nadzvukových proudech. Kvazi-jednorozměrná stacionární analýza a tepelné zablokování“. European Journal of Mechanics; B/Fluids, 8, č. 2, str. 163-178, 1989
(4) B. Lebrun & J.P. Petit: „Zaniknutí rázových vln působením MHD v nadzvukových proudech. Dvorozměrná stacionární neizentropická analýza. Anti-šokový kritérium a simulace v rázové trubici pro izentropické proudy“. European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, str. 307-326, 1989
(5) B. Lebrun: „Teoretický přístup k potlačení rázových vln vznikajících kolem štíhlé překážky umístěné v proudu ionizovaného argonu“. Disertace Energetiky č. 233. Université de Poitiers, Francie, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit: „Teoretická analýza zániku rázových vln polem Lorentzovy síly“. Mezinárodní symposium MHD, Peking, 1990.

...Poté jsem se přesunul k astrofyzice a teoretické kosmologii. V šedesátých letech jsme postavili krátkodobé MHD generátory, založené na nadzvukových tunelech poháněných horkým větrem. Toto zařízení mohlo produkovat krátkodobé proudy, vysoké teploty a vysoké rychlosti, s relativně vysokými tlaky. Nejde o tunel s nízkým tlakem. Typické parametry jsou následující:

Plyn: argon
Rychlost: 2 700 m/s
Teplota: 10 000 °K
Tlak: 1 bar
Elektrická vodivost: 4000 mkhos/m

...V současnosti budujeme novou laboratoř, financovanou soukromými prostředky. Domnívám se, že bude funkční do konce roku 2001. Aktivita bude pokrývat různé oblasti:

• Experimenty s horkým plynem - Experimenty s chladným plynem (nadzvukové proudy vzduchu při atmosférickém tlaku)

• Experimenty s plynem při nízkém tlaku (simulace).

• Numerické experimenty.

• Hydraulické experimenty (modely ponorek s vysokou rychlostí).

...Nejprve, proč začínáme znovu po 13leté přestávce? Protože máme nové nápady. V roce 1975 jsem si představil, že nadzvukový let by mohl být možný v hustém vzduchu, bez vytváření sonického třesku ani turbulence. Publikoval jsem články ve vědeckých časopisech na toto téma. V té době to vypadalo jako bláznivá myšlenka. V roce 1975 jsme s kolegou Maurice Vitonem postavili hydraulický experiment s magnetem o velikosti jednoho tesla. Takové magnetické pole B bylo nutné k modifikaci proudu vody kolem malého modelu v proudu s volným povrchem (8 cm/s). Model byl válec (průměr 7 mm). Experiment byl úspěšný a čelní vlna (specialisté na mechaniku tekutin vědí, že vlny vytvářené lodí jsou velmi podobné rázovým vlnám) byla zcela zrušena. Poté jsem si myslel, že myšlenka nemusela být tak bláznivá, jak se zdála na první pohled.

...Během následujících deseti let bylo vše velmi obtížné, ne z vědeckého hlediska, ale řekněme z „politického“ hlediska. Zjevně byl tento nový koncept spojen s případem UFO. V plynových experimentech by takový „MHD aerodyn“ byl obklopen luminiscenčním plazmatem, červenavým při nízkém režimu, téměř bílým při vyšších režimech. Elektrody, pokud by stroje nějaké měly, by vypadaly jako „okna“. Kromě toho diskovitý stroj (jak byl poprvé nazván v „Compte rendu de l'Académie des Sciences de Paris“ v roce 1975) byl optimální z vědeckého hlediska (a z hlediska MHD, které se může somewhat lišit od klasických základů mechaniky tekutin), takže vědecká komunita nebyla tak nadšená z tohoto projektu, i když vědecké základy byly zcela jasné.

...Snažil jsem se instalovat výzkum, nejprve ve francouzském CNES (Centre National d'Études Spatiales) v letech 1979-1982, poté v laboratoři CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) v letech 1984-1986. Tato druhá laboratoř se nacházela v Rouenu a jejím ředitelem byl profesor Valentin, dnes v důchodu. Prostřednictvím CNES byly některé experimenty instalovány v Toulouse, ve francouzském CERT (Centre d'Étude et de Recherche Technique), laboratoři v úzkém spojení s armádou. Byly poskytnuty určité prostředky, ale v těchto dvou pokusech armáda hloupě donutila laboratoře, aby mě vyhnaly z vědecké pozice. Bohužel, vědecké zázemí zapojených osob, v obou případech, bylo nedostatečné a výzkum v obou selhal. Bylo hloupě promrháno mnoho peněz. Proto jsem se v roce 1987 rozhodl definitivně vzdát. Ale velmi nedávno mě nové myšlenky pobízely k návratu do oboru. Z zkušenosti jsem věděl, že jakákoli spolupráce s francouzskými institucemi by okamžitě vyvolala vojenskou interferenci, jak se stalo mnohokrát v minulosti. Rozhodli jsme se tedy začít znovu s vlastními silami a prostředky. Může to vypadat bláznivě. Ale podle mého názoru lze veškerý tento výzkum provádět s zastaralými materiály. Kromě toho cena elektroniky a počítačů za posledních 20 let výrazně klesla. Mnoho velmi dobrých výzkumníků, nyní v důchodu, se k nám přidalo. Rozhodli jsme se tedy zřídit laboratoř na jihu Francie. V současnosti sbíráme zastaralé systémy: banky kondenzátorů, elektrické zdroje s různým napětím, nízkým i vysokým, ignitrony, klystrony, optická zařízení atd., a skladujeme je. Až budeme mít vše potřebné, pustíme se do akce, brzy, doufáme.

...Nyní se podívejme na některé z nových myšlenek.

...Pokud kliknete zde, přečtete si Poznámku v Compte rendus de l'Académie des Sciences, publikovanou v roce 1975. Pokud nečtete francouzsky, zde je několik krátkých vysvětlení. Následují tři první ilustrace. Na obrázku 1 je diskovitý stroj s rovníkovým solenoidem, jehož střídavý elektrický proud vytváří střídavé magnetické pole. Toto (díky panu Maxwellovi) vytváří indukované elektrické pole E', které se snaží vytvořit kruhové indukované elektrické proudy. Kombinací těchto proudů J' s okamžitou hodnotou magnetického pole získáme radiální síly (Hallův efekt je považován za zanedbatelný), získáme systém časově závislých radiálních sil J' × B, které jsou alternativně směrovány ven a do středu. Myšlenka tedy byla následující: Předpokládejme, že můžeme vytvořit nestacionární ionizaci v blízkosti disku, kontrolovanou v čase, mohli bychom působit na tekutinu, použitím radiálních odstředivých sil, když jsou přítomny, na vrcholu disku, a radiálních dostředivých sil, když je tato síla obrácena, na spodku diskovitého stroje.

...Na následujícím obrázku je očekávaný indukovaný plynový proud kolem našeho diskovitého stroje:

...Výpočty naznačovaly, že efekt sání by mohl být velmi silný, dostatečně silný na zrušení jakékoli formace rázové vlny v stagnačním bodě stroje (který se pohybuje podél své osy). Technickým problémem bylo modulovat ionizaci v blízkosti stěny v čase. Nejprve jsme si představili zařízení vypadající jako „vlčí past“:

...Představte si malý kuželový otvor ve stěně a podél jeho osy „kolík“. Na průsečíku kuželu a roviny je kruhová elektroda (anoda). Centrální elektroda (ve tvaru kolíku) je nabita negativně. Poté se v okolním vzduchu vytvoří elektrický výboj, jak je znázorněno výše. Magnetické pole asociované s tímto elektrickým výbojem se snaží odtlačit volné elektrony a dodat jim energii. Mysleli jsme, že by mohlo produkovat krátkoživotné negativní ionty ve vzduchu, umožňující MHD interakci během životnosti těchto iontů. V dobře vybavené laboratoři by takový výzkum mohl být proveden, ale my žádnou neměli. Od roku 1973 jsem byl v astronomické observatoři, což není optimální místo pro provádění experimentů z fyziky plazmatu.

...Tak či onak, na konci sedmdesátých let byly objeveny některé zajímavé aspekty stroje. Dobří specialisté na plazma vědí, že magnetický tlak se snaží rozptylovat elektrické výboje. Zažili jsme to v experimentech s vzduchem při nízkém tlaku. Řešení bylo rychle nalezeno. Místo vytváření pole B, jehož maximální hodnota byla v rovině symetrie (vytvořené jedním rovníkovým cívka), jsme se rozhodli použít tři, jednu velkou a dvě menší, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

...Vlevo: osa stroje. Nahoře a vpravo: schématické uspořádání tří cívek, ukazující směr toku elektrických proudů. Na obrázku jsou siločary magnetického pole. Vidíme, že plocha maximálního B je blízko části kuželu (obsahující kruhy dvou cívek). Šedá oblast: objem konfinementu, ve kterém se plazma snaží nacházet. Okamžitý úspěch experimentálně. Poté stěna stroje, aby optimalizovala MHD interakci, musí být kolmá na siločary magnetického pole. Nakonec, toto je typický vzhled našeho bezelektrodového MHD aerodynu, používajícího indukční jevy a pulzující ionizaci, optimalizovaný na základě MHD principů:

...Vidíte, proč jsme měli problémy s vědeckou komunitou, armádou, politiky atd.

...Krátodobá ionizace byla obtížná na zvládnutí.

Experimenty MHD s chladným plynem.

...Ale nedávno se objevila nová myšlenka, shrnutá na následujícím obrázku:

...Stěny modelu jsou z teflonu. Ve dvou teflonových skořepinách jsou zabudovány cívky (rovníková a dvě „konfinementové cívky“). Budou použity dva klystrony, připojené ke dvěma odděleným vlnovodům. Tyto dva jsou znázorněny na obrázku. Jsou to souosé mosazné válce. Když je jeden v provozu, druhý je mimo, a tak dále. Smíšené tenké mosazné lamely (červené) působí jako difuzor a rozprašují mikrovlny. Mosazná deska umístěná v rovině symetrie brání mikrovlnám používaným k ionizaci vzduchu na opačné straně stroje. Na následujícím obrázku ukazujeme model, když mikrovlny proudí podél centrálního kanálu, jsou rozptylovány tenkými smíšenými mosaznými lamelami, v horní části, procházejí teflonem a poté vytvářejí tenkou vrstvu ionizovaného vzduchu. Mikrovlny o 3 GHz jsou optimální pro ionizaci vzduchu při atmosférickém tlaku a ionizovaný plyn absorbuje mikrovlny. Proto bude ionizace confined v tenké vrstvě.

...Zdá se relativně jednoduché, s takovým zařízením, vytvořit stav ionizace závislý na čase v blízkosti diskovitého modelu. Je také jednoduché synchronizovat střídavé elektrické proudy ve třech cívkách. Takový model by mohl velmi silně sát vzduch přímo před ním. Závisí to na intenzitě magnetického pole, samozřejmě (parametr MHD interakce musí být dostatečně silný). Není nutné zrušit rázové vlny po dlouhou dobu. Lze provádět pouze krátkodobé testy, v krátkodobém nadzvukovém tunelu. Budeme ho muset postavit. Schématicky je tento nadzvukový tunel založen na velkém vakuovém tanku, jehož obsah je při každém testu odstraňován silným vakuovým čerpadlem (už jedno máme). Vlevo: nadzvukový kanál. Mezi kanálem a tankem: mylarová membrána. Když čerpadlo sníží tlak v tanku dostatečně nízko, membrána praskne. Typická délka proudu: několik desetin sekundy.

...Tato jednoduchá myšlenka byla dostatečně vzrušující na rozhodnutí obnovit MHD výzkum. Následující obrázek: další pohled na diskovitý model:

...Následně: očekávaný plynový proud kolem „pasivního“ modelu. Systém rázových vln.

Následně: proud po zániku rázové vlny působením Lorentzových sil:

...Plánujeme provádět experimenty na „MHD hydrodynech“, tedy ponorkách s vysokou rychlostí.

Experimenty MHD s horkým plynem.

...V laboratoři bude postaven nadzvukový tunel poháněný rázovou vlnou (tzv. rázová trubice). Na následujícím obrázku je schématický pohled na MHD zařízení.

...Následující obrázek: MHD část zařízení.

...Následující obrázek ukazuje dvě cívky a MHD kanál:

...V takových zařízeních, v roce 1967, byly úspěšně provedeny akcelerace plazmatu v Institutu mechaniky tekutin v Marseille, prokazující efektivitu Lorentzových sil na kontrolu nadzvukového proudu. Vstupní rychlost (čistý argon, 1 bar, 10 000 °K): 2 750 m/s. Výstupní rychlost: 8 000 m/s !!

Následující obrázek: pozice modelu plochého křídla v nadzvukovém tunelu, v experimentu plánovaném v roce 1987:

...Doktorská disertace Bertranda Lebruna (1987), publikace v European Journal of Mechanics, plus dvě prezentace na mezinárodních konferencích o MHD (Tsukuba, 1987, Peking, 1990) se soustředily na zrušení čelní rázové vlny v proudu horkého argonu (10 000 °K) dodávaném nadzvukovým tunelem poháněným rázovou vlnou. Dnes zamýšlíme zřídit tento klíčový experiment. Schématicky existenci připojené rázové vlny na přední části jakéhosi „křídla“ (2D proud) lze prokázat laserovou interferometrií (vyvinutou v Institutu mechaniky tekutin v Marseille v roce 1965). Vpravo je fotografie, kterou očekáváme získat, pokud je čelní rázová vlna zrušena v tomto proudu horkého argonu.

...Jako máme nyní (teoretickou) možnost provádět experimenty s chladným plynem, tento experiment s horkým argonem může vypadat zbytečně. Ale raději se vypořádáme s těmito dvěma cíli jako s „paralelními výzkumy“.

Zpět na vědecké shrnutí