Například, kdybychom ponořili takovou modelovou konstrukci, vybavenou pouze jednou dvojicí elektrod – střední dvojicí – a tuto dvojici zkratovali, došlo by k průchodu proudu uzavřeného v plynu, který by tento plyn výrazně zpomalil:
Takový profil ponořený do velmi dobře elektricky vodivého plynu (nebo do plynu, který byl elektricky vodivým způsobem) se chová jako výkonný „MHD generátor“. Je to „MHD převodník“. Odkud pochází energie? Jedná se jednoduše o kinetickou energii proudícího prostředí; výkon, který je z něj vybrán, je doprovázen ztrátou kinetické energie v prostředí, tedy jeho přirozeným zpomalením.
V roce 1965 jsme začali provádět experimenty s MHD elektrickými generátory pracujícími na přímé přeměně kinetické energie proudícího prostředí do „MHD trubice typu Faraday“. Geometrie je jiná, ale princip zůstává stejný. Níže je schéma MHD generátoru typu Faraday s čtvercovým průřezem kanálu.
Další obrázek: solenoidy odstraněny, uspořádání „segmentovaných“ elektrod (pro lepší rozložení proudu v kanálu).
V experimentech, které jsme prováděli v šedesátých letech na Ústavu mechaniky tekutin v Marseille, do této trubice vstřikovali argon při teplotě 10 000 K pod tlakem jednoho bara, proudící rychlostí 2500 metrů za sekundu. Magnetické pole dosáhlo 2 tesly, takže elektromotorické napětí bylo:
2500 × 2 = 5000 voltů na metr
Vzdálenost mezi protilehlými dvojicemi elektrod byla 5 cm, takže napětí bylo 250 voltů. Bylo třeba odečíst 40 voltů (napětí spojené s povrchovými jevy v blízkosti elektrod), což dává 210 voltů.
Elektrická vodivost argonu zahřátého na takovou teplotu je 3500 mhos na metr, takže proudová hustota byla J = σE = σV × B = 735 000 ampérů na metr čtvereční, tedy 73,5 ampérů na centimetr čtvereční. Pro délku trubice 10 cm a šířku 5 cm (50 cm²) to dává maximální proud při zkratu 3675 ampérů.
Když byly elektrody zkratovány, proud dosáhl svého maxima a výsledná Lorentzova síla byla dostatečně silná, jak ukázaly experimenty, aby plyn zpomalil natolik, že se tvořila přímá rázová vlna, která vznikla bez jakéhokoli jiného překážky než této elektromagnetické síly.
Plyn přicházející rychlostí přesvětelnou na lenticulární profil tedy má vlastní energii, kterou lze využít. Energie potřebná k odstranění rázových vln byla tedy menší než energie potřebná k urychlení plynu u hrany útoku a u hrany závěsu, mínus energie vyrobená zpomalením plynu spojená se zapnutím střední dvojice elektrod.
Tento výsledek byl velmi zajímavý, protože ukazoval, že energie potřebná k zániku těchto rázových vln je menší, než se mohlo na první pohled předpokládat. Ztráty byly hlavně způsobeny Jouleovým teplem. V případě letadla pohybujícího se v chladném vzduchu by bylo třeba přidat energii potřebnou k ionizaci plynu pomocí mikrovln, kterou jsme také odhadli.
Jak působí Lorentzovy síly na sklon Machových vln?
Je to velmi jednoduché. Když MHD trubice funguje například jako generátor, tedy zpomaluje proud, následuje tento průběh Machových vln v trubici:
Jedná se o mírné zpomalení proudění. Vlny se zdají být „stlačeny“, jako prvky harmoniky. Elektrody jsou „zatížené“, což omezuje hustotu proudu. Zde je vidět, jak může silnější zpomalení vést k vzniku rázové vlny: když se rychlost sníží natolik, že plyn začne být podzvukový. Machovy vlny se pak soustředí jako harmonika, což způsobuje akumulaci tlakových poruch. Vzniká tak rázová vlna, která se rychle přesune k vstupu do trubice a stabilizuje se před prvním „streamerem“ (elektrickým proudem vystupujícím z první dvojice elektrod), jako by tento tvořil nějakou nehmotnou překážku.
Naopak, když do systému vstupuje elektrická energie, trubice funguje jako MHD akcelerátor typu Faraday. Machovy vlny se pak „přehýbají“:
Tento MHD akcelerační efekt byl v šedesátých letech také pozorován ve laboratoři, kde jsem pracoval. Prokázal se velmi účinným. Při rychlosti vstupu do trubice 2500 m/s byla výstupní rychlost přes 8000 metrů za sekundu, což znamená zisk rychlosti více než pět kilometrů za sekundu na vzdálenosti pouhých deseti centimetrů.
Tyto experimenty ukazují extrémní účinnost MHD působení na plyn, pokud má dostatečnou úroveň ionizace. Pro informaci: taková elektrická vodivost (3500 mhos/m) v argonu odpovídala úrovni ionizace 10⁻³ (jeden atom z tisíce byl převeden na iont).
V chladném vzduchu by bylo nutné „uměle“ ionizovat plyn, například vystavením okolního plynu proudům mikrovln o frekvenci 3 GHz, které by měly za následek odtržení elektronů z nejsnáze ionizovatelného složky – oxidu dusného NO. Lze také zvážit přidání alkalického prvku s nízkým potenciálem ionizace, například cesia nebo sodíku.
Takže Lebrun a já jsme tyto výpočty prováděli v rámci doktorské disertace financované CNRS v osmdesátých letech. Výsledky počítačového modelování ukázaly úplně „vyhlazený“ proud, bez rázových vln. Na následujícím obrázku jsou znázorněny dvě rodiny Machových vln.
Tento teoretický výzkum byl doplněn hydraulickými analogiemi, stále s tímto systémem tří dvojic elektrod. Vlny přední a zadní hrany byly úspěšně zlikvidovány. Protože elektrická vodivost kyselé vody je příliš nízká, nebylo možné využít energii proudění pro zlepšení energetické bilance. Výsledek je stejný jako u předchozích případů. Výsledkem je proudění, kde se proud neustále „rovná“:
Zajímavý čtenář může tyto prvky najít v mé komiksu „Stěna ticha“ (viz CD-ROM Lanturlu).
Jak by se daly tyto výzkumné výsledky realizovat?
Tyto myšlenky jsou velmi přitažlivé. Otevírají novou mechaniku supersonických proudění, kde místo nevyhnutelných rázových vln můžeme je zcela vyhnout.
Problém MHD spočívá v tom, aby bylo možné pracovat s plynem dostatečně elektricky vodivým. Během dvaceti let práce jsme samozřejmě prozkoumali všechny tyto otázky. V roce 1966 jsem byl první, kdo dosáhl stabilního provozu MHD generátoru „dvoutepelného“ typu.
Prováděli jsme také mnoho experimentů v řídkém prostředí (vzduch při tlaku 10⁻¹ mm rtuti).
- Párové omezení plazmatu
- Směrování „streamerů“ (šroubovité proudy)
- Zánik nestability Vélikhova (přednáška na MHD konferenci v Moskvě)
- Studium ionizace vzduchu pomocí HF (1 MHz)
Jednou budu vysvětlovat tyto experimenty a perspektivy na webu. Nyní se podívejme, jak by mohla být realizována konkrétní experimentální demonstrace zániku rázových vln kolem lenticulárního profilu.
K tomu je třeba mít vývěvu dodávající proud plynu při vysoké teplotě (argon při 10 000 K). To je možné pomocí zařízení, které bylo vyvinuto hned po druhé světové válce (ale dnes již zastaralé): „rázová trubice“.
O čem jde?
Abychom vysvětlili fungování této „vývěvy s rázovou vlnou“, znovu použijeme hydraulickou analogii. Představme si například, že bychom postavili přímý kanál konstantní šířky z dřeva, například z tenkovrstvého dřeva. Šířka: 10 cm. Délka: několik metrů. Zde je schéma: