Zerstörung von Schockwellen
Wie man Schockwellen zerstört
Eine 100-prozentige Idee von Jean-Pierre Petit aus den späten Sechzigerjahren
- Nov. 2003
Als ich im Juni 2003 diese Vortrag an der École Supérieure de l'Aéronautique in Toulouse hielt, stellte ich diese zentrale Idee vor und wurde sofort verstanden – sowohl von den Zuhörern als auch von den Dozenten der Hochgeschwindigkeitsströmungsmechanik, die anwesend waren.
Bevor ich die Darstellung dieser Idee fortsetze, stelle ich fest, dass sie bereits [enthalten ist]. Nehmen wir an, Sie hätten bereits diesen Bericht aus Januar 2001 durchgearbeitet (und die Teilnehmer der von Szamès kommentierten Konferenz kennen dessen Inhalt vermutlich nicht). Warum befindet sich die „durch MHD gesteuerte“ Luftzufuhr, die an Hochgeschwindigkeitsflugzeuge wie Aurora (ich behaupte: seit 1990 betriebsbereit) angebracht ist, auf der Oberseite?
Erster Punkt: An der Oberseite sind diese Maschinen eben wie eine Handfläche. Beziehen Sie sich auf das Foto einer Modellvorlage des Fahrzeugs Ajax, das in der Windkanalanlage aufgenommen wurde:
Ich habe dieses Foto nicht selbst gesucht – es war ... Szamès, der es im Artikel veröffentlichte, den er Ende 2000 in Air et Cosmo veröffentlichte, kurz vor der Konferenz von Brighton, an der er teilnahm. Ein kleiner Hinweis: Nach dieser Konferenz sagte er mir:
- Sie waren der einzige, der in diesem Kongress von MHD sprach. Persönlich habe ich diesen Begriff während des gesamten Treffens nicht ein einziges Mal gehört.
Unser Schuhhändler weiß nicht, dass in Kongressen die wichtigsten Gespräche nicht in den Sälen stattfinden, sondern zwischen Spezialisten fernab neugieriger oder einfach nur unwissender Ohren. Betrachten wir dieses Bild und tragen Sie die charakteristischen Merkmale sowie die Schockwellen ein, die sich um das Fahrzeug ausbilden (eine kleine Bemerkung: das Lichtphänomen, das man am äußersten linken Rand des Fotos in der Nähe des scharfen Vorderkantenrandes des Fahrzeugs sehen kann, entspricht nicht der Schockwelle, sondern der elektrischen Entladung, die bei dieser Versuchsanordnung zur Messung der thermischen Effekte in diesem Bereich angewandt wurde).
Die Schockwellen bilden sich an der Unterseite des Fahrzeugs, nicht an der Oberseite, die „im Windbett“ liegt. Um eine Schockwelle zu erzeugen, muss sich die Richtung der Geschwindigkeit ändern. Der abgeschrägte Vorderkantenrand von Aurora-Ajax ist so gestaltet, dass seine obere Seite tangential zu den Stromlinien des anströmenden Gasstroms verläuft.
An der Unterseite befinden sich zwei Schockwellen, wobei die zweite von der abgeschrägten Kante der Luftzufuhr ausgeht (sehr ähnlich der des „Concorde“, das auf konventionelle Turboreaktoren führt!).
Wenn sich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs erhöht, variiert der Temperaturanstieg grob quadratisch mit der Mach-Zahl. Zu einem bestimmten Zeitpunkt, über Mach 3 hinaus, kann die untere Luftzufuhr nicht mehr genutzt werden, da die Erwärmung des Gases die Turbinenblätter des Kompressors verdampfen würde. Bei sehr hoher Mach-Zahl (zehn bis zwölf) wäre dieser Temperaturanstieg so groß, dass selbst eine statorotative Luftzufuhr, die durch Zufuhr von flüssigem Treibstoff gekühlt wird, nicht bestehen könnte. Die These des Scramjets (statorotativer Motor mit Überschallverbrennung), die von den Amerikanern in ihren „Projekten“ propagiert wird, ist lediglich eine hübsche Desinformation, in die die Europäer kopfüber hineinfallen. Der aeronautische Journalist Bernard Thouanel, der in Sachen MHD völlig unwissend ist, folgt ihr selbstverständlich (denn ... es steht im Internet).
Die untere Luftzufuhr wird daher geschlossen, und der Druckanstieg durch die Schockwelle liefert den Auftrieb. Diese Fahrzeuge „surfen“ auf ihrer unteren Schockwelle; man nennt sie „Wave-Riders“. Der Begriff stammt bereits aus den Fünfzigerjahren – informieren Sie sich, als man eine „äußere Verbrennung“ unter dem Flugzeug hinter der Schockwelle erwog (aber die „heizte natürlich auch die kleinen Vögel“, wenn es denn an dieser Höhe welche gab).
Man öffnet eine Luftzufuhr an der Oberseite, deren Geometrie an die Ausgabe bestimmter Laserdrucker erinnert. Vor ihr befindet sich ein langer Abschnitt mit einem an der Wand angebrachten MHD-Generator (siehe mein Buch). Dieser MHD-Generator erzeugt elektrische Energie, die später an der Hinterseite des Fahrzeugs in den Bereich der halbgeführten Strömung, im „Ducktail“-Abschnitt am Heck, zurückgespeist wird, um die spezifische Impulsleistung des Austrittsstrahls zu erhöhen. Dies ist das System des „MHD-Bypass“ (MHD-Überbrückung), ein Begriff, den Szamès 2000 aufgriff (aber dessen Bedeutung ihm damals vermutlich fremd blieb). In dem Papier von Alexandre Szamès waren massenhaft Informationen enthalten, darunter bereits 2000 die Betonung der Bedeutung des Hall-Effekts (für ihn: vom Hebräischen, wie auch für Thouanel). Ich muss zugeben, dass es der Inhalt des Artikels von Szamès war – entsprechend den Äußerungen des Russen Fraistadt, des Initiators des Ajax-Projekts –, der meine Reise nach Brighton motivierte und meine Fragen an die dort anwesenden amerikanischen Spezialisten lenkte, von denen Thouanel sich beeilte, den Namen zu enthüllen.
Diese elektrische Energie wird auf Kosten der kinetischen Energie des Gases erzeugt, wodurch das Gas sanft wieder komprimiert wird, nicht durch eine Schockwelle, die unbedingt vermieden werden muss (was unmöglich ist, wenn man an der Unterseite arbeitet – eine weitere Desinformation, die von den Amerikanern und Russen bei Kongressen verbreitet wird, in die französischen „Spezialisten“ kopfüber hineinfallen). Genau hier setzt die Idee von Jean-Pierre Petit ein: die Entstehung einer Schockwelle verhindern, indem man verhindert, dass sich die Charakteristiken kreuzen, denn genau ihr Übereinanderliegen führt zur Bildung dieser unerwünschten Wellen. Man erzeugt dann einen klassischen „Entspannungskeil“, den die Studenten von Supaéro gut kennen. Hier wäre das, was sich in der Nähe dieser MHD-Luftzufuhr abspielen würde, ohne dass der „Verzögerungsgenerator MHD“ wirkt:
Ein Konvergent (unten rechts) richtet die Charakteristiken aus, die Mach-Flächen, verursachen ihr Übereinanderliegen und die Ansammlung dieser Druckstörungen. Das Gas wird verlangsamt, wieder komprimiert, aber es entsteht eine Schockwelle. Der Ort des Übereinanderliegens ist der, an dem sie entsteht.
Ein „Entspannungskeil“ (oben rechts) beschleunigt dagegen das Gas und erhöht die Mach-Zahl. Die Mach-Linien verbreiten sich und können sich daher nicht kreuzen, eine Schockwelle entsteht nicht. Das ist Fluiddynamik vor dem Krieg 1939–45. Wenn der MHD-Generator nicht angeschlossen ist, würde der Entspannungskeil der Luftzufuhr das Gas, das mit hypersonischer Geschwindigkeit einströmt, noch schneller beschleunigen und eine noch höhere Mach-Zahl am Kompressor erreichen lassen: undenkbar (obwohl diese zurückgesetzten Luftzuführungen die Eigenschaft haben, den Rücklauf von Radarechos an die Turbinenblätter zu verhindern und somit „schlüpfrig“ sind – siehe den US-Drone X-47A, dessen Foto, ungeschickt vom Modellbauer bearbeitet, auf dem Cover meines Buches erscheint).
Der X-47A von vorn gesehen
Im Folgenden dasselbe Fahrzeug, ein Drone, von der Seite:
Der X-47A von der Seite gesehen
Man sieht deutlich, wie die rückwärtige Anordnung der Luftzufuhr verhindert, dass die Radarechos, die die Turbinenblätter treffen, zurückreflektiert werden (denn diese sind das größte Hindernis für die „schlüpfrige“ Eigenschaft). Man wird bemerken, dass dieser Drone ein eigenständiges Problem darstellt. Wie könnte eine solche Luftzufuhr bei Überschallflug funktionieren? Das scheint zunächst unmöglich. Doch wenn es sich um einen Kampfdrone handelt (die Amerikaner präsentieren ihn als solchen, ohne jedoch etwas über seine Leistung zu sagen), wäre er dann vielleicht sogar subsonisch? Der B2 stellt – abgesehen vom berühmten B-52, dem Schlüsselvektor des Strategic Air Command der Fünfzigerjahre – das komplexeste Fahrzeug dar. Doch man präsentiert ihn als subsonisch. Ist er wirklich subsonisch? Diese Fragen werden von aeronautischen Journalisten nicht behandelt, und Bernard Thouanel ist ein Beispiel dafür. Dennoch müssten sie sich diese Fragen stellen.
Aber zurück zum „Entschlüsseln“ der amerikanischen Hyperschallflugzeuge und dem Geheimnis ihrer durch MHD gesteuerten Luftzufuhr. Auf der mittleren Abbildung wird die Entwicklung der Mach-Flächen in der Luftzufuhr gezeigt, ohne Einwirkung der elektromagnetischen Kräfte J x B, die mit dem natürlichen Betrieb des an der Wand angebrachten MHD-Generators verbunden sind.
Wenn man diesmal den Effekt des Entspannungskeils und den des Gases durch die Laplace-Kräfte kombiniert, kann man – vorausgesetzt, man spielt fein (massenhaft Doktorarbeiten für Physikabteilungen, die derzeit in völliger Krise liegen, da sie keine neuen Ideen haben) – diese Charakteristiken, diese Mach-Flächen genau so gerade richten, dass sie sich im Strömungskanal nicht kreuzen, also ohne Entstehung von Schockwellen. Wenn die Charakteristiken vollständig gerade sind und senkrecht zu den Strömungslinien verlaufen, ist es gewonnen: Sie sind nun subsonisch, und Sie können das Gas, das wieder komprimiert, aber nicht erwärmt wurde, ganz ruhig zur Turbinenblätter des konventionellen Triebwerks des Fahrzeugs leiten. Es ist dann derselbe Motor, der beim Start, beim Überschallflug bis Mach 3,5 und beim Hyperschallflug mit Mach 12 eingesetzt wird. Genial, nicht wahr? Das Erstaunliche ist, dass die Energie zur Verlangsamung des Gases und zur Erreichung des richtigen Drucks an der Triebwerkeinlassseite ... von diesem selbst bereitgestellt wird! Dieser Begriff war bereits 1986 in der Dissertation von Bertrand Lebrun explizit enthalten und in den darauf folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen. Aber ich bin mir nicht sicher, ob die Leute bei der DGA (Armee) oder beim ONERA (Office National d'Études et de Recherches Aéronautiques) diesen Begriff vollständig verstanden haben (wo man nur vorsichtig von „Reduzierung des Wellenwiderstands“ spricht). Im Gegensatz dazu erklärte mir der Forscher Bernard Fontaine (ehemaliger Mitarbeiter des Instituts für Fluiddynamik, wo ich von 1965 bis 1972 gearbeitet hatte, später Direktor des Bereichs Physikalische Wissenschaften am CNRS) telefonisch: „Da Lebrun mit Ihnen zusammengearbeitet hat, ist es sinnlos, dass er in einem irgendeinem französischen Forschungslabor eine Stelle finden will.“
Im Vorbeigehen: Der starke Hall-Effekt, der mit dem Betrieb des Generators bei niedriger Dichte (Umgebungsdruck: ein Millimeter Quecksilber) verbunden ist, geht mit der Erzeugung hoher Spannungen einher, die natürlich an der Vorderkante des Fahrzeugs ankommen und dort einen schützenden Plasmakissen erzeugen (die Erfahrung entspricht dem Foto der Ajax-Modellvorlage im Windkanal). Die thermischen Effekte der Kopfschockwelle werden so reduziert. Doch diese Schockwelle entsteht nicht ständig. Tatsächlich erreicht das Hyperschallspionageflugzeug während des Fluges eine Geschwindigkeitszunahme, die es in die höheren Atmosphärenschichten katapultiert, bis etwa 120 km Höhe, wo die Luft so verdünnt ist, dass der Wärmefluss vernachlässigbar wird. Aurora fliegt daher wie ein Stein, der „auf der Oberfläche der hohen Atmosphäre“ springt. Die Piloten erleben daher Wechsel zwischen Gewichtszunahme und Schwerelosigkeit während parabolischer Flugbahnen mit einer Periode von einigen Dutzend Sekunden (siehe den Bericht über Hypersoar auf meiner Website). Sie sind daran gewöhnt, aber in der zivilen Version dieser Fahrzeuge müssten die Passagiere Dramamine einnehmen oder vorsichtig mit praktischen Beuteln ausgestattet werden.
Im Prinzip können diese Ideen von jedem Studenten verstanden werden. In der Praxis ist es eine ganz andere Sache. Dahinter verbergen sich gewaltige Probleme, deren Natur und Lösungen ich ebenso kenne wie meine amerikanischen (und russischen) Kollegen. Es war sogar ein Thema unserer Diskussionen in Brighton, aber ich hielt es nicht für nötig, es in meinem Buch zu erwähnen. Ich lasse die Franzosen den Preis für ihre Dummheit zahlen, indem sie kopfüber in diese wankenden Sande stürzen, von deren Existenz sie selbst keine Ahnung haben. Sie können nicht auf mich zählen, um die Lösungen zu nennen, die auf keinen geschriebenen Notizen stehen und die ich nur den Studenten von Supaéro während meines Seminars im Juni 2003 an der Schule vorstellte.
Viel Glück, Freunde. Die Lektion aus diesem Fall ist, dass einerseits, wie ein gewisser Jesus nach dem Auszug aus der Synagoge von Kapharnaum sagte: „Kein Prophet ist in seiner Heimat gewürdigt.“ Andererseits brauchen wirklich revolutionäre Ideen Jahrzehnte, um sich in Ländern durchzusetzen, in denen Konservatismus die absolute Regel ist (und in Frankreich zusätzlich die verschärfende Wirkung der Dominanz der gesamten Forschung in diesem Bereich durch Leute aus der .. École Polytechnique). Sie erinnern sich vielleicht an den Satz von Poincaré:
*- Wenn Sie das militärische Potenzial Deutschlands zerstören wollen, gründen Sie dort eine École Polytechnique (Gilbert Payan stammt aus diesem berühmten „Gießform“). *
In den folgenden fünfzehn Jahren wandte ich mich der Astrophysik und Kosmologie zu. Aber ich befürchte, dass auch hier, insbesondere in Frankreich, ich etwas zu früh spreche. Siehe "Tagebuch eines Wissenschaftsabenteurers", der derzeit verfasst wird.
Meine aktuelle Lösung nach dem Verzicht auf diese Bereiche 2001 war, mich der Ägyptologie zuzuwenden. Ich bemühe mich gerade darum, meine Arbeiten in diesem Bereich zu veröffentlichen (was wahrscheinlich nicht einfach sein wird), da ich denke, dass ich alle Geheimnisse von Immothep bezüglich der Bautechnik der Pyramiden entschlüsselt habe (seien Sie beruhigt: es ist keine Antigravitation).
Letzte Anekdote: Wissen Sie, wem wir die Entstehung der Serie Lanturlu verdanken? Hubert Curien, der damals das CNES leitete, wo Esterle und Zappoli ihr Bestes gaben, um eine erste Version meiner MHD-Idee zu entwickeln (unter der Segnung von Payan und der Armee). Ich bat ihn, einzugreifen, und sagte:
*- Ihre Leute haben sich entschieden, meine Dienste nicht in Anspruch zu nehmen, trotz ihrer völligen Unfähigkeit in dieser Angelegenheit. Dann ist es sehr wahrscheinlich, dass sie scheitern werden (was sofort geschah, wie sich zeigen wird). Nun, wenn Sie nicht eingreifen, werde ich meine Kreativität und diese freie Zeit der wissenschaftlichen Popularisierung widmen. Hier finden Sie die ersten Manuskripte von Alben, die eine Serie bilden könnten. *
Curien (heute verstorben) antwortete nie auf meinen Brief.
Eine letzte Bemerkung.
Mit großer Mühe, unter Verwendung meines Scanners mit 1200 dpi, habe ich versucht, das in der VSD-Ausgabe abgebildete Bild zu vergrößern, das von Thouanel stark verkleinert wurde. Durch intensives Hinsehen konnte ich die Texte lesen, löschen und neu zusammensetzen, damit sie lesbar wurden. Hier ist das Bild:
Es soll der Plan des Ajax-Projekts darstellen. Wenn die Vorderkante tatsächlich abgeschrägt ist (was nicht erwähnt wird, aber auf den Kunstbildern ersichtlich ist, die beispielsweise auf einer Cover von Air et Cosmos aus Dezember 2000 abgebildet sind), sollte man zwei Schockwellen erwarten, wie hier:
Genau das möchte man aber vermeiden. Das Schema zeigt einen „Ionisator“, also ein Ionisationsgerät. Warum dort? Warum nicht an der Vorderkante, wo es sinnvoller wäre? Man findet einen „externen MHD-Generator“, also einen „wandgebundenen“. Das Bild ergänzt ihn durch einen internen MHD-Generator innerhalb der Luftzufuhr, beide als Gasschleusen funktionierend. Der „MHD-Bypass“ führt dazu, dass der Zeichner am Ausgang des Triebwerks einen MHD-Beschleuniger platziert hat. Doch all dies ist nicht besonders klar. Ich denke, dieses Schema dient einer Desinformation, und das Schema aus der Konferenz von Brighton ist das richtige. Ich fordere einen Strömungsmechaniker, der sich mit der Physik ionisierter Gase auskennt, heraus, mir das Gegenteil zu beweisen. Die anwesenden Strömungsmechaniker bei meinem Vortrag in Supaéro waren meiner Ansicht.