Beginn von MHD3

Die gestrichelte Linie soll die Region darstellen, in der der Fluidstrom eine Ausweichbewegung auslöst, um Platz für das Objekt zu schaffen.

Bei Überschallgeschwindigkeit können diese Schallwellen den Fluidstrom nicht mehr vor dem Aufprall des Objekts „informieren“. Der Gasstrom wird daher „überrascht“ und reagiert, indem er Schockwellen bildet. Es galt daher, einen Weg zu finden, um von weitem, vor dem Objekt, auf den Gasstrom einzuwirken, um ihn dazu zu bringen, Platz zu machen.

Eine erste Lösung bezieht sich auf die Eintauchung eines Flügelprofils in Luft mit Überschallgeschwindigkeit. Es ist bekannt, dass die Wirkung des Aufpralls dieses Objekts auf die Luft eine starke Verzögerung des Gases verursacht. Es erschien daher sinnvoll, den Gasstrom entlang des Profils in der Nähe der Vorderkante zu erleichtern, während gleichzeitig die Verzögerung des Gases vor dem Objekt eingeleitet wurde. Dies ist möglich, indem ein magnetisches Feld senkrecht zur Zeichenebene angelegt wird und zwei Wandelektroden wie angezeigt angeordnet werden. Die Stromlinien im Gas sind eingezeichnet. Dadurch entsteht eine Laplace-Kraft (Lorentz-Kraft, bei Anglosachsen), die der „Drei-Finger-Regel“ folgt.

Im Folgenden die allgemeine Anordnung des elektromagnetischen Kraftfeldes, senkrecht zu den Stromlinien.

Auf diese Weise wird auf drei Ebenen gewonnen:

• Vor dem Fahrzeug beginnt man, den Fluidstrom vor dem Objekt zu verlangsamen.

• Man initiiert eine Ausweichbewegung des Fluids.

• Man erleichtert den Strömungsverlauf entlang der Wand.

Die elektromagnetische Kraft pro Volumeneinheit beträgt J B, wobei B die Stärke des magnetischen Feldes in Tesla (1 Tesla entspricht 10.000 Gauss) und J die Stromdichte in Ampere pro Quadratmeter ist. Die Kraft wird dann in Newton pro Kubikmeter angegeben.

Eine Stromdichte von lediglich einem Ampere pro Quadratzentimeter (10.000 Ampere pro Quadratmeter), kombiniert mit einem Feld von 10 Tesla, ergäbe eine Kraft von zehn Tonnen pro Kubikmeter Gas – ausreichend, um dem Strömungsvorgang die gewünschten Effekte aufzuzwingen.

Die Kraft ist am stärksten in der Nähe der Elektroden, wo der Strom konzentriert ist und die Stromdichte am höchsten ist.

Das Problem liegt natürlich darin, einen solchen elektrischen Strom durch ein Medium zu leiten, das bei normaler Temperatur ein hervorragender Isolator ist: die Luft. Dieses Problem werden wir später behandeln.

Zunächst entschieden wir uns 1976 für Simulationen, die auf hydraulischen Experimenten basierten. Das Fluid war sauerstoffhaltiges Wasser (um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen). Es galt nun, das Experiment zu dimensionieren. Wir verfügten über eine Magnetspule, die in wenigen Kubikzentimetern ein Feld von einem Tesla erzeugte. Die Strömungsgeschwindigkeit betrug 8 cm pro Sekunde. Da die Dichte des Wassers 1000 kg/m³ beträgt, konnte man den minimalen Wert von J berechnen, sodass der Interaktionsparameter:

wobei L eine charakteristische Abmessung der Modellvorlage ist.

Die Unterdrückung der Wellenfront gelang bereits beim ersten Versuch (1976). Wir arbeiteten an linsenförmigen Modellen, doch die ersten Versuche wurden an einem zylindrischen Modell durchgeführt, bei dem sich eine Wellenfront bildete, die einer abgelösten Schockwelle entsprach und sich in einer Entfernung von einem zylindrischen Hindernis ausbildete:

Mit einem magnetischen Feld, das senkrecht zur Zeichenebene steht, wurde die Unterdrückung der Wellenfront mit zwei Elektroden erreicht, wie in der Abbildung dargestellt. Auch die Anordnung der Polstücke des Elektromagneten ist eingezeichnet. Durchmesser des Modells: 7 mm. Breite der in die Wand eingelassenen Elektroden: 2 mm.

Die obige Abbildung zeigt die Wellen ohne elektromagnetische Kräfte, die folgende Abbildung nach Unterdrückung der Vorderwelle.

Die Laplace-Kräfte, die durch den Stromfluss im sauerstoffhaltigen Wasser und das transversale Magnetfeld entstehen, entsprechen der folgenden Abbildung:

Diese Kräfte sind besonders stark in der Nähe der Elektroden, wo der Strom konzentriert ist (maximale Stromdichte J). Vor dem Modell verlangsamen sie den Fluidstrom. Doch dieses Kraftfeld ist nicht ausreichend, um das gesamte Wellensystem vollständig zu unterdrücken. In Experimenten mit einem zylindrischen Hindernis, das nur eine Elektrodenreihe besaß, wurden die Wellen lediglich im Nachlauf des Modells konzentriert. Wie in der Abbildung gezeigt, genügte dies jedoch, um eine Druckabsenkung im „Stillpunkt“ zu erzeugen, was belegt, dass ein solches System zusätzlich zur MHD-Antriebstechnik genutzt werden könnte.

Die vollständige Unterdrückung des gesamten Wellensystems konnte, wie durch die hydraulischen Simulationen bestätigt wurde, bei einem linsenförmigen Modell erreicht werden, indem diesmal drei Elektrodenpaare verwendet wurden. Denn wie aus einer früheren Abbildung hervorgeht, entstehen die Machwellen durch die Überlagerung von Machwellen in zwei Regionen, vor und nach dem Hindernis.

Wir waren die Ersten (Dissertation von Bertrand Lebrun), die den Schlüsselbegriff der Strömungsregulierung bei Überschallgeschwindigkeit mittels Laplace-Kräften vorgestellt haben, indem man um ein Modell ein System paralleler Machwellen erzeugte:

Die zweite Familie von Merkmalen, die Machwellen, wurde nicht dargestellt.

Drei Maßnahmen sind daher erforderlich:

• Verhindern, dass die Machwellen in der Nähe der Vorderkante des Modells wieder aufgerichtet werden, indem man den Fluidstrom in dieser Region beschleunigt.

• Verhindern, dass sie sich (im „Entspannungsfächer“) an der Flanke ablegen.

• Schließlich wiederum Beschleunigung in der Nähe der Hinterkante.

Daraus ergibt sich ein System aus drei Wandelektroden:

Das magnetische Feld war senkrecht zur Zeichenebene, aber um das geeignete Kraftfeld zu erzeugen, war es notwendig (bei den computergestützten Simulationen), dieses Feld „zu formen“, was durch mehrere miteinander kombinierte Spulen realisierbar gewesen wäre. In der Nähe der Elektroden waren die Laplace-Kräfte schematisch wie folgt angeordnet:

Die Dissertation von Lebrun (Veröffentlichung auf dem 7. internationalen MHD-Kongress in Tsukuba, Japan, und dem 8. internationalen MHD-Kongress in Peking, 1990, sowie in der Zeitschrift The European Journal of Physics) zeigte die theoretische Machbarkeit der Operation. Dieses Ergebnis ist aus mehreren Gründen interessant. Denn wenn man den Fluidstrom beschleunigt, wird ihm Energie zugeführt, während er beim Verlangsamen Energie abgibt. Warum? Weil die Bewegung des Fluids entlang des Modells mit der Geschwindigkeit V eine elektromotorische Kraft V × B erzeugt. Diese Kraft tendiert dazu, eine Stromdichte J = σ (V × B) zu erzeugen, wobei σ die elektrische Leitfähigkeit ist...