Μαγνητοϋδροδυναμική (MHD) και εξάλειψη των κρουστικών κυμάτων

Παράρτημα 1: MHD

• σελίδα 1 -

1 - Γενικά για την έννοια της εξάλειψης των κρουστικών κυμάτων

Η έννοια αυτή εισήχθη στις αρχές της δεκαετίας του 1970. Στη συνέχεια, η αμερικανική κυβέρνηση κατάλαβε ότι η MHD μπορούσε να play an important role in future military projects. At the same time the US scientists undestood the MHD had something to do with hypersonic flight. They decided to desinform people. Officially, in USA, MHD was abandonned. Civil MHD got starving. Big industrial projects were abandonned. But, at the same time, an intensive effort began, in full secrecey, about military MHD. This was discovered very recently (2001). The reader if free to believe or not to believe this. We were told about what happenend in US between 1970 and the present days by top level American scientists involved in secret black programs, concentrated in area 51. The only argument about this is based on scientic grounds. Even now, people ignore many very important features about MHD applied to supersonic gas flows, which made possible a fantastic and fundamental breakthrough in USA in the middle of the seventies. Thirty years after American master the world with advanced technologies in many (military) fields, including long duration hypersonic flight, up to Mach 12.

Δεν γνωρίζω ποιος θα διαβάσει αυτό το παράρτημα, η ανάγνωση του οποίου απαιτεί προχωρημένες γνώσεις στην υπερηχητική μηχανική των ρευστών, στη θεωρία των χαρακτηριστικών και στην MHD. Ένα πολύ καλό βιβλίο δημοσιεύθηκε το 1967, με τίτλο «Engineering Magnetohydrodynamics» (Μηχανική Μαγνητοϋδροδυναμική); Sutton και Sherman, Mac Graw Hill Books Company.

Ας παρουσιάσουμε μερικές βασικές έννοιες.

Σε μια υπερηχητική ροή, μπορούμε να θεωρήσουμε τις «γραμμές Mach»:

Γραμμές Mach (ή επιφάνειες Mach) σε μια υπερηχητική ροή

Η γωνία αυτών των γραμμών Mach εξαρτάται από την τοπική τιμή της ταχύτητας.

Επίδραση της αύξησης της ταχύτητας στη γωνία Mach

Αν θεωρήσουμε μια υπερηχητική ροή, οι γραμμές Mach, ή «γραμμές χαρακτηριστικών», είναι πραγματικές. Χαρτογραφούν τη ροή. Στη συνέχεια, ένας δοκιμαστικός σωληνοειδής εκτοξευτής υπερηχητικός σε 2D (υπερηχητικός αεροδυναμικός σωλήνας).

Στο συγκλίνοντα τμήμα, το ρευστό βρίσκεται σε υποηχητική κατάσταση. Από μαθηματική άποψη, οι γραμμές χαρακτηριστικών (οι επιφάνειες Mach) είναι φανταστικές. Η ταχύτητα του ήχου επιτυγχάνεται στο στενό σημείο (λαιμός) του εκτοξευτή. Στη συνέχεια, οι επιφάνειες Mach γίνονται πραγματικές. Μπορούμε να τις οπτικοποιήσουμε:

Εξέλιξη των επιφανειών Mach, ή γραμμών Mach, σε έναν υπερηχητικό εκτοξευτή.

Στον εκτοξευτή, η ταχύτητα αυξάνεται συνεχώς. Ταυτόχρονα, η γωνία Mach μειώνεται (είναι ίση με 90° στο τμήμα του λαιμού). Αυτό αντιστοιχεί στην «φυσική μεταβολή» του συστήματος των επιφανειών Mach, λόγω της διαστολής μιας υπερηχητικής ροής.

Τώρα, ας θεωρήσουμε μια δισδιάστατη υπερηχητική ροή γύρω από ένα επίπεδο φτερό. Μπορούμε να υπολογίσουμε το θεωρητικό σύστημα των γραμμών Mach, χρησιμοποιώντας τη θεωρία των χαρακτηριστικών:

Θεωρητικές γραμμές χαρακτηριστικών γύρω από ένα επίπεδο φτερό βυθισμένο σε μια υπερηχητική ροή αερίου.

Αυτό δεν είναι φυσικό. Είναι «καθαρά μαθηματικό» (μια λύση ενός «συστήματος χαρακτηριστικών»). Δείχνει πώς οι επιφάνειες χαρακτηριστικών συγκρούονται, συσσωρεύονται σε ορισμένα σημεία. Είναι στοιχειώδεις επιφάνειες μεταβολής πίεσης. Στο μέσο της ροής, βλέπουμε έναν κλασικό ανεμιστήρα διαστολής, όπου η πίεση μειώνεται και το αέριο επιταχύνεται. Αλλά σε άλλες περιοχές, βλέπουμε πώς οι επιφάνειες Mach συσσωρεύονται και τείνουν να δημιουργήσουν προσκολλημένα κρουστικά κύματα. Η επόμενη εικόνα αντιστοιχεί σε μια πραγματικά φυσική λύση, με προσκολλημένα κρουστικά κύματα:

Φυσικές συνθήκες με προσκολλημένα επίπεδα πλάγια κρουστικά κύματα.

Στη συνέχεια: αυτά τα επίπεδα προσκολλημένα κρουστικά κύματα.

Στη συνέχεια: αυτά τα επίπεδα κύματα, συν τις γραμμές ροής.

Αν η αιχμή του προσώπου είναι οξεία, τα μπροστινά κύματα είναι προσκολλημένα. Δείτε τις λεπτομέρειες:

Προσκολλημένο μπροστινό κρουστικό κύμα κοντά στο αιχμηρό προσώπο ενός επίπεδου φτερού

Αν το αιχμηρό προσώπο είναι στρογγυλεμένο, η κατάσταση είναι somewhat different. The shock looks like a bow.

Κρουστικό κύμα σε στρογγυλεμένο προσώπο.

Από κλασική άποψη, αυτά τα κρουστικά κύματα δεν μπορούν να αποφευχθούν. Αντιστοιχούν σε άλματα πίεσης και θερμοκρασίας. Όταν ο αριθμός Mach ξεπερνά το 3, τα υλικά δεν αντέχουν τη θερμική ροή και εξατμίζονται. Στα «scramjets», ψύχουμε το αιχμηρό προσώπο με υγρό υδρογόνο και οξυγόνο, που επιτρέπει την επίτευξη πτήσεων σύντομης διάρκειας σε Mach 5-6. Αλλά η υπερηχητική πτήση (Mach 12) θεωρείται αδύνατη, από τεχνολογική άποψη. Το 1947, το φαινόμενο UFOs raised a strange question: is it possible to achieve such high Mach number flights? At Roswell, Americans recovered a crashed machine, which immediately proved two things:

• Τα UFOs were definitively real

• Came from other planetary systems.

Αποφασίστηκε να τηρηθεί πλήρης μυστικότητα σχετικά με αυτό. Μια έντονη και ενεργητική πολιτική παραπληροφόρησης θεσπίστηκε στις ΗΠΑ, η οποία είναι ακόμα σε ισχύ. Για παράδειγμα, η NASA εξηγεί στην επίσημη ιστοσελίδα της ότι τα UFOs are nothing but an illusion, almost 50 years later. Χρειάστηκε χρόνος για τους Αμερικανούς να κατανοήσουν ότι η MHD was the key, the master word of the hypersonic (and silent) flight. Η σιωπηλή πτήση των UFOs showed that shock waves (and turbulence) were avoided. Για να το δείξουμε αυτό, αναφερόμαστε στις προσωπικές εργασίες του συγγραφέα (αναπτύχθηκαν κατά τη δεκαετία του 1960 και 1970). Αυτές οι έρευνες conducted with quite modest lab equipment, compared to the huge US effort, hidden in underground area 51 plants. Αλλά αυτό θα είναι αρκετό για να δείξει τις βασικές ιδέες. Στην επόμενη εικόνα, ένας «γραμμικός μετατροπέας MHD Faraday» με το κανάλι MHD και τα δύο πηνία του.

Μετατροπέας MHD Faraday

Αν αφαιρέσουμε τα δύο πηνία, παίρνουμε αυτό:

Κανάλι Faraday (τα πηνία έχουν αφαιρεθεί)

Εδώ, ο μετατροπέας acts as a MHD generator. Η υπερηχητική ροή enters the channel at velocity V, which goes with an induced electric field E x B. This last produces an electric current in the gas, which loops through external loads, showed. Ένα μέρος της κινητικής ενέργειας του αερίου μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό leads to the slowing down of the gas. Το σύστημα composed of the velocity, electric field and subsequent Lorentz force is shown next:

Ηλεκτρικό πεδίο και πεδίο δύναμης Lorentz σε έναν γεννήτρια MHD.

Η δύναμη Lorentz obeys the "three fingers' rule":

Αυτή η πρώτη ιδέα είναι πολύ σημαντική. Πράγματι, βλέπουμε ότι ένας επιταχυντής MHD slows down a supersonic fluid. Αν conveniently managed, we can imagine that the fluid parameters can be modified in a "soft way", without shock wave birth. Αυτή είναι η βασική ιδέα της έννοιας της υπερηχητικής πτήσης, όπως θα δούμε παρακάτω. Στη συνέχεια, δείχνουμε το μοτίβο χαρακτηριστικών των γραμμών Mach σε έναν γεννήτρια MHD. Η γωνία Mach changes continuously and no shock occurs.

Τροποποίηση χωρίς κρουστικό κύμα του συστήματος των γραμμών Mach, λόγω της δράσης της δύναμης Lorentz

Αυτή είναι μια πολύ απλή ιδέα, αλλά θεωρήθηκε top secret during a very long time over all the world. Από την άλλη πλευρά, ένας μετατροπέας MHD can be used as an accelerator. Για να το κάνουμε αυτό, απλώς inject electric power in order to inverse the electric current and get accelerating Lorentz forces. Τότε, we can modify the local value of the Mach angle. Στο εργαστήριό μου, το 1967, obtained very impressive accelerations along very small length.

Το αέριο enters the channel on the left and Lorentz forces accelerates it.

Ας δείξουμε ότι αυτό δεν ήταν one dream. Next, my MHD lab in the sixties at the Institut de Mécanique des Fluides de Marseille, France.

Το εργαστήριό μου MHD της δεκαετίας του 1960. Μπροστά: ηλεκτρόδια. Αριστερά, ένα παλιό oscilloscope με λαμπτήρες κενού Tektronix. Κάτω: ο μετατροπέας Faraday με τα κρεμασμένα πηνία του. Επίσης, ένα «ignitron» used to commute the 50,000 amperes electric current produced by a capacitor bank.

Ήταν ένα «short duration wind tunnel» based on a «shock tube». Μια ροή argon driven by a shock (200 microseconds) was pushed in a 6 meters long constant area wind tunnel. Το αέριο moved and compressed (pressure after compression: 1 bar). Το αέριο heated up to 10,000°K, which provided a very good electrical conductivity (3000 mhos/m). Η ταχύτητα του αερίου, at the entrance of the MHD channel, was 2,750 m/s. This last was 10 cm long. Κατά τις πειραματικές επιταχύνσεις, η ταχύτητα εξόδου reached 8,000 m/s, which demonstrated the extraordinary efficiency of Lorentz forces accelerating power with high magnetic field strength (2 teslas) and high electrical current densities. Next, the classical MHD efficiency:

Απόδοση MHD. J είναι η πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος, B είναι το μαγνητικό πεδίο, L είναι ένα χαρακτηριστικό μήκος, κάτω: η πυκνότητα μάζας και v η ταχύτητα.

Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, ένας Γάλλος μηχανικός, Bertrand Lebrun, started a PhD with me. I defined the basic idea of the shockless supersonic flight. This was a civilian research but we know that similar research was carried out secretly in the famous Lawrence Livermore Laboratory, California, at the same time. We have already presented the general pattern of Mach lines, associated to the theoretical supersonic flow around some flat wing. We have seen that we could change the local value of the Mach angle by a subsequent choice of a convenient Lorentz force field. For example, we can accelerate the flow around the leading edge, using a transverse magnetic field and two wall electrodes, as follows:

Επιταχυντικά ηλεκτρόδια, κοντά στο αιχμηρό προσώπο

Στη συνέχεια, το αντίστοιχο πεδίο δύναμης Lorentz:

Πεδίο δύναμης Lorentz

Με μια τέτοια συσκευή, it was possible to cancel the front shock wave at the vicinity of a sharp leading edge, which showed that a shock system could be avoided. This changed drastically the problem of the hypersonic flight. Now the goal was to cancel shock waves around a flat wing, which implied keeping the Mach lines parallel:

Διδακτορική διατριβή Lebrun: ο στόχος

Τρία ζεύγη τοιχικών ηλεκτροδίων arranged on the flat wing model:

Διδακτορική διατριβή Lebrun (1987)

Πάνω: idealized characteristic lines pattern (Mach lines or Mach surfaces). If a convenient Lorentz force field could be applied around the model, it was expected that a characteristic line focussing phenomenon could be avoided. This was shown through computer calculations and presented at several international MHD meetings (Tsukuba, Japan, Beijing, China, see bibliography and mentioned papers). The general pattern of Mach lines becomes the following:

Διδακτορική διατριβή Lebrun. Χαρακτηριστικές γραμμές.

This work was done in a civilian laboratory but we know that, at the same time, Americans did the same thing in absolute secrecy. In France, the authorities were terrified at the idea that such results could reveal the extraterrestrial nature of UFOs, and they became furious. All civilian research was stopped. The military tried to continue this research in their secret labs, for their own account, but failed due to their lack of knowledge. During this time, US projects experienced a very strong acceleration. Parallel research was intensively carried out on torpedoes and submarine propulsion. To avoid confusing the reader's mind, we will talk about that later.

Βιβλιογραφία:

(1) J.P. Petit: «Is supersonic flight possible?» Eighth International Conference on MHD Electric Power Generation. Moscow, 1983.

(2) J.P. Petit & B. Lebrun: «Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force action». Ninth International Conference on MHD Electric Power Generation. Tsukuba, Japan, 1986.

(3) B. Lebrun & J.P. Petit: «Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage». European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, No. 2, pp. 163-178, 1989.

(4) B. Lebrun & J.P. Petit: «Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion, and shock tube simulations for isentropic flows». European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp. 307-326, 1989.

(5) B. Lebrun: «Theoretical approach to the suppression of shock waves forming around a slender obstacle placed in an ionized argon flow». Thesis in Energetics No. 233. University of Poitiers, France, 1990.

(6) B. Lebrun & J.P. Petit: «Theoretical analysis of shock wave annihilation by Lorentz force field». International MHD Symposium, Beijing, 1990.

Παράρτημα 1 (MHD), επόμενη σελίδα