Καταστροφή σοκ-κυμάτων
Πώς να καταστρέψεις σοκ-κύματα
Μία ιδέα 100% Ζαν-Πιερ Πιτ, την τελευταία δεκαετία του 1970
21 Νοεμβρίου 2003
Όταν παρουσίασα αυτή την ομιλία στην Επιστημονική Σχολή Αεροδυναμικής του Τουλούζ, τον Ιούνιο του 2003, εξέθεσα αυτή την κλειδική ιδέα, και αμέσως με κατάλαβαν, από τους παριστάμενους και από τους διδάσκοντες μηχανικής ρευστών υπερηχητικής ταχύτητας.
Πριν επανέλθω στην παρουσίαση αυτής της ιδέας, διαπιστώνω ότι αυτή είναι [παρούσα]. Υποθέτω ότι έχετε ήδη διαβάσει αυτό το αρχείο από τον Ιανουάριο του 2001 (και ότι οι συμμετέχοντες στη συζήτηση που σχολίασε ο Σαμές δεν γνωρίζουν το περιεχόμενό του). Γιατί η είσοδος αέρα "ελεγχόμενη από την MHD", που εξοπλίζει τα μηχανήματα που κινούνται με υπερηχητική ταχύτητα, όπως το Aurora (δηλώνω: λειτουργικό από το 1990), βρίσκεται στην κορυφή;
Πρώτο σημείο: στην κορυφή, αυτά τα μηχανήματα είναι επίπεδα όπως η χέρι. Αναφερθείτε στη φωτογραφία που δείχνει μια μοντέλο του αεροσκάφους Ajax, που πήρηκε σε αεροδυναμική σωλήνα:
Δεν είμαι εγώ που έψαξα αυτή τη φωτογραφία· ήταν ... ο Σαμές, στο άρθρο που δημοσίευσε στο Air et Cosmo το τέλος του 2000, ακριβώς πριν τη συνάντηση στο Μπρίγκχαμ, στην οποία συμμετείχε. Απλό λεπτομέρεια: μετά τη συνάντηση μου είπε:
*- Εσύ ήσουν ο μόνος που άκουσες να μιλάνε για MHD σε αυτή τη συνάντηση. Προσωπικά, δεν άκουσα κανέναν να χρησιμοποιεί αυτή τη λέξη ούτε μία φορά. *
Ο πωλητής των παπουτσιών δεν γνωρίζει ότι στις συναντήσεις, οι σημαντικότερες συζητήσεις δεν γίνονται στην αίθουσα, αλλά μεταξύ ειδικών, μακριά από τα ακούσια ή απλά ανεπαρκή αυτιά. Πάρτε αυτό το σχέδιο και φέρτε τα χαρακτηριστικά και τα σοκ-κύματα που δημιουργούνται γύρω από το μηχάνημα (μία απλή παρατήρηση: το φωτεινό φαινόμενο που μπορεί να δει κανείς στην άκρη αριστερά της φωτογραφίας, κοντά στην ακμή επιφάνειας του μηχανήματος δεν αντιστοιχεί σε σοκ-κύμα, αλλά σε ηλεκτρική απόδοση που εφαρμόστηκε για να μετρηθεί κατά τη διάρκεια αυτής της εμπειρίας, η οποία στοχεύει στη μείωση των θερμικών επιδράσεων σε αυτή την περιοχή).
Τα σοκ-κύματα δημιουργούνται στην κάτω πλευρά του μηχανήματος, όχι στην κορυφή, η οποία βρίσκεται "στην κοιλάδα του αέρα". Για να υπάρξει σοκ-κύμα, πρέπει να υπάρχει αλλαγή στη διεύθυνση της ταχύτητας. Η κορυφή της ακμής επιφάνειας του Aurora-Ajax είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε η πάνω μεριά της να είναι εφαπτόμενη στις "γραμμές ροής" στη διεύθυνση του ρεύματος αερίου προς τα πάνω.
Στην κάτω πλευρά βρίσκονται δύο σοκ-κύματα, το δεύτερο που ξεκινά από την ακμή επιφάνειας της εισόδου αέρα (πολύ παρόμοια με αυτή του "Concorde", που οδηγεί σε κινητήρες τουρβοροκέτων συμβατικών!).
Όταν η ταχύτητα του μηχανήματος αυξάνεται, η αλλαγή θερμοκρασίας μεταβάλλεται περίπου ως το τετράγωνο του αριθμού Mach. Σε κάποιο σημείο, πέρα από Mach 3, η κάτω είσοδος αέρα δεν μπορεί πλέον να χρησιμοποιηθεί, διαφορετικά η θέρμανση του αερίου θα εξατμίζει τα φύλλα της τουρβομηχανής που αποτελούν το συμπιεστή. Σε υψηλό αριθμό Mach (δέκα δώδεκα), αυτή η αύξηση θερμοκρασίας θα ήταν τέτοια που ακόμα και μία είσοδος αέρα στατοροκέτη, ψυχρά από την κυκλοφορία υγρού καυσίμου, δεν θα μπορούσε να αντέξει. Η θέση του scramjet (στατοροκέτης με καύση σε υπερηχητική ροή), που υποστηρίζουν οι Αμερικανοί στα "σχέδιά τους", είναι απλώς μία όμορφη απάτη στην οποία οι Ευρωπαίοι πέφτουν με το κεφάλι. Ο αεροδυναμικός δημοσιογράφος Μπερνάρ Θουανέλ, εντελώς ανεπαρκής σε θέματα MHD, την υποστηρίζει φυσικά (επειδή ... είναι στο internet).
Έτσι, η κάτω είσοδος αέρα θα κλείσει και η υπερπίεση που δημιουργεί το σοκ-κύμα θα παράσχει την ανύψωση. Αυτά τα μηχανήματα "πλέουν" πάνω από το κάτω σοκ-κύμα, και λέγονται "wave-riders". Η ιδέα χρονολογείται ... από τις εποχές της δεκαετίας του 1950, ενημερωθείτε, όταν εξετάζονταν μία "εξωτερική καύση", κάτω από το μηχάνημα, πίσω από το σοκ-κύμα (αλλά η οποία, λυπητερά, "θέρμαινε τα μικρά πουλιά, αν υπήρχαν βέβαια σε αυτό το υψόμετρο").
Ανοίγουμε μία είσοδο αέρα στην κορυφή, η γεωμετρία της οποίας μοιάζει με την έξοδο κάποιων λέιζερ εκτυπωτών. Μπροστά της, μία μακρά τομή εξοπλισμένη με παριστάμενο γεννήτρια MHD (βλέπε το βιβλίο μου). Αυτή η γεννήτρια MHD παράγει ηλεκτρική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια θα επανεισαχθεί στο πίσω μέρος του μηχανήματος, στην τομή της ημι-καθοδηγούμενης ροής, στο "κορμί του κυλίνδρου", που βρίσκεται στο πίσω μέρος, για να αυξήσει τη σπειροειδή ορμή της εκτόξευσης. Αυτό είναι το σύστημα του "MHD bypass" (MHD πέρασμα), λέξη που κατέχθηκε από τον Σαμές το 2000 (αλλά η σημασία της του ήταν πολύ πιθανό να ήταν εξωτερική εκείνη την εποχή). Υπήρχαν μεγάλες ποσότητες πληροφοριών σε αυτό το άρθρο που συνέταξε ο Αλεξάνδρος Σαμές, με την αναφορά, από το 2000, στη σημασία του φαινομένου Χολ (για εκείνον: από την εβραϊκή, όπως και για τον Θουανέλ). Πρέπει να αναγνωρίσω ότι ήταν το περιεχόμενο του άρθρου του Σαμές, που αντιστοιχούσε σε δηλώσεις που είχε κάνει ο Ρώσος Φραϊσταντ, ο ιδρυτής του έργου Ajax, που είχε κινητοποιήσει την άνοδό μου στο Μπρίγκχαμ και καθορίσει την ερώτησή μου προς τους αμερικανούς ειδικούς που βρίσκονταν εκεί, τους οποίους ο Θουανέλ έσπευσε να δημοσιεύσει το όνομα σε όλους.
Η παραγωγή αυτής της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται με την ενέργεια της κινητικής ενέργειας του αερίου, το οποίο έτσι επανασυμπιέζεται με απαλότητα, όχι μέσω ενός σοκ-κύματος, που πρέπει απολύτως να αποφευχθεί (κάτι που δεν είναι δυνατό αν γίνει στην κάτω πλευρά του μηχανήματος, άλλη απάτη που υλοποιείται από τους Αμερικανούς και τους Ρώσους σε συνέδρια, στην οποία οι "ειδικοί" Γάλλοι πέφτουν με το κεφάλι). Εκεί εφαρμόζεται η ιδέα του Ζαν-Πιερ Πιτ: να αποφύγεις τη δημιουργία σοκ-κύματος, προσπαθώντας να εμποδίσεις τα χαρακτηριστικά να διασταυρωθούν, επειδή ακριβώς η διασταύρωση τους προκαλεί τη δημιουργία αυτών των ανεπιθύμητων σοκ-κυμάτων. Έτσι δημιουργείται ένα κλασικό "φύλλο εκτόνωσης", που γνωρίζουν καλά οι φοιτητές της Supaéro. Αυτό θα συνέβαινε γύρω από αυτή την είσοδο MHD, χωρίς να εμπλέκεται το "αργοποιητής-γεννήτρια MHD":
Ένας συγκεντρωτής, στα κάτω δεξιά, επαναφέρει τα χαρακτηριστικά, τις επιφάνειες Mach, προκαλώντας τη διασταύρωσή τους και τη συσσώρευση αυτών των πιέσεων. Το αέριο επιβραδύνεται, επανασυμπιέζεται, αλλά εμφανίζεται ένα σοκ-κύμα. Το σημείο διασταύρωσης είναι αυτό όπου δημιουργείται.
Ένα "φύλλο εκτόνωσης" (στα πάνω δεξιά) επιταχύνει το αέριο, αυξάνει τον αριθμό Mach. Οι γραμμές Mach διασκορπίζονται και δεν μπορούν να διασταυρωθούν, έτσι δεν δημιουργείται σοκ-κύμα. Αυτή είναι υπερηχητική μηχανική πριν από το 1939-45. Αν η γεννήτρια MHD δεν συνδέεται, το φύλλο εκτόνωσης της εισόδου αέρα θα επέτρεπε στο αέριο, που ρέει με υπερηχητική ταχύτητα, να εισέλθει σε μεγαλύτερη ταχύτητα, σε μεγαλύτερο αριθμό Mach στο συμπιεστή: ανέφικτο (παρά το γεγονός ότι αυτές οι είσοδοι, που βρίσκονται σε απόσταση, έχουν την ιδιότητα να εμποδίζουν την επιστροφή των ραντάρ κυμάτων στα φύλλα και είναι έτσι "αόρατες" (βλέπε το δρόνο USA X-47A, τη φωτογραφία του, που ακατάλληλα επεξεργάστηκε από τον μοντέλο, στη σελίδα καλύψεως του βιβλίου μου).
Το X-47A δεξιά
Παρακάτω, το ίδιο μηχάνημα, ένας δρόνος, από πλευρά:
Το X-47A από πλευρά
Μπορεί κανείς να δει πολύ καθαρά τον τρόπο με τον οποίο η τοποθέτηση σε απόσταση της εισόδου αέρα εμποδίζει τα ραντάρ κύματα που πλήττουν τα φύλλα της τουρβομηχανής να επιστρέψουν (είναι αυτά που αποτελούν το μεγαλύτερο εμπόδιο όσον αφορά την αόρατη λειτουργία). Θα πρέπει να παρατηρήσει κανείς ότι αυτός ο δρόνος είναι σε μόνο ένα πρόβλημα. Πώς θα μπορούσε αυτή η είσοδος αέρα να λειτουργήσει σε υπερηχητική ταχύτητα; Φαίνεται από πρώτη ματιά αδύνατο. Αλλά τότε, αν είναι ένας δρόνος πολέμου (παρουσιάζεται ως τέτοιος από τους Αμερικανούς, αλλά χωρίς καμία λεπτομέρεια για τις επιδόσεις του), θα μπορούσε να είναι ακόμα και υπερ-ευέλικτος (παρά το γεγονός ότι η σωλήνα δεν φαίνεται "διανυσματική", δηλαδή με εκτόξευση προσανατολισμένη) ..... υποηχητικός; Το B2 αντιπροσωπεύει, πέρα από το διάσημο B-52, το κλειδί του Strategic Air Command της δεκαετίας του 1950, το πιο περίπλοκο μηχάνημα. Ωστόσο, το παρουσιάζουν ως υποηχητικό. Είναι αυτό πραγματικά; Αυτά τα προβλήματα δεν αντιμετωπίζονται καθόλου από τους αεροδυναμικούς δημοσιογράφους, και ο Μπερνάρ Θουανέλ είναι ένας από αυτούς. Ωστόσο, θα έπρεπε να τα θέσουν αυτά τα ερωτήματα.
Αλλά επιστρέφουμε στην "αποκωδικοποίηση" των υπερηχητικών Αμερικανών και του μυστικού της εισόδου αέρα που ελέγχεται από την MHD. Στη μεσαία εικόνα δείχνεται η εξέλιξη των επιφανειών Mach στην είσοδο αέρα, χωρίς τη συμμετοχή των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων J x B, που σχετίζονται με τη φυσική λειτουργία της παριστάμενης γεννήτριας MHD.
Εάν συνδυάσουμε αυτή τη φορά το αποτέλεσμα που προκύπτει από την παρουσία του φύλλου εκτόνωσης και την επιβράδυνση του αερίου από τις δυνάμεις Λαπλάς, μπορούμε, υπό την προϋπόθεση εξαιρετικής προσοχής (μεγάλες ποσότητες διατριβών διδακτόρων για τα τμήματα φυσικής που σήμερα βρίσκονται σε πλήρη κατάρρευση, λόγω έλλειψης νέων ιδεών), να επαναφέρουμε με την απαιτούμενη προοδευτικότητα αυτά τα χαρακτηριστικά, αυτές τις επιφάνειες Mach, εμποδίζοντας τη διασταύρωσή τους στη ροή, έτσι χωρίς την εμφάνιση σοκ-κυμάτων. Όταν αυτά τα χαρακτηριστικά είναι πλήρως επαναφερμένα, κάθετα στις γραμμές ροής του ρευστού, τότε έχεις κερδίσει: βρίσκεσαι σε υποηχητική ταχύτητα και μπορείς να στείλεις ασφαλώς αυτό το αέριο, επανασυμπιεσμένο αλλά χωρίς θέρμανση, προς τα φύλλα του συμβατικού τουρβοροκέτη του μηχανήματος. Έτσι, ο ίδιος κινητήρας χρησιμοποιείται για την απογείωση, την πτήση υπερηχητική μέχρι Mach 3,5 και την πτήση υπερηχητική σε Mach 12. Τι υπέροχο, δεν είναι; Το πιο φανταστικό είναι ότι η ενέργεια που απαιτείται για να επιβραδύνει το αέριο και να το φέρει σε την κατάλληλη πίεση στην είσοδο του τουρβοροκέτη παρέχεται... από αυτόν! Είναι μία ιδέα που υπήρχε ήδη σαφώς στη διατριβή του Μπερτράν Λεμπρούν, το 1986, και στις επόμενες επιστημονικές δημοσιεύσεις. Ωστόσο, δεν είμαι πολύ βέβαιος ότι τα άτομα της DGA (στρατιωτική) ή του ONERA (Εθνικός Οργανισμός Ερευνών και Μελετών Αεροδυναμικής) έχουν πλήρως κατανοήσει αυτή την ιδέα (όπου μιλάει ελαφρώς για "μείωση της αντίστασης σοκ-κύματος"). Αντίθετα, μετά την παρουσίαση της διατριβής, ο ερευνητής Μπερνάρ Φοντέν (πρώην από το Ινστιτούτο Μηχανικής Ρευστών όπου εργάστηκα από το 1965 έως το 1972, που στη συνέχεια έγινε διευθυντής του τμήματος Φυσικών Επιστημών του Μηχανικού στο CNRS) μου είπε τηλεφωνικά: "Δεδομένου ότι ο Λεμπρούν εργάστηκε μαζί μου, είναι άσκοπο να ελπίζει να βρει θέση σε κάποιο ερευνητικό εργαστήριο στη Γαλλία".
Κατά τη διάρκεια αυτού, η ισχυρή επίδραση Hall που σχετίζεται με τη λειτουργία της γεννήτριας σε χαμηλή πυκνότητα (πίεση περιβάλλοντος: ένα χιλιοστό μορίου) συνοδεύεται από τη δημιουργία ισχυρών τάσεων, οι οποίες φυσικά εφαρμόζονται στην ακμή επιφάνειας του μηχανήματος, δημιουργώντας ένα προστατευτικό πλάσμα (η πείραμα που αντιστοιχεί στη φωτογραφία του μοντέλου Ajax στην αεροδυναμική σωλήνα). Έτσι, μειώνονται οι θερμικές επιδράσεις του σοκ-κύματος κεφαλής. Αλλά αυτό δεν δημιουργείται συνεχώς. Πράγματι, κατά τη διάρκεια της πτήσης σε κοντινή απόσταση αυτού του υπερηχητικού μηχανήματος-πληροφορίας, αυτό αποκτά επιτάχυνση που το κάνει να αναπηδήσει στις υψηλές στρώσεις της ατμόσφαιρας, προς 120 χιλιόμετρα υψόμετρο, όπου ο αέρας είναι τόσο σπανιός που η ροή θερμότητας γίνεται αμελητέα. Το Aurora πετάει έτσι αναπηδώντας στις κάτω στρώσεις (όλα είναι σχετικά: 80 χιλιόμετρα υψόμετρο), πετώντας όπως ένα λίθος που αναπηδά "στην επιφάνεια της υψηλής ατμόσφαιρας". Έτσι, οι πιλότοι διαβαίνουν με εναλλαγές αυξημένου βάρους και στιγμών αδράνειας, κατά τη διάρκεια παραβολικών τ