MHD y anulación de ondas de choque
Anexo 1: MHD
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1 - Generalidades sobre el concepto de anulación de ondas de choque
Este concepto fue introducido a principios de los años 70. Posteriormente, el gobierno estadounidense comprendió que la MHD podía jugar un papel importante en los proyectos militares futuros. Al mismo tiempo, los científicos estadounidenses comprendieron que la MHD tenía que ver con el vuelo hipersónico. Decidieron desinformar al público. Oficialmente, en Estados Unidos, la MHD fue abandonada. La MHD civil fue abandonada. Los grandes proyectos industriales fueron abandonados. Pero en paralelo, comenzó un esfuerzo intenso, en el más absoluto secreto, sobre la MHD militar. Esta realidad fue descubierta muy recientemente (2001). El lector es libre de creer o no en esta información. Fuimos informados de lo que sucedió en Estados Unidos entre 1970 y la actualidad por científicos estadounidenses de alto nivel involucrados en programas secretos negros, concentrados en la zona 51. El único argumento a favor de esta afirmación se basa en fundamentos científicos. Incluso hoy en día, la gente ignora muchas características muy importantes relacionadas con la MHD aplicada a flujos gaseosos supersónicos, lo que permitió un salto fantástico y fundamental en Estados Unidos a mediados de los años 70. Treinta años después de haber dominado el mundo gracias a tecnologías avanzadas en muchos ámbitos (militares), incluido el vuelo hipersónico de larga duración, hasta Mach 12.
No sé quién leerá este anexo, cuya lectura requiere conocimientos avanzados en mecánica de fluidos supersónicos, teoría de características y MHD. Se publicó un muy buen libro en 1967, titulado "Engineering Magnetohydrodynamics"; Sutton y Sherman, Mac Graw Hill Books Company.
Expongamos ahora algunos conceptos básicos.
En un flujo supersónico, podemos considerar las "líneas de Mach":
Líneas de Mach (o superficies de Mach) en un flujo supersónico
El ángulo de estas líneas de Mach depende del valor local de la velocidad.
Efecto del aumento de la velocidad en el ángulo de Mach
Si consideramos un flujo supersónico, las líneas de Mach, o "líneas características", son reales. Ellos mapean el flujo. Luego, una tobera de prueba supersónica en 2D (soplador supersónico).
En la sección convergente, el fluido está en régimen subsónico. Desde el punto de vista matemático, las líneas características (las superficies de Mach) son imaginarias. La velocidad del sonido se alcanza en la garganta de la tobera. Luego, las superficies de Mach se vuelven reales. Podemos visualizarlas:
Evolution de las superficies de Mach, o líneas de Mach, en una tobera supersónica.
En la tobera, la velocidad aumenta continuamente. Al mismo tiempo, el ángulo de Mach disminuye (es igual a 90° en la sección de la garganta). Esto corresponde a la "variación natural" del sistema de superficies de Mach, debido a la expansión de un flujo supersónico.
Ahora, consideremos un flujo supersónico bidimensional alrededor de un ala plana. Podemos calcular el sistema teórico de las líneas de Mach, utilizando la teoría de las características:
Líneas características teóricas alrededor de un ala plana sumergida en un flujo gaseoso supersónico.
No es físico. Es "puro matemático" (una solución de un "sistema característico"). Muestra cómo las superficies características se chocan, se acumulan en ciertos puntos. Son superficies elementales de variación de presión. En el medio del flujo, vemos un haz de expansión clásico, donde la presión disminuye y el gas se acelera. Pero en otras regiones, vemos cómo las superficies de Mach se acumulan y tienden a dar ondas de choque adheridas. La siguiente figura corresponde a una solución físicamente real, con ondas de choque adheridas:
Condiciones físicas con ondas de choque oblicuas planas adheridas.
Luego: estas ondas de choque planas adheridas.
Luego: estas ondas planas, más las líneas de corriente.
Si el borde de ataque es afilado, las ondas frontales están adheridas. Ver detalle:
Onda de choque frontal adherida cerca del borde de ataque de un ala plana
Si el borde de ataque es redondeado, la situación es algo diferente. La onda de choque se parece a una onda de choque de tipo "arco".
Onda de choque en el borde de ataque redondeado.
Desde el punto de vista clásico, estas ondas de choque no se pueden evitar. Corresponden a saltos de presión y temperatura. Cuando el número de Mach excede 3, los materiales no soportan el flujo térmico y se evaporan. En los "scramjets", se enfría el borde de ataque con hidrógeno líquido y oxígeno, lo que permite alcanzar vuelos de corta duración a Mach 5-6. Pero el vuelo hipersónico (Mach 12) se considera imposible, desde el punto de vista tecnológico. En 1947, el fenómeno OVNI planteó una pregunta extraña: ¿es posible alcanzar tales números de Mach elevados? En Roswell, los estadounidenses recuperaron una máquina estrellada, lo que inmediatamente demostró dos cosas:
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Los OVNI eran definitivamente reales
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Venían de otros sistemas planetarios.
Se decidió mantener un secreto total sobre esto. Una política intensa y activa de desinformación se estableció en Estados Unidos, que aún está en vigor. Por ejemplo, la NASA explica en su sitio oficial que los OVNI no son otra cosa que una ilusión, casi 50 años después. Tomó tiempo a los estadounidenses comprender que la MHD era la clave, la palabra maestra del vuelo hipersónico (y silencioso). El vuelo silencioso de los OVNI mostraba que las ondas de choque (y la turbulencia) se evitaban. Para ilustrar esto, nos referimos a los trabajos personales del autor (desarrollados durante las décadas de 1960 y 1970). Estas investigaciones se llevaron a cabo con equipos de laboratorio bastante modestos, comparados con el esfuerzo colosal estadounidense, oculto en fábricas subterráneas de la zona 51. Pero esto será suficiente para mostrar las ideas básicas. En la figura siguiente, un "convertidor lineal MHD de Faraday" con su canal MHD y sus dos bobinas.
Convertidor MHD de Faraday
Si retiramos las dos bobinas, obtenemos esto:
Canal de Faraday (las bobinas han sido retiradas)
Aquí, el convertidor actúa como un generador MHD. El flujo supersónico entra en el canal a la velocidad V, lo que genera un campo eléctrico inducido E × B. Este último produce una corriente eléctrica en el gas, que circula a través de cargas externas, representadas. Una parte de la energía cinética del gas puede convertirse en electricidad. Esto se traduce en un frenado del gas. El sistema compuesto por la velocidad, el campo eléctrico y la fuerza de Lorentz resultante se ilustra a continuación:
Campo eléctrico y campo de fuerza de Lorentz en un generador MHD.
La fuerza de Lorentz obedece a la "regla de los tres dedos":
Esta primera idea es muy importante. En efecto, vemos que el acelerador MHD frena un fluido supersónico. Si se gestiona convenientemente, podemos imaginar que los parámetros del fluido pueden modificarse de manera "suave", sin nacimiento de onda de choque. Esa es la idea clave del concepto de vuelo hipersónico, como veremos más adelante. Luego, mostramos el patrón característico de las líneas de Mach en un generador MHD. El ángulo de Mach varía continuamente y no se produce ninguna onda de choque.
Modificación sin onda de choque del sistema de líneas de Mach, debido a la acción de la fuerza de Lorentz
Es una idea muy simple, pero fue considerada como secreto absoluto durante mucho tiempo en todo el mundo. Por otro lado, un convertidor MHD puede utilizarse como acelerador. Para ello, basta con inyectar energía eléctrica para invertir la corriente eléctrica y obtener fuerzas de Lorentz aceleradoras. Así, podemos modificar el valor local del ángulo de Mach. En mi laboratorio, en 1967, obtuvimos aceleraciones muy impresionantes en distancias muy cortas.
El gas entra en el canal por la izquierda y las fuerzas de Lorentz lo aceleran.
Demostremos que no era un sueño. Aquí está mi laboratorio MHD de los años 60 en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella, Francia.
Mi laboratorio MHD de los años 60. Frente: electrodos. A la izquierda, un osciloscopio de tubos de vacío Tektronix antiguo. Debajo: el convertidor de Faraday con sus bobinas suspendidas. Además, un "ignitron" utilizado para conmutar la corriente eléctrica de 50.000 amperios producida por un banco de condensadores.
Se trataba de una "sopladora de corta duración" basada en un "tubo de choque". Un flujo de argón impulsado por un choque (200 microsegundos) fue empujado en una sopladora de sección constante de 6 metros de largo. El gas fue desplazado y comprimido (presión después de la compresión: 1 bar). El gas se calentó hasta 10.000 °K, lo que proporcionó una muy buena conductividad eléctrica (3000 mhos/m). La velocidad del gas a la entrada del canal MHD era de 2.750 m/s. Este último medía 10 cm de largo. Durante los experimentos de aceleración, la velocidad de expulsión alcanzaba 8.000 m/s, lo que demostraba la extraordinaria eficacia de las fuerzas de Lorentz para acelerar con un campo magnético elevado (2 teslas) y altas densidades de corriente eléctrica. Luego, la eficacia clásica de la MHD:
Eficiencia MHD. J es la densidad de corriente eléctrica, B es el campo magnético, L es una longitud característica, a continuación: la densidad de masa y v la velocidad.
A principios de los años 80, un ingeniero francés, Bertrand Lebrun, comenzó una tesis conmigo. Definí la idea básica del vuelo supersónico sin onda de choque. Se trataba de una investigación civil, pero sabemos que investigaciones similares se llevaban a cabo en secreto en el famoso Laboratorio Lawrence Livermore, en California, en el mismo momento. Ya presentamos el patrón general de las líneas de Mach asociadas al flujo supersónico teórico alrededor de un ala plana. Vimos que podíamos modificar el valor local del ángulo de Mach mediante una elección adecuada del campo de fuerza de Lorentz. Por ejemplo, podemos acelerar el flujo alrededor del borde de ataque utilizando un campo magnético transversal y dos electrodos de pared, como sigue:
Electrodos de aceleración, cerca del borde de ataque
Luego, el campo de fuerza de Lorentz correspondiente:
Campo de fuerza de Lorentz
Con tal dispositivo, era posible anular la onda de choque frontal cerca de un borde de ataque afilado, lo que mostraba que un sistema de ondas de choque podía evitarse. Esto transformó profundamente el problema del vuelo hipersónico. El nuevo objetivo era anular las ondas de choque alrededor de un ala plana, lo que implicaba mantener las líneas de Mach paralelas:
Tesis de Lebrun: el objetivo
Tres pares de electrodos de pared se dispusieron en el modelo de ala plana:
Tesis doctoral de Lebrun (1987)
Arriba: patrón idealizado de las líneas características (líneas de Mach o superficies de Mach). Si se podía aplicar un campo de fuerza de Lorentz adecuado alrededor del modelo, se esperaba que se evitara un fenómeno de focalización de las líneas características. Esto fue demostrado mediante cálculos informáticos y presentado en varios congresos internacionales de MHD (Tsukuba, Japón, Pekín, China, ver bibliografía y artículos citados). El patrón general de las líneas de Mach se convierte en el siguiente:
Tesis de Lebrun. Líneas características.
Este trabajo se realizó en un laboratorio civil, pero sabemos que, al mismo tiempo, los estadounidenses hacían lo mismo en un absoluto secreto. En Francia, las autoridades estaban aterrorizadas ante la idea de que tales resultados pudieran revelar la naturaleza extraterrestre de los OVNI, y se volvieron locas de ira. Toda la investigación civil fue detenida. El ejército intentó continuar esta investigación en sus laboratorios secretos, por su cuenta, pero fracasó debido a su falta de conocimientos. Mientras tanto, los proyectos estadounidenses experimentaron una aceleración muy fuerte. Se llevaron a cabo investigaciones paralelas intensivas sobre torpedos y propulsión submarina. Para no molestar la mente del lector, hablaremos de ello más tarde.
Bibliografía :
(1) J.P. Petit : « ¿Es posible el vuelo supersónico? » Octava Conferencia Internacional sobre Generación de Electricidad por MHD. Moscú, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun : « Anulación de ondas de choque en un gas por acción de la fuerza de Lorentz ». Novena Conferencia Internacional sobre Generación de Electricidad por MHD. Tsukuba, Japón, 1986.
(3) B. Lebrun & J.P. Petit : « Anulación de ondas de choque por acción MHD en flujos supersónicos. Análisis cuasi-unidimensional estacionario y bloqueo térmico ». Revista Europea de Mecánica, B/Fluidos, 8, n°2, pp.163-178, 1989.
(4) B. Lebrun & J.P. Petit : « Anulación de ondas de choque por acción MHD en flujos supersónicos. Análisis estacionario bidimensional no isentrópico. Criterio anti-choque, y simulaciones de tubos de choque para flujos isentrópicos ». Revista Europea de Mecánica, B/Fluidos, 8, pp.307-326, 1989.
(5) B. Lebrun : « Enfoque teórico de la supresión de ondas de choque que se forman alrededor de un obstáculo afilado colocado en un flujo de argón ionizado ». Tesis de Energética n° 233. Universidad de Poitiers, Francia, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit : « Análisis teórico de la anulación de ondas de choque por un campo de fuerza de Lorentz ». Simposio Internacional de MHD, Pekín, 1990.