Anexo 1: MHD
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1 - Generalidades sobre el concepto de anulación de ondas de choque
Esto fue introducido a principios de los años setenta. Luego, 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 relación 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, al mismo tiempo, se inició un esfuerzo intenso, en el más absoluto secreto, sobre la MHD militar. Esto fue descubierto 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 sobre esto se basa en fundamentos científicos. Incluso hoy en día, la gente ignora aún muchas características muy importantes sobre la MHD aplicada a flujos gaseosos supersónicos, lo que permitió un salto fantástico y fundamental en Estados Unidos a mediados de los años setenta. Treinta años después de haber dominado el mundo gracias a tecnologías avanzadas en muchos (militares) campos, 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. Un muy buen libro fue publicado en 1967, titulado "Engineering Magnetohydrodynamics"; Sutton y Sherman, Mac Graw Hill Books Company.
Presentemos 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 sobre 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 2D (soplador supersónico).
En la sección convergente, el fluido está en régimen subsónico. Desde un 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 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 mediante la teoría de 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"). Esto muestra cómo las superficies características se encuentran, se acumulan en ciertos lugares. Son superficies elementales de variación de presión. En el medio del flujo, vemos un abanico 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 producir ondas de choque adheridas. La siguiente figura corresponde a una solución físicamente real, con ondas de choque adheridas subsiguientes:
Condiciones físicas con ondas de choque planas adheridas.
Luego: estas ondas de choque planas adheridas.
Luego: estas ondas planas, más las líneas de corriente.
Si el borde de ataque es agudo, 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 ola.
Onda de choque en el borde de ataque redondeado.
Desde un punto de vista clásico, estas ondas de choque no pueden evitarse. Corresponden a saltos de presión y temperatura. Cuando el número de Mach se vuelve superior a 3, los materiales no soportan el flujo de calor y se vaporizan. En los "scramjets", se enfría el borde de ataque con hidrógeno y oxígeno líquidos, lo que permite alcanzar vuelos de corta duración a Mach 5-6. Pero el vuelo hipersónico (Mach 12) se considera imposible, sobre bases tecnológicas. En 1947, el fenómeno de los OVNIs 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 OVNIs eran definitivamente reales
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Venían de otros sistemas planetarios.
Se decidió mantener un secreto total al respecto. Se estableció una política intensa y activa de desinformación en Estados Unidos, que sigue vigente. Por ejemplo, la NASA explica en su sitio oficial que los OVNIs no son otra cosa que una ilusión, casi cincuenta 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 OVNIs 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 los sesenta y setenta). Esta investigación se llevó 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, ilustradas. Una parte de la energía cinética del gas puede convertirse en electricidad. Esto va acompañado de la disminución de la velocidad del gas. El sistema de velocidad, campo eléctrico y fuerza de Lorentz consecuente se muestra 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 la aparición de ondas de choque.
Esta es la idea clave del concepto de vuelo hipersónico, como veremos más adelante. A continuación, mostramos el patrón característico de las líneas de Mach en un generador MHD. El ángulo de Mach cambia 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 un período muy largo 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 una distancia muy corta.
El gas entra en el canal por la izquierda y las fuerzas de Lorentz lo aceleran.
Mostremos que no era un sueño. A continuación, mi laboratorio MHD de los años sesenta en el Instituto de Mecánica de Fluidos de Marsella, Francia.
Mi laboratorio MHD de los años sesenta. 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.
Era una "sopladora de corta duración" basada en una "tobera 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 fue calentado hasta 10 000 K, lo que proporcionaba una excelente conductividad eléctrica (3000 mhos/m). La velocidad del gas en 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 salida alcanzaba 8 000 m/s, lo que demostraba la extraordinaria eficacia de las fuerzas de Lorentz para la aceleración con un campo magnético elevado (2 teslas) y altas densidades de corriente eléctrica. A continuación, la eficacia clásica MHD:
Eficiencia MHD. J es la densidad de corriente eléctrica, B es el campo magnético, L es una longitud característica; abajo: la densidad de masa y v la velocidad.
A principios de los años ochenta, un ingeniero francés, Bertrand Lebrun, comenzó una tesis doctoral conmigo. Definí la idea básica del vuelo supersónico sin ondas de choque. Se trataba de una investigación civil, pero sabemos que en ese momento se llevaban a cabo investigaciones similares en secreto en el famoso Laboratorio Lawrence Livermore, en California. Ya hemos presentado 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
A continuación, 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 cambió 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 colocaron en el modelo de ala plana:
Tesis doctoral de Lebrun (1987)
Arriba: el patrón idealizado de las líneas características (líneas de Mach o superficies de Mach). Si se pudiera aplicar un campo de fuerza de Lorentz adecuado alrededor del modelo, se esperaba que se pudiera evitar un fenómeno de concentración de las líneas características. Esto fue demostrado mediante cálculos informáticos y presentado en varios congresos internacionales sobre MHD (Tsukuba, Japón, Pekín, China, ver bibliografía y artículos citados). El patrón general de las líneas de Mach se convierte en el siguiente:
Tesis doctoral 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 secreto de alto nivel. En Francia, las autoridades estaban aterrorizadas ante la idea de que tales resultados pudieran revelar la naturaleza extraterrestre de los OVNIs y estaban furiosas. Toda investigación civil fue detenida. El ejército intentó continuar esta investigación en sus laboratorios secretos, por su cuenta, pero falló 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 de submarinos. 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 ». European Journal of Mechanics ; B/Fluids, 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 no isentrópico bidimensional. Criterio anti-choque, y simulaciones de tubo de choque para flujos isentrópicos ». European Journal of Mechanics, B/Fluids, 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 sobre MHD, Pekín, 1990.
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