La línea punteada representa la región donde el fluido comienza a separarse para dejar paso al objeto.
En régimen supersónico, estas ondas sonoras ya no pueden "informar al fluido" antes de que el objeto llegue. El gas queda así "sorprendido" y su reacción consiste en formar ondas de choque. La idea, por tanto, era encontrar un medio para actuar a distancia, aguas arriba del objeto, para manipular el gas y obligarlo a ceder espacio.
Una primera solución se refiere a la penetración de un perfil de ala en aire a velocidad supersónica. Se sabe que el efecto del impacto de este objeto sobre el aire provoca un frenado brusco. Parecía, pues, lógico facilitar el flujo gaseoso a lo largo del perfil, cerca del borde de ataque, al mismo tiempo que se iniciaba el frenado del gas aguas arriba. Esto es posible aplicando un campo magnético perpendicular al plano de la figura, colocando dos electrodos parietales, como se indica. Las líneas de corriente eléctrica que fluyen en el gas se indican. Como resultado, surge una fuerza de Laplace (fuerza de Lorentz, para los angloparlantes), que obedece a la "regla de los tres dedos".
A continuación, la forma general del campo de fuerzas electromagnéticas, perpendiculares a las líneas de corriente eléctrica.
Así se gana en tres aspectos:
- Delante del objeto, se comienza a frenar el fluido aguas arriba.
- Se inicia un movimiento de separación del fluido.
- Se facilita su flujo a lo largo de la pared.
La fuerza electromagnética por unidad de volumen es J B, donde B es la intensidad del campo magnético, expresada en teslas (un tesla equivale a diez mil gauss), y J es la densidad de corriente eléctrica, en amperios por metro cuadrado. La fuerza se expresa entonces en newtons por metro cúbico.
Una intensidad simplemente de un amperio por centímetro cuadrado (diez mil amperios por metro cuadrado), combinada con un campo de 10 teslas, daría una fuerza de diez toneladas por metro cúbico de gas, suficiente para imponer al flujo los efectos deseados.
La fuerza es más intensa cerca de los electrodos, donde la corriente se concentra y la densidad de corriente es máxima.
El problema obviamente consiste en hacer pasar una corriente eléctrica de esta magnitud a través de un medio que, a temperatura ambiente, es un excelente aislante: el aire. Abordaremos este problema más adelante.
En un primer momento, en 1976, optamos por simulaciones basadas en experimentos de hidráulica. El fluido era agua acidulada (para hacerla más conductora de electricidad). Quedaba por dimensionar la experiencia. Disponíamos de una instalación de campo magnético que generaba un tesla en unos pocos centímetros cúbicos. La velocidad del flujo era de 8 cm por segundo. Dado que la densidad del agua es de 1000 kg/m³, fue posible calcular el valor mínimo de J tal que el parámetro de interacción:
donde L es una dimensión característica del modelo.
La anulación de la onda de proa se logró en el primer intento (1976). Trabajamos con modelos lentícolas, pero los primeros ensayos se realizaron sobre un modelo cilíndrico, sobre el cual se obtenía una onda de proa que simulaba una onda de choque desprendida, estableciéndose a distancia de un obstáculo cilíndrico:
Siempre con un campo magnético perpendicular al plano de la figura, la anulación de la onda de proa se logró mediante dos electrodos colocados como se indica en la figura. También se representa la disposición de las piezas polares del electroimán. Diámetro del modelo: 7 mm. Anchura de los electrodos incrustados en la pared: 2 mm.
La figura anterior muestra las ondas en ausencia de fuerzas electromagnéticas, y la siguiente, tras la anulación de la onda frontal.
Las fuerzas de Laplace, debidas al paso de corriente a través del agua acidulada, combinadas con el campo magnético transversal, corresponden a la figura siguiente:
Estas fuerzas son particularmente intensas cerca de los electrodos, donde la corriente se concentra (densidad de corriente J máxima). Agua arriba, producen un frenado del fluido. Pero este campo de fuerzas no es adecuado para provocar la anulación total del sistema de ondas. En los experimentos realizados con un obstáculo cilíndrico provisto de una sola pareja de electrodos, estas ondas simplemente se concentraban aguas abajo del modelo. Sin embargo, como se indica en la figura, era suficiente para crear una depresión en el "punto de parada", demostrando que un sistema así podría usarse además para propulsión MHD.
La supresión de todo el sistema de ondas puede asegurarse, como se pudo verificar, siempre mediante estas simulaciones hidráulicas, alrededor de un modelo lentícola, utilizando esta vez tres pares de electrodos. En efecto, si se refiere a una figura anterior, se observa que la aparición de las ondas de Mach se debe al superposición de ondas de Mach en dos regiones, aguas arriba y aguas abajo.
Fue la primera vez (tesis doctoral de Bertrand Lebrun) que se introdujo el concepto clave de regularización de un flujo supersónico mediante las fuerzas de Laplace, imponiendo alrededor de un modelo un sistema de ondas de Mach paralelas:
La segunda familia de características, las ondas de Mach, no se han representado.
Por tanto, son necesarias tres acciones:
-
Evitar que las ondas de Mach se enderecen cerca del borde de ataque del modelo, acelerando el fluido en esa región.
-
Evitar que se apliquen (en "el abanico de expansión") sobre los costados del mismo.
-
Finalmente, acelerar nuevamente cerca del borde de salida.
De ahí un sistema de tres electrodos parietales:
El campo magnético era perpendicular al plano de la figura, pero para crear el campo de fuerzas adecuado, fue necesario (en las simulaciones realizadas en ordenador) "esculpirlo", lo cual habría sido factible utilizando varios solenoides conjugados. Cerca de los electrodos, las fuerzas de Laplace se disponían esquemáticamente como a continuación:
La tesis de Lebrun (publicación en el 7º Coloquio Internacional de MHD de Tsukuba, Japón, y en el 8º Coloquio Internacional de Pekín, 1990, así como en la revista The European Journal of Physics) demostró la viabilidad teórica de la operación. Este resultado es interesante por más de un motivo. En efecto, cuando se acelera el fluido, se le proporciona energía, mientras que cuando se frena, es él quien la suministra. ¿Por qué? Porque el desplazamiento del fluido a lo largo del modelo a velocidad V implica una fuerza electromotriz V × B. Esta fuerza tiende a crear una densidad de corriente J = σ (V × B), donde σ es la conductividad eléctrica...