En
analogía hidráulica, la propagación de una onda de choque recta será equivalente
a la de una "ola rompiente". ¿Cómo la crearemos?
Basta con colocar una pequeña altura de agua en la parte B y una altura
mayor de agua en la parte A. En el tanque de expansión: nada, ni una gota de agua. En corte:
Todo
está listo para la prueba. Se retira rápidamente la barrera de la compuerta.
La masa de agua coloreada (por ejemplo con fluoresceína) irrumpirá en el canal,
aguas abajo. Obtendremos lo siguiente:
¿Qué observamos?
El inicio de una ola rompiente, de un frente de onda líquido,
que pone en movimiento el agua incolora. Pero el frente de onda se desplaza
más rápido que el agua misma.
Hacia
aguas abajo, comienza una onda de expansión, pero más "suave".
No es una onda de choque.
Poco
tiempo después, la situación es la siguiente:
La
onda de rarefacción alcanza el fondo del "tanque". La distancia entre el agua clara
"empujada", puesta en movimiento, y la interfaz ha aumentado. Por tanto,
disponemos de una ráfaga aprovechable, donde el agua limpia ha sido puesta
en movimiento y, por tanto, su altura ha aumentado (analogía hidráulica de la presión
en un gas). Podremos, pues, "trabajar" sobre esta ráfaga. Posteriormente, la onda
de rarefacción se refleja en el fondo del tanque y tiende rápidamente a alcanzar
el conjunto interfaz-frente de onda.
Se
observa que si hubiéramos colocado en la pared una "ventana de observación",
habríamos visto pasar, durante el "tiempo de ráfaga", esta masa de agua pura, puesta
en movimiento. Todo esto se puede leer en un "diagrama x, t":
Aquí
tenemos la imagen análogamente fiel del funcionamiento de un "tubo de choque".
Basta con sustituir la compuerta por una "cámara de alta presión".
La barrera de la compuerta, accionada manualmente, será un diafragma de cobre que se abrirá cuando la presión alcanzada (usando una cámara de combustión) sea suficiente. El canal de prueba se convierte en un tubo de prueba, de sección constante, inicialmente lleno de argón a baja
presión (13 mm de mercurio). En cuanto al tanque de expansión, es simplemente un depósito de vacío, de forma cualquiera. La barrera de papel será sustituida por una membrana de milar, que cederá cuando la onda de choque la alcance. A continuación, la forma esquemática de la instalación:
Longitud
de la cámara de alta presión: un metro cuarenta. Diámetro (el mismo que el de la corriente de prueba): 5,6 cm. Longitud de la corriente de prueba: seis metros. Abajo, la membrana de cobre rojo, fragilizada mediante rayas, y la forma en que se abre formando cuatro pétalos, permitiendo el paso libre al gas quemado. La cámara de alta presión está llena de una mezcla H2 + 1/2 O2 más helio como diluyente. El depósito de expansión es simplemente un bidón suficientemente resistente para poder hacer el vacío. La instalación se completa con diferentes bombas de vacío, de paletas, que se encuentran fácilmente de segunda mano y que alcanzan un vacío inferior a 10-2 mm de mercurio (10-2 torr), así como con válvulas herméticas al vacío. Añadir una batería de botellas que suministren hidrógeno, oxígeno, helio, y por supuesto argón.
La
mezcla gaseosa combustible se enciende mediante un sistema de bujías conectadas a una fuente de alta tensión. Dado que este sistema genera interferencias electromagnéticas, todo el conjunto de alta presión está encerrado en una jaula de Faraday (montantes de madera y rejilla de cobre, malla de 1 mm). Rustica, pero eficaz. Los seis metros de argón a baja presión se convierten en una columna de gas comprimido (1 bar) y caliente (10.000°K) de unos veinte
centímetros de longitud. Esta es inmediatamente seguida por "los gases quemados", es decir, una mezcla de vapor de agua
y helio.
Así
queda la parte "soplador" de ráfaga caliente.
En
la corriente donde se realizarán las mediciones y se llevará a cabo
la experiencia propiamente dicha (MHD), la sección es cuadrada (5 cm
por 5 cm). Por tanto, será necesario intercalar una pieza, delicada de
mecanizar, que permita pasar de una sección circular a una sección cuadrada:
Las
"toberas MHD" pueden fabricarse en plexiglás
(con partes pegadas) o en plástico laminado (resistencia),
provistas de una ventana óptica de buena calidad. Aunque la temperatura del argón sea elevada, no daña las piezas de la tobera, dado el corto tiempo de la ráfaga (ochenta millones de segundos).
Para
crear un campo magnético transversal se utilizarán dos solenoides,
dispuestos como se muestra a continuación:
En
el dibujo siguiente, se ha quitado uno de los solenoides para mostrar
la disposición del modelo (perfil de ala lenticular):
El
volumen de la tobera MHD, incluido el espacio ocupado, es del orden de un litro,
y el campo magnético que se debe crear debe alcanzar 20.000 gauss (2 teslas),
por lo que será necesario hacer pasar por las bobinas de los solenoides una corriente muy intensa (50.000 amperios). Una corriente de tal magnitud tiende a hacer explotar estos solenoides, no debido al efecto Joule,
sino simplemente debido a las fuerzas J × B que actúan en las bobinas mismas. Será necesario dotar a las bobinas de cobre rojo de un tipo de "corsé", por ejemplo con fibra de vidrio incrustada en araldita.
Dado que la experiencia propiamente dicha (la interacción MHD) es de corta duración, una solución económica para generar tales corrientes consiste en utilizar una batería de condensadores que se descarguen en esta bobina (descarga oscilante). Basta con sincronizar todo de tal manera que la experiencia (en el momento del paso de la ráfaga de argón caliente) se produzca en un momento en que el campo B es prácticamente estacionario (periodo de la descarga: 5 milisegundos).
Dibujo
siguiente: el soplador de onda de choque equipado para experimentos MHD, tal como se presentaba en mi laboratorio en los años sesenta.
Los
condensadores se cargaban a 5 kV. Una batería de condensadores más modesta sirve entonces para alimentar las electrodos del modelo de prueba.
Problema:
¿cómo conmutar 50.000 amperios? Respuesta: utilizando un viejo ignitron de locomotora eléctrica (diseñado para conmutar 2000 amperios, pero suficientemente costoso para resistir cientos de pruebas con una intensidad 25 veces mayor). El ignitron es bien conocido por los especialistas en electricidad de potencia.