לדוגמה, אילו היינו מטביעים דגם כזה כשהוא מצויד בזוג אלקטרודות אחד בלבד, הזוג המרכזי, ומקצרים אותו, הייתה נוצרת מעבר זרם, הנסגר במעגל בתוך הגז, שאפקטו היה האטה חזקה של הגז:
פרופיל כנף כזה, הטבול בגז מוליך חשמל היטב (או שהובא למצב מוליך חשמל), מתנהג כ"מחולל MHD" בעל הספק גבוה. זהו "ממיר MHD". מהיכן מגיעה האנרגיה? זו פשוט האנרגיה הקינטית של הזורם, וההספק המופק מלווה באובדן אנרגיה קינטית בזורם, בהאטה הטבעית שלו.
ב-1965 הפעלנו מחוללי חשמל MHD, תוך ביצוע המרה ישירה של אנרגיה קינטית של זורם ב"נחיר MHD מסוג פאראדיי". הגאומטריה שונה, אך העיקרון זהה. להלן תרשים של מחולל MHD פאראדיי, עם תעלת הזרימה שלו בחתך מרובע.
בתמונה הבאה, לאחר הסרת הסולנואידים, סידור האלקטרודות ה"מפולחות" (לצורך השגת פיזור טוב יותר של מעבר הזרם בתעלה).
בניסויים שערכנו בשנות השישים במכון למכניקה של זורמים במרסיי, הזרקנו לתעלה זו זרם ארגון ב-10,000°K, בלחץ של בר אחד, החודר במהירות של 2500 מטר לשנייה. מאחר שהשדה המגנטי הגיע ל-2 טסלה, השדה האלקטרומוטורי היה אפוא:
2500 x 2 = 5000 וולט למטר
מאחר שהמרחק בין זוג האלקטרודות הפונות זו לזו היה 5 ס"מ, מתח הפנים היה 250 וולט. היה צורך להפחית 40 וולט (מתח הקשור לתופעות דופן בסמוך לאלקטרודות), דהיינו 210 וולט.
מאחר שמוליכות החשמל של ארגון, כשהוא מחומם לטמפרטורה כזו, הייתה 3500 מהו למטר, התקבלה צפיפות זרם J = s E = s V x B = 735,000 אמפר למטר מרובע.
דהיינו 73.5 אמפר לסנטימטר מרובע. עבור אורך תעלה של 10 ס"מ ורוחב של 5 ס"מ (50 סמ"ר) הדבר נתן עוצמת זרם מרבית, בקצר, של 3675 אמפר.
כאשר האלקטרודות היו מקוצרות, ומאחר שעוצמת הזרם הייתה מרבית, כוח לפלס הנובע מכך היה עז דיו, כפי שהניסוי הראה, כדי להאט את הגז עד כדי יצירת גל הלם ישר, שהושג בלי שום מכשול אחר מלבד הכוח האלקטרומגנטי הזה.
הגז המגיע במהירות על-קולית אל פרופיל כנף עדשתי נושא אפוא אנרגיה משל עצמו, שאפשר לנצלה. האנרגיה שיש להוציא כדי לבטל את מערכת גלי ההלם הייתה אפוא האנרגיה שהוצאה להאצת הגז, סמוך לקצה ההתקפה וסמוך לקצה הזרימה, פחות זו שהופקה מהאטתו, הקשורה לפעולת זוג האלקטרודות המרכזי.
תוצאה זו הייתה מעניינת ביותר, שכן היא הראתה שהאנרגיה שיש לספק כדי לחסל גלים אלה נמוכה מכפי שאפשר היה לחשוב מלכתחילה. האובדן היה בעיקרו באפקט הג'ול. במקרה של מכונה מעופפת הנעה באוויר קר יהיה צורך להוסיף את האנרגיה המושקעת ביינון הגז בעזרת מיקרו-גלים, אנרגיה שגם אותה חישבנו.
כיצד פועלים כוחות לפלס על שיפוע גלי המאך?
זה פשוט מאוד. כאשר נחיר ה-MHD פועל, למשל, כמחולל, ולפיכך מאט את הזורם, הנה התפתחות גלי המאך בנחיר:
מדובר כאן בהאטה מתונה של הזורם. הגלים נראים נדחסים כמו חלקי אקורדיון. האלקטרודות "בהעמסה", מה שמגביל את צפיפות הזרם. אגב כך מובן כיצד האטה חזקה יותר יכולה להוליד גל הלם: כאשר היא מורידה את המהירות עד שהגז נוטה להפוך לתת-קולי. גלי המאך מתרכזים אז, כמו אקורדיון, מה שמצטבר להפרעות לחץ. אז נוצר גל ההלם, הנודד במהירות לעבר פתח הנחיר, ומתייצב לפני ה"סטרימר" הראשון (סילון זרם חשמלי היוצא מזוג האלקטרודות הראשון), כאילו זה היווה מעין מכשול בלתי-חומרי.
אם לעומת זאת מזריקים הספק חשמלי למערכת, הנחיר מתנהג כמאיץ MHD פאראדיי. גלי המאך נוטים לשכב:
האצת MHD זו גם היא הודגמה בשנות השישים, במעבדה שבה עבדתי. היא התגלתה כיעילה מאוד. מאחר שמהירות הכניסה לנחיר הייתה 2500 מ/ש, התקבלו מהירויות יציאה של יותר מ-8000 מטר לשנייה, דבר המהווה רווח מהירות של יותר מחמישה קילומטרים לשנייה על פני מרחק של בקושי עשרה סנטימטרים.
ניסויים אלה מראים את היעילות הרבה של פעולת ה-MHD על גז, אם יש לו שיעור יינון מספיק. לשם המידע, מוליכות חשמלית כזו (3500 מהו/מ) התאימה, בארגון, לשיעור יינון של 10-3 (אטום אחד מאלף הומר ליון).
באוויר קר יהיה צורך ליינן "מלאכותית", למשל על ידי חשיפת הגז שמסביב לשטף מיקרו-גלים בתדר של שלושה גיגה-הרץ, שאפקטו יהיה לתלוש אלקטרונים מן המרכיב הקל ביותר ליינון: תחמוצת החנקן NO. אפשר גם לשקול הזעה של מתכת אלקלית בעלת פוטנציאל יינון נמוך, כמו צזיום או נתרן.
ערכנו אפוא, לברן ואני, את כל החישובים הללו במסגרת עבודת דוקטורט שמומנה על ידי ה-CNRS, בשנות השמונים. תוצאת הסימולציות במחשב נתנה זרימה "מווסתת" לחלוטין, נטולת גלי הלם. באיור שלהלן הוצגו שתי משפחות גלי המאך.
עבודה תאורטית זו הושלמה בניסויי אנלוגיה הידראולית, תמיד עם אותה מערכת של שלושה זוגות אלקטרודות. אפשר היה לחסל את גלי החרטום והירכתיים. מאחר שמוליכות החשמל של מים מחומצנים הייתה נמוכה מדי, לא עמד אז על הפרק שימוש באנרגיית הזורם לשיפור מאזן האנרגיה. התוצאה זהה לזו שהוצגה לעיל. התוצאה היא שמתקבלת זרימה שבה הזורם נשאר "שטוח":
הקורא המתעניין יוכל למצוא כמה מן היסודות הללו בקומיקס שלי "חומת הדממה" (ראו תקליטור Lanturlu).
כיצד ליישם מחקרים אלה.
רעיונות אלה מושכים. הם פותחים פתח למכניקת זורמים על-קולית חדשה שבה, במקום לסבול גלי הלם כתופעות בלתי נמנעות, אפשר להיפך להימנע מהם.
הבעיה של ה-MHD היא היכולת לעבוד על גז בעל מוליכות חשמלית מספקת. בעשרים שנות עבודה obviously חקרנו את כל השאלות הללו. ב-1966 הייתי הראשון להשיג הפעלה של מחולל MHD "דו-טמפרטורי", במשטר יציב.
ערכנו גם ניסויים רבים בתווך מדולל (אוויר בלחץ של 10-1 מ"מ כספית).
- כליאת פלזמה בדפנות
- הנחיית "סטרימרים" (זרמים ספירליים)
- חיסול אי-היציבות של וליחוב (הודעה בכינוס ה-MHD במוסקבה)
- חקר יינון האוויר באמצעות תדר גבוה (1 מגה-הרץ)
בהזדמנות אחרת אסביר באתר את הניסויים והפרספקטיבות השונים הללו. לעת עתה, נראה כיצד אפשר היה לממש את ניסוי חיסול גלי ההלם סביב פרופיל עדשתי.
לשם כך יש להצטייד במנהרת רוח המספקת שטף גז בטמפרטורה גבוהה (ארגון ב-10,000°K). הדבר אפשרי באמצעות מכשיר שפותח עוד לאחר המלחמה (אך נשכח כיום): "צינור ההלם".
במה מדובר?
כדי להסביר את פעולתה של "מנהרת הרוח בגל הלם" נפנה שוב לאנלוגיה ההידראולית. נדמיין, למשל, שנבנה תעלה ישרה ברוחב קבוע, מדיקט. רוחב: 10 ס"מ. אורך: כמה מטרים. הנה התרשים: