MHD e annullamento delle onde d'urto

Allegato 1: MHD

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1 - Generalità sul concetto di annullamento delle onde d'urto

Questo concetto è stato introdotto all'inizio degli anni '70. Successivamente, il governo americano ha capito che la MHD poteva giocare un ruolo importante nei progetti militari futuri. Nello stesso tempo, i ricercatori americani hanno capito che la MHD aveva a che fare con il volo ipersonico. Hanno deciso di disinformare il pubblico. Ufficialmente, negli Stati Uniti, la MHD è stata abbandonata. La MHD civile è stata abbandonata. I grandi progetti industriali sono stati abbandonati. Ma parallelamente, è iniziato un intenso sforzo, nel massimo segreto, sulla MHD militare. Questa realtà è stata scoperta molto recentemente (2001). Il lettore è libero di credere o meno a questa informazione. Siamo stati informati di ciò che è accaduto negli Stati Uniti tra il 1970 e oggi da ricercatori americani di alto livello coinvolti in programmi segreti neri, concentrati nella zona 51. L'unico argomento a sostegno di questa affermazione si basa su basi scientifiche. Anche oggi, le persone ignorano ancora molte caratteristiche molto importanti relative alla MHD applicata ai flussi gassosi ipersonici, il che ha permesso un salto fantastico e fondamentale agli Stati Uniti a metà degli anni '70. Trent'anni dopo aver dominato il mondo grazie a tecnologie avanzate in molti settori (militari), incluso il volo ipersonico di lunga durata, fino a Mach 12.

Non so chi leggerà questa appendice, la cui lettura richiede conoscenze avanzate di meccanica dei fluidi ipersonici, teoria delle caratteristiche e MHD. Un libro molto buono è stato pubblicato nel 1967, intitolato "Engineering Magnetohydrodynamics"; Sutton e Sherman, Mac Graw Hill Books Company.

Esponiamo ora alcuni concetti di base.

In un flusso ipersonico, possiamo considerare le "linee di Mach":

Linee di Mach (o superfici di Mach) in un flusso ipersonico

L'angolo di queste linee di Mach dipende dal valore locale della velocità.

Effetto dell'aumento della velocità sull'angolo di Mach

Se consideriamo un flusso ipersonico, le linee di Mach, o "linee caratteristiche", sono reali. Esse mappano il flusso. Successivamente, un ugello di prova ipersonico in 2D (galleria del vento ipersonica).

Nella sezione convergente, il fluido è in regime subsonico. Dal punto di vista matematico, le linee caratteristiche (le superfici di Mach) sono immaginarie. La velocità del suono viene raggiunta nella gola dell'ugello. Successivamente, le superfici di Mach diventano reali. Possiamo visualizzarle:

Evolvere delle superfici di Mach, o linee di Mach, in un ugello ipersonico.

Nell'ugello, la velocità aumenta continuamente. Nello stesso tempo, l'angolo di Mach diminuisce (è uguale a 90° nella sezione della gola). Questo corrisponde alla "variazione naturale" del sistema delle superfici di Mach, dovuta all'espansione di un flusso ipersonico.

Ora, consideriamo un flusso ipersonico bidimensionale intorno a un'ala piana. Possiamo calcolare il sistema teorico delle linee di Mach, utilizzando la teoria delle caratteristiche:

Linee caratteristiche teoriche intorno a un'ala piana immersa in un flusso gassoso ipersonico.

Non è fisico. È "puro matematico" (una soluzione di un "sistema caratteristico"). Mostra come le superfici caratteristiche si scontrino, si accumulino in alcuni punti. Sono superfici elementari di variazione di pressione. Al centro del flusso, vediamo un fascio di espansione classico, dove la pressione diminuisce e il gas viene accelerato. Ma in altre aree, vediamo come le superfici di Mach si accumulino e tendano a dare onde d'urto attaccate. La figura seguente corrisponde a una soluzione fisica realmente, con onde d'urto attaccate:

Condizioni fisiche con onde d'urto oblique piane attaccate.

Successivamente: queste onde d'urto piane attaccate.

Successivamente: queste onde piane, più le linee di corrente.

Se il bordo d'attacco è acuto, le onde frontali sono attaccate. Guarda il dettaglio:

Onda d'urto frontale attaccata vicino al bordo d'attacco di un'ala piana

Se il bordo d'attacco è arrotondato, la situazione è leggermente diversa. L'onda d'urto assomiglia a un'onda d'urto di tipo "arco".

Onda d'urto al bordo d'attacco arrotondato.

Dal punto di vista classico, queste onde d'urto non possono essere evitate. Corrispondono a salti di pressione e temperatura. Quando il numero di Mach supera 3, i materiali non sopportano più il flusso termico e si evaporano. Nei "scramjet", si raffredda il bordo d'attacco con idrogeno liquido e ossigeno, il che permette di raggiungere voli di breve durata a Mach 5-6. Ma il volo ipersonico (Mach 12) è considerato impossibile, dal punto di vista tecnologico. Nel 1947, il fenomeno degli UFO ha sollevato una domanda strana: è possibile raggiungere tali elevati numeri di Mach? A Roswell, gli americani hanno recuperato una macchina schiantata, che ha immediatamente dimostrato due cose:

• Gli UFO erano definitivamente reali

• Venivano da altri sistemi planetari.

È stato deciso di mantenere un segreto totale su questo. È stata messa in atto una politica intensa e attiva di disinformazione negli Stati Uniti, che è ancora in vigore. Ad esempio, la NASA spiega sul suo sito ufficiale che gli UFO non sono altro che un'illusione, quasi 50 anni dopo. È stato necessario del tempo agli americani per capire che la MHD era la chiave, la parola maestra del volo ipersonico (e silenzioso). Il volo silenzioso degli UFO mostrava che le onde d'urto (e la turbolenza) erano evitate. Per illustrare questo, rimandiamo ai lavori personali dell'autore (sviluppati durante gli anni '60 e '70). Queste ricerche sono state condotte con attrezzature di laboratorio abbastanza modeste, rispetto all'enorme sforzo americano, nascosto in impianti sotterranei della zona 51. Ma questo sarà sufficiente a mostrare le idee di base. Nella figura seguente, un "convertitore lineare MHD di Faraday" con il suo canale MHD e le sue due bobine.

Convertitore MHD di Faraday

Se rimuoviamo le due bobine, otteniamo questo:

Canale di Faraday (le bobine sono state rimosse)

Qui, il convertitore agisce come un generatore MHD. Il flusso ipersonico entra nel canale alla velocità V, causando un campo elettrico indotto E × B. Quest'ultimo produce una corrente elettrica nel gas, che scorre attraverso carichi esterni, rappresentati. Una parte dell'energia cinetica del gas può essere convertita in elettricità. Questo si traduce in un rallentamento del gas. Il sistema composto dalla velocità, dal campo elettrico e dalla forza di Lorentz risultante è illustrato di seguito:

Campo elettrico e campo di forza di Lorentz in un generatore MHD.

La forza di Lorentz obbedisce alla "regola delle tre dita":

Questa prima idea è molto importante. In effetti, vediamo che l'acceleratore MHD rallenta un fluido ipersonico. Se gestito in modo appropriato, possiamo immaginare che i parametri del fluido possano essere modificati in modo "dolce", senza formazione di onde d'urto. È qui l'idea chiave del concetto di volo ipersonico, come vedremo in seguito. Successivamente, mostriamo il motivo caratteristico delle linee di Mach in un generatore MHD. L'angolo di Mach varia continuamente e non si verifica alcuna onda d'urto.

Modifica senza onde d'urto del sistema delle linee di Mach, dovuta all'azione della forza di Lorentz

È un'idea molto semplice, ma è stata considerata segreta per molto tempo in tutto il mondo. D'altro canto, un convertitore MHD può essere utilizzato come acceleratore. Per fare ciò, è sufficiente iniettare energia elettrica per invertire la corrente elettrica e ottenere forze di Lorentz accelerate. Così, possiamo modificare il valore locale dell'angolo di Mach. Nel mio laboratorio, nel 1967, abbiamo ottenuto accelerazioni molto impressionanti su distanze molto brevi.

Il gas entra nel canale da sinistra e le forze di Lorentz lo accelerano.

Dimostriamo che non era un sogno. Ecco il mio laboratorio MHD degli anni '60 all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia, in Francia.

Il mio laboratorio MHD degli anni '60. Davanti: elettrodi. A sinistra, un oscilloscopio a valvole di tecnologia vecchia Tektronix. Sotto: il convertitore di Faraday con le sue bobine sospese. Inoltre, un "ignitron" utilizzato per commutare la corrente elettrica di 50.000 ampere prodotta da un banco di condensatori.

Si trattava di una "galleria del vento a breve durata" basata su un "tubo a shock". Un flusso di argon trainato da uno shock (200 microsecondi) veniva spinto in una galleria del vento a sezione costante di 6 metri. Il gas veniva spostato e compresso (pressione dopo la compressione: 1 bar). Il gas veniva riscaldato fino a 10.000 °K, fornendo una buona conduttività elettrica (3000 mhos/m). La velocità del gas all'ingresso del canale MHD era di 2.750 m/s. Quest'ultimo misurava 10 cm di lunghezza. Durante gli esperimenti di accelerazione, la velocità di espulsione raggiungeva 8.000 m/s, dimostrando l'eccezionale efficienza delle forze di Lorentz per accelerare con un campo magnetico elevato (2 tesla) e elevate densità di corrente elettrica. Successivamente, l'efficienza classica della MHD:

Efficienza MHD. J è la densità di corrente elettrica, B è il campo magnetico, L è una lunghezza caratteristica, qui sotto: la densità di massa e v la velocità.

All'inizio degli anni '80, un ingegnere francese, Bertrand Lebrun, ha iniziato un dottorato con me. Ho definito l'idea di base del volo supersonico senza onde d'urto. Si trattava di una ricerca civile, ma sappiamo che ricerche simili venivano condotte segretamente nel famoso Laboratorio Lawrence Livermore, in California, nello stesso momento. Abbiamo già presentato il modello generale delle linee di Mach associate al flusso supersonico teorico intorno a un'ala piana. Abbiamo visto che potevamo modificare il valore locale dell'angolo di Mach scegliendo in modo appropriato il campo di forza di Lorentz. Ad esempio, possiamo accelerare il flusso intorno al bordo d'attacco utilizzando un campo magnetico trasversale e due elettrodi murari, come segue:

Elettrodi di accelerazione, vicino al bordo d'attacco

Successivamente, il campo di forza di Lorentz corrispondente:

Campo di forza di Lorentz

Con un tale dispositivo, era possibile annullare l'onda d'urto frontale vicino a un bordo d'attacco acuto, dimostrando che un sistema di onde d'urto poteva essere evitato. Questo ha profondamente trasformato il problema del volo ipersonico. Il nuovo obiettivo era annullare le onde d'urto intorno a un'ala piana, il che implicava di mantenere le linee di Mach parallele:

Tesi di Lebrun: l'obiettivo

Tre coppie di elettrodi murari sono state disposte sul modello di ala piana:

Tesi di dottorato di Lebrun (1987)

In alto: modello ideale delle linee caratteristiche (linee di Mach o superfici di Mach). Se fosse stato possibile applicare un campo di forza di Lorentz appropriato intorno al modello, ci si aspettava che il fenomeno di focalizzazione delle linee caratteristiche fosse evitato. Questo è stato dimostrato da calcoli al computer e presentato a diversi convegni internazionali di MHD (Tsukuba, Giappone, Pechino, Cina, vedere bibliografia e articoli citati). Il modello generale delle linee di Mach diventa il seguente:

Tesi di Lebrun. Linee caratteristiche.

Questo lavoro è stato realizzato in un laboratorio civile, ma sappiamo che parallelamente gli americani facevano la stessa cosa in assoluto segreto. In Francia, le autorità erano terrorizzate all'idea che risultati simili potessero rivelare la natura extraterrestre degli UFO, e sono state folli di rabbia. Tutta la ricerca civile è stata interrotta. L'esercito ha cercato di proseguire questa ricerca nei propri laboratori segreti, per conto proprio, ma ha fallito a causa della mancanza di conoscenze. Nel frattempo, i progetti americani hanno conosciuto un'accelerazione molto forte. Ricerche parallele sono state intensamente condotte su siluri e propulsione sottomarina. Per non turbare la mente del lettore, ne parleremo in seguito.

Bibliografia :

(1) J.P. Petit : « Il volo supersonico è possibile? » Ottava Conferenza internazionale sulla produzione di elettricità con MHD. Mosca, 1983.

(2) J.P. Petit & B. Lebrun : « Annullamento delle onde d'urto in un gas mediante l'azione della forza di Lorentz ». Nona Conferenza internazionale sulla produzione di elettricità con MHD. Tsukuba, Giappone, 1986.

(3) B. Lebrun & J.P. Petit : « Annullamento delle onde d'urto mediante azione MHD nei flussi supersonici. Analisi quasi-unidimensionale stazionaria e blocco termico ». European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, n°2, pp.163-178, 1989.

(4) B. Lebrun & J.P. Petit : « Annullamento delle onde d'urto mediante azione MHD nei flussi supersonici. Analisi stazionaria bidimensionale non isentropica. Criterio anti-urto, e simulazioni di tubi a shock per i flussi isentropici ». European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp.307-326, 1989.

(5) B. Lebrun : « Approccio teorico alla soppressione delle onde d'urto che si formano intorno a un ostacolo affilato posto in un flusso di argon ionizzato ». Tesi di Energia n° 233. Università di Poitiers, Francia, 1990.

(6) B. Lebrun & J.P. Petit : « Analisi teorica dell'annullamento delle onde d'urto mediante un campo di forza di Lorentz ». Simposio internazionale di MHD, Pechino, 1990.

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