Allegato 1: MHD
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1 - Generalità sul concetto di cancellazione delle onde d'urto
È stato introdotto all'inizio degli anni settanta. 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 un legame 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. Questo è stato scoperto 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 scienziati americani di alto livello coinvolti in programmi segreti neri, concentrati nella zona 51. L'unico argomento su questo si basa su basi scientifiche. Anche oggi, le persone ignorano ancora molte caratteristiche molto importanti riguardo alla MHD applicata ai flussi gassosi ipersonici, il che ha permesso un salto fantastico e fondamentale agli Stati Uniti a metà degli anni settanta. Trent'anni dopo aver dominato il mondo grazie a tecnologie avanzate in molti (militari) settori, inclusi voli ipersonici di lunga durata, fino a Mach 12.
Non so chi leggerà questo allegato, 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, una bocca di prova ipersonica 2D (ventosa ipersonica).
Nella sezione convergente, il fluido è in condizioni subsoniche. Dal punto di vista matematico, le linee caratteristiche (le superfici di Mach) sono immaginarie. La velocità del suono viene raggiunta nella gola della bocca. Successivamente, le superfici di Mach diventano reali. Possiamo visualizzarle:
Evolvere delle superfici di Mach, o linee di Mach, in una bocca ipersonica.
Nella bocca, la velocità cresce 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 con 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"). Questo 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 ventaglio di espansione classico, dove la pressione diminuisce e il gas viene accelerato. Ma in altre aree, vediamo come le superfici di Mach si accumulano e tendono a produrre onde d'urto attaccate. La figura seguente corrisponde a una soluzione fisica realmente, con onde d'urto attaccate successive:
Condizioni fisiche con onde d'urto piane attaccate.
Poi: queste onde d'urto piane attaccate.
Poi: queste onde piane, più le linee di corrente.
Se il bordo d'attacco è acuto, le onde frontali sono attaccate. Vedi 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.
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 diventa superiore a 3, i materiali non sopportano più il flusso termico e si vaporizzano. Nei "scramjet", si raffredda il bordo d'attacco con idrogeno e ossigeno liquidi, il che permette di raggiungere voli di breve durata a Mach 5-6. Ma il volo ipersonico (Mach 12) è considerato impossibile, su basi tecnologiche. 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:
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Gli UFO erano definitivamente reali
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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 cinquant'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 negli anni sessanta e settanta). Questa ricerca è stata effettuata con attrezzature di laboratorio abbastanza modeste, rispetto all'enorme sforzo americano, nascosto in fabbriche sotterranee della zona 51. Ma questo basterà 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, che induce un campo elettrico E × B. Quest'ultimo produce una corrente elettrica nel gas, che circola attraverso carichi esterni, illustrati. Una parte dell'energia cinetica del gas può essere convertita in elettricità. Questo si accompagna al rallentamento del gas. Il sistema di velocità, campo elettrico e forza di Lorentz conseguente è mostrato 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 convenientemente, possiamo immaginare che i parametri del fluido possano essere modificati in modo "dolce", senza la nascita di onde d'urto.
È 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 cambia 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 un lungo periodo in tutto il mondo. D'altro canto, un convertitore MHD può essere utilizzato come acceleratore. Per farlo, basta iniettare energia elettrica per invertire la corrente elettrica e ottenere forze di Lorentz acceleranti. In questo modo, possiamo modificare il valore locale dell'angolo di Mach. Nel mio laboratorio, nel 1967, abbiamo ottenuto accelerazioni molto impressionanti su una breve distanza.
Il gas entra nel canale a sinistra e le forze di Lorentz lo accelerano.
Dimostriamo che non era un sogno. Successivamente, il mio laboratorio MHD degli anni sessanta all'Istituto di Meccanica dei Fluidi di Marsiglia, Francia.
Il mio laboratorio MHD degli anni sessanta. Davanti: elettrodi. A sinistra, un oscilloscopio a lampade vuote Tektronix antico. 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.
Era una "ventosa a breve durata" basata su una "tubatura a shock". Un flusso di argon trainato da uno shock (200 microsecondi) veniva spinto in una ventosa a sezione costante di 6 metri di lunghezza. 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. Questo aveva una lunghezza di 10 cm. Durante gli esperimenti di accelerazione, la velocità di espulsione raggiungeva 8.000 m/s, dimostrando l'eccezionale efficienza delle forze di Lorentz per l'accelerazione con un campo magnetico elevato (2 tesla) e elevate densità di corrente elettrica. Successivamente, l'efficienza classica MHD:
Efficienza MHD. J è la densità di corrente elettrica, B è il campo magnetico, L è una lunghezza caratteristica; sotto: la densità di massa e v la velocità.
All'inizio degli anni ottanta, 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 in segreto nel celebre 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 con una scelta appropriata del 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 conseguente:
Campo di forza di Lorentz
Con un tale dispositivo, era possibile annullare l'onda d'urto frontale vicino a un bordo d'attacco acuto, mostrando che un sistema di onde d'urto poteva essere evitato. Questo ha profondamente modificato il problema del volo ipersonico. L'obiettivo nuovo 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: il modello ideale delle linee caratteristiche (linee di Mach o superfici di Mach). Se un campo di forza di Lorentz conveniente potesse essere applicato intorno al modello, ci si aspettava che un fenomeno di concentrazione delle linee caratteristiche potesse essere evitato. Questo è stato dimostrato da calcoli informatici e presentato a diversi convegni internazionali sulla MHD (Tsukuba, Giappone, Pechino, Cina, vedere bibliografia e articoli citati). Il modello generale delle linee di Mach diventa il seguente:
Tesi di dottorato di Lebrun. Linee caratteristiche.
Questo lavoro è stato realizzato in un laboratorio civile, ma sappiamo che nello stesso momento gli americani facevano la stessa cosa in un segreto di alto livello. In Francia, le autorità erano terrorizzate all'idea che tali risultati potessero rivelare la natura extraterrestre degli UFO e si sono arrabbiate. 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 torpedini 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 : « Cancellazione 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 : « Annihilation 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 : « Annihilation delle onde d'urto mediante azione MHD nei flussi supersonici. Analisi bidimensionale stazionaria non isentropica. Criterio anti-urto, e simulazioni di tubo 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'annihilation delle onde d'urto mediante un campo di forza di Lorentz ». Simposio internazionale sulla MHD, Pechino, 1990.
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