Inizio di MHD3
..La linea tratteggiata dovrebbe rappresentare la regione in cui il fluido inizia a muoversi allontanandosi per fare spazio all'oggetto.
...In regime supersonico, queste onde sonore non possono più "avvisare" il fluido prima che l'oggetto vi si avvicini. Il gas viene quindi "colto di sorpresa" e reagisce formando onde d'urto. L'idea era quindi trovare un modo per agire a distanza, a monte dell'oggetto, per manipolare il gas inducendolo a fare spazio.
..Una prima soluzione si riferisce alla penetrazione di un profilo alare nell'aria a velocità supersonica. Si sa che l'impatto di questo oggetto sull'aria provoca un brusco rallentamento del fluido. Sembrava quindi logico facilitare il flusso gassoso lungo il profilo, nelle vicinanze del bordo d'attacco, contemporaneamente iniziando a rallentare il gas a monte. Ciò è possibile applicando un campo magnetico perpendicolare al piano della figura e disponendo due elettrodi pareti, come indicato. Le linee di corrente elettrica che scorrono nel gas sono indicate. Ne deriva una forza di Laplace (forza di Lorentz, per gli anglofoni), che obbedisce alla "regola dei tre dita".
..Di seguito, l'aspetto generale del campo di forze elettromagnetiche, perpendicolari alle linee di corrente elettrica.
..Così si ottengono vantaggi su tre fronti:
..- Di fronte all'oggetto, si inizia a rallentare il fluido a monte.
..- Si inizia un movimento di allontanamento del fluido.
...- Si facilita il suo flusso lungo la parete.
...La forza elettromagnetica per unità di volume è J B, dove B è l'intensità del campo magnetico, espressa in tesla (un tesla equivale a diecimila gauss), e J è la densità di corrente elettrica, in ampere al metro quadrato. La forza è quindi espressa in newton al metro cubo.
..Un'intensità che fosse semplicemente di un ampere per centimetro quadrato (diecimila ampere al metro quadrato), combinata con un campo di 10 tesla, darebbe una forza di dieci tonnellate per metro cubo di gas, sufficiente a imprimere al flusso gli effetti desiderati.
..La forza è più intensa nelle vicinanze degli elettrodi, dove la corrente si concentra e la densità di corrente è massima.
..Il problema è ovviamente far passare una corrente elettrica in un mezzo che a temperatura normale è un ottimo isolante: l'aria. Affronteremo questo problema in seguito.
..In un primo tempo, nel 1976, abbiamo optato per simulazioni basate su esperimenti idraulici. Il fluido era acqua acidulata (per renderla più conduttrice). Restava da dimensionare l'esperimento. Disponiamo di un'impianto di campo magnetico che produce un tesla in alcuni centimetri cubi. La velocità del flusso era di 8 cm al secondo. Dato che la densità dell'acqua è di 1000 kg/m³, è possibile calcolare il valore minimo di J tale che il parametro di interazione:
dove L è una dimensione caratteristica della modellina.
...L'annullamento dell'onda d'urto fu ottenuto al primo tentativo (1976). Operammo su modellini lenticolari, ma i primi esperimenti furono condotti su una modellina cilindrica, sulla quale si otteneva un'onda d'urto simile a un'onda di shock staccata, che si stabiliva a distanza da un ostacolo cilindrico:
..Sempre con un campo magnetico perpendicolare al piano della figura, l'annullamento dell'onda d'urto fu ottenuto utilizzando due elettrodi disposti come indicato nella figura. È inoltre rappresentata la disposizione dei poli dell'elettromagnete. Diametro della modellina: 7 mm. Larghezza degli elettrodi incassati nella parete: 2 mm.
...La figura sopra mostra le onde in assenza di forze elettromagnetiche, mentre la seguente mostra il risultato dopo l'annullamento dell'onda frontale.
...Le forze di Laplace, legate al passaggio della corrente nell'acqua acidulata, combinate con il campo magnetico trasversale, corrispondono alla figura seguente:
..Queste forze sono particolarmente intense nelle vicinanze degli elettrodi, dove la corrente si concentra (densità di corrente J massima). A monte, producono un rallentamento del fluido. Tuttavia, questo campo di forze non è adeguato per provocare l'annullamento totale del sistema d'onde. Negli esperimenti condotti con un ostacolo cilindrico munito di una sola coppia di elettrodi, queste onde erano semplicemente concentrate a valle della modellina. Tuttavia, come indicato nella figura, era sufficiente per creare una depressione nel "punto di arresto", dimostrando che un tale sistema potrebbe inoltre essere utilizzato per la propulsione MHD.
...L'eliminazione dell'intero sistema d'onde può essere assicurata, come è stato verificato, sempre attraverso queste simulazioni idrauliche, attorno a una modellina lenticolare, utilizzando questa volta tre coppie di elettrodi. Infatti, se ci si riferisce a una figura precedente, si vede che l'apparizione delle onde di Mach deriva dal sovrapporsi delle onde di Mach in due regioni, a monte e a valle.
...Siamo stati i primi (tesi di dottorato di Bertrand Lebrun) a introdurre il concetto chiave di regolarizzazione di un flusso supersonico utilizzando le forze di Laplace, imponendo attorno a una modellina un sistema di onde di Mach parallele:
..La seconda famiglia di caratteristiche, le onde di Mach, non è stata rappresentata.
...Sono quindi necessarie tre azioni:
...- Impedire che le onde di Mach si raddrizzino nelle vicinanze del bordo d'attacco della modellina, accelerando il fluido in quella regione.
...- Impedirne il posizionamento (nell'"ventaglio di espansione") sul fianco.
..- Infine, riaccelerare nuovamente nelle vicinanze del bordo di uscita.
..Da ciò deriva un sistema di tre elettrodi pareti:
...Il campo magnetico era perpendicolare al piano della figura, ma affinché si creasse il campo di forze adeguato, fu necessario (nelle simulazioni effettuate al computer) "scolpirlo", cosa realizzabile utilizzando diversi solenoidi accoppiati. Nelle vicinanze degli elettrodi, le forze di Laplace erano disposte schematicamente come segue:
...La tesi di Lebrun (pubblicata al 7° convegno internazionale di MHD di Tsukuba, Giappone e all'8° convegno internazionale di Pechino, 1990, nonché sulla rivista The European Journal of Physics) dimostrò la fattibilità teorica dell'operazione. Questo risultato è interessante da più punti di vista. Infatti, quando si accelera il fluido, si gli fornisce energia, mentre quando lo si rallenta, è il fluido stesso a fornirla. Perché? Perché il movimento del fluido lungo la modellina alla velocità V implica una forza elettromotrice V × B. Questa forza tende a creare una densità di corrente J = σ (V × B), dove σ è la conducibilità elettrica, che combinata con il campo magnetico secondo la forza di Laplace J × B = σ (V × B) × B