La linea tratteggiata dovrebbe rappresentare la regione in cui il fluido inizia a spostarsi per fare spazio all'oggetto.
In regime supersonico, queste onde sonore non possono più "informare il fluido" prima che l'oggetto vi giunga sopra. Il gas viene quindi "colto di sorpresa" e la sua reazione consiste nel formare onde d'urto. L'idea era quindi trovare un modo di 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 in 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 il rallentamento del gas a monte. Ciò è possibile applicando un campo magnetico perpendicolare al piano del disegno e disponendo due elettrodi paretali, come indicato. Le linee di corrente elettrica che fluiscono nel gas sono rappresentate. 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.
Si ottiene così un vantaggio su tre fronti:
- A monte dell'oggetto, si inizia a rallentare il fluido in anticipo.
- Si inizia un movimento di separazione del fluido.
- Si facilita il suo flusso lungo la parete.
La forza elettromagnetica per unità di volume è data da 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 di corrente semplicemente pari a un ampere per centimetro quadrato (diecimila ampere al metro quadrato), combinata con un campo di 10 tesla, produrrebbe una forza di dieci tonnellate per metro cubo di gas, sufficiente a imporre all'efflusso gli effetti desiderati.
La forza è massima nelle vicinanze degli elettrodi, dove la corrente si concentra e la densità di corrente è più elevata.
Il problema è ovviamente far passare una corrente elettrica così intensa in un mezzo che a temperatura normale è un eccellente 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 di prua fu ottenuto al primo tentativo (1976). Operammo su modellini lenticolari, ma i primi esperimenti furono condotti su una modellina cilindrica, sulla quale si osservava un'onda di prua che simulava un'onda d'urto staccata, che si stabiliva a distanza da un ostacolo cilindrico:
Ancora con un campo magnetico perpendicolare al piano del disegno, l'annullamento dell'onda di prua 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 successiva 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 annullare completamente il sistema d'onde. Negli esperimenti condotti con un ostacolo cilindrico dotato di un solo paio di elettrodi, queste onde venivano semplicemente concentrate a valle della modellina. Tuttavia, come indicato nella figura, ciò era sufficiente a creare una depressione nel "punto di arresto", dimostrando che un tale sistema potrebbe inoltre essere utilizzato per la propulsione MHD.
L'annullamento dell'intero sistema d'onde può essere ottenuto, come è stato verificato, ancora attraverso queste simulazioni idrauliche, attorno a una modellina lenticolare, utilizzando questa volta tre coppie di elettrodi. Infatti, riferendosi a una figura precedente, si osserva 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 mediante 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.
Ciò ha portato a un sistema di tre elettrodi paretali:
Il campo magnetico era perpendicolare al piano del disegno, ma affinché si creasse il campo di forze adeguato, fu necessario (nelle simulazioni effettuate al computer) "scolpirlo", cosa fattibile utilizzando più solenoidi combinati. Vicino agli 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 al 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 conduttività elettrica...