物理的空気力学 宇宙論

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • MHD(磁流体力学)は、流体の加速および運動エネルギーの電気への変換を研究する分野である。
  • 著者は1960年代からMHDに関する研究を続けており、特にマルセイユ流体力学研究所で研究を行った。
  • ローレンツ効果によって衝撃波の消失が研究され、空気力学や天体物理学への応用が期待されている。

マグネトハydroダイナミクス(MHD)の物理、宇宙論

...MHDは非常に広範な研究分野である。基本的な概念の発明者は有名なイギリスの科学者マイケル・ファラデーである。MHDには二つの側面がある。

  • 一方では、ローレンツ力 J × B を用いて流体を加速することができ、これはMHD加速器である。

  • 他方では、流体の運動エネルギーおよびエンタルピーを電気エネルギーに変換することができる。これはMHD発電機である。このような装置では、気体の流れが横方向の磁場 B に沿って速度 V で通過するとき、誘導電界 V × B が電荷を持つ粒子、自由電子やイオンに作用する。

...非常に優れた書籍が存在する(現在は科学図書館のみにしかない):

サットン&シェルマン:「エンジニアリング・マグネトハydroダイナミクス」、マックグラウ・ヒル・ブックス社、1967年

物理学者および修士課程の学生向けである。

...私は1964年からMHDに関する個人的な経験を持っている。1964年から1972年まで、マルセイユの流体力学研究所で働いた。その後、より最近の研究に焦点を当てた短縮版の参考文献を以下に示す:

(1) J.P. Petit : 「超音速飛行は可能か?」、第8回MHDと電力生成国際会議、モスクワ、1983年
(2) J.P. Petit & B. Lebrun : 「ローレンツ力によるガス中の衝撃波の消滅」、第9回MHDと電力生成国際会議、日本・築地、1986年
(3) B. Lebrun & J.P. Petit : 「超音速流におけるMHD作用による衝撃波の消滅。準一次元定常解析と熱的ブロック」、European Journal of Mechanics ; B/Fluids、8、No.2、pp.163-178、1989年
(4) B. Lebrun & J.P. Petit : 「超音速流におけるMHD作用による衝撃波の消滅。非等エントロピー定常二次元解析。衝撃波防止基準、等エントロピー流れにおける衝撃管シミュレーション」、European Journal of Mechanics、B/Fluids、8、pp.307-326、1989年
(5) B. Lebrun : 「イオン化アルゴン流れにおける障害物周囲の衝撃波の理論的抑制アプローチ」、エネルギー工学修士論文No.233。フランス・ポワティエ大学、1990年。
(6) B. Lebrun & J.P. Petit : 「ローレンツ力場による衝撃波の理論的解析」、国際MHDシンポジウム、北京、1990年。

...その後、私は天文学および理論宇宙論に焦点を移した。1960年代には、高温の衝撃波トンネルを駆動する短時間MHD発電機を構築した。この装置は、高温の気体を短時間、高温・高速で、比較的高い圧力で生成することができた。これは低圧トンネルではない。典型的なパラメータは以下の通りである:

ガス:アルゴン
速度:2,700 m/s
温度:10,000 °K
圧力:1 bar
電気伝導率:4000 mkhos/m

...現在、私たちは私的資金によって新しい研究室を建設中である。2001年末までに運用可能になると予想している。活動は以下の分野をカバーする:

  • 高温ガス実験 - 冷温ガス実験(大気圧下の超音速空気流れ)

  • 低圧ガス実験(シミュレーション)。

  • 数値実験。

  • 水力実験(高速潜水艦モデル)。

...まず、なぜ13年間の中断の後、再び始めるのか?新しいアイデアがあるからである。1975年に私は、密な空気中での超音速飛行が音爆や乱流を生じることなく可能であると考えた。私はそのことについて科学雑誌に論文を発表した。当時は、その考えは狂ったもののように思えた。1975年、同僚のモーリス・ヴィトンとともに、1テスラの磁石を用いた水力実験を構築した。この磁場は、自由表面の流れ(8 cm/s)で小さなモデルの周囲の水流を変化させるために必要だった。モデルは円筒形(7 mmの直径)だった。実験は成功し、衝撃波(流体力学の専門家は、船が作る波が衝撃波に非常に似ていることを知っている)は完全に消えた。そのとき、このアイデアが最初に見たように非常に奇妙ではないかもしれないと考えた。

...その後10年間、科学的観点ではなく、いわゆる「政治的」観点から非常に困難だった。明らかに、この新しい概念はUFOに関係していた。ガス実験では、このような「MHD空力」は赤みがかった発光プラズマに囲まれており、低出力では赤みがかったが、高出力ではほぼ白くなる。電極がある場合、それらは「窓」のように見える。さらに、1975年に「パリ科学アカデミーの報告書」で最初に名前が付けられた「円盤型の機械」は、科学的に最適であり(MHDの基礎は流体力学の古典的な基礎とは異なる可能性がある)、科学界はそのプロジェクトにあまり熱心ではなかったが、科学的基礎は完全に明確だった。

...私はまず、1979年から1982年にかけてフランス宇宙研究センター(CNES)で研究を開始し、その後1984年から1986年にかけてフランス国立科学研究所(CNRS)の研究室で働いた。この研究室はルーアンにあり、現在は引退したヴァレタン教授が所長だった。CNESを通じて、フランスの CERT(技術研究センター)でいくつかの実験が行われ、軍と密接な関係があった。一部の資金が与えられたが、この2回の試みでは、軍が研究室に無理やり私を科学的職から外すようにした。不幸なことに、この2回の試みに携わった人々の科学的知識は不十分であり、研究は失敗した。多くのお金が無駄にされた。そのため、1987年に私は完全に諦めることにした。しかし、最近になって新しいアイデアが私を再びこの分野に戻すようにした。経験から、フランスの機関と協力すると、過去に何度もあったように、すぐに軍の干渉が発生することを知っていた。したがって、私たちは自前の力と資源で再び始めることが決まった。これは狂ったように思えるかもしれない。しかし、私の考えでは、これらの研究は古くなった材料で行うことができる。さらに、20年前と比べて電子機器やコンピュータの価格は大幅に下がった。多くの優れた研究者、今は引退した人々が私たちに加わった。したがって、私はフランス南部に研究室を設立することを決めた。現在、私たちは古くなったシステムを収集している:コンデンサのバンク、さまざまな電圧の電源、低圧と高圧、イグニトロン、クライストロン、光学装置など、それらを保管している。必要なものをすべてそろえたら、すぐに行動を開始する予定である。

...では、いくつかの新しいアイデアを見てみよう。

...もしここをクリックすると、1975年に発表された「アカデミー・デ・サンスの報告書」のノートを読むことができる。フランス語が読めない場合は、いくつかの簡単な説明を以下に示す。以下の3つの図を参照してください。図1では、等電位ソレノイドを備えた円盤型の機械が示されている。この交流電流が交流磁場を生成する。この磁場(マックスウェル氏の功績により)が誘導電界 E' を生じ、円形の誘導電流を生み出す。これらの電流 J' を磁場の瞬時値と組み合わせると、放射状の力(ホール効果は無視できると仮定)が生じる。つまり、時間依存的な放射状の力 J' × B が生じ、これは外側と内側に交互に方向付けられる。つまり、このアイデアは、円盤の近くで時間的に制御された非定常イオン化を生み出すことができれば、円盤の上部で放射状の遠心力を使って流体に作用し、円盤の底部で放射状の向心力を使って流体に作用できるということだった。

...次の図では、私たちの円盤型機械の周囲に予想される誘導ガスフローを示している:

...計算結果によると、吸引効果は非常に強力であり、機械の停止点(機械が軸に沿って移動する)で衝撃波の形成を完全に打ち消すほどの力がある。技術的な問題は、壁の近くで時間的にイオン化を調整することだった。私たちはまず「狼の罠」に似た装置を考案した:

...壁に小さな円錐形の穴があり、その軸に「ピン」が挿さっている。円錐と平面の交点に円形の電極(アノード)がある。中央の電極(ピンのような形)は負に帯電している。すると、周囲の空気で電気放電が発生し、上記のように表示される。この電気放電に関連する磁場は、自由電子を押しのけ、エネルギーを与える傾向がある。私たちは、この放電によって空気中に短命の負イオンを生成し、そのイオンの寿命中にMHD相互作用を可能にできると考えた。適切な設備を持つ研究室でこのような研究を行うことができたはずだが、私たちはそれを持っていなかった。1973年から私は天文台にいて、これはプラズマ物理実験には最適な場所ではない。

...いずれにしても、1970年代後半には、この機械の興味深い側面が発見された。プラズマの専門家は、磁気圧が電気放電を押しのける傾向があることを知っている。私たちは低圧空気実験でこれを経験した。解決策はすぐに見つかった。対称面に最大値を持つ磁場(1つの等電位コイルで作られる)ではなく、3つのコイル(1つ大きなものと2つの小さなもの)を使用することにした。以下の図に示すように:

...左:機械の軸。上と右:電流の流れ方向を示す3つのコイルの図式的配置。図には磁場線が示されている。最大の B の面が、2つのコイルの円を含む円錐の一部に近いことがわかる。灰色の領域:プラズマが存在するであろう収束領域。実験的に即座に成功した。その後、機械の壁はMHD相互作用を最適化するために磁場線に直角でなければならない。最後に、MHD空力の典型的な外観を示す。これは誘導現象とパルスイオン化を用い、MHDの原則に基づいて最適化された、電極のないものである:

...なぜ私たちが科学界、軍、政治家などと問題を起こしたのかがお分かりだろう。

...短時間のイオン化は管理が難しかった。

冷温ガスMHD実験。

...しかし、最近、新しいアイデアが出てきた。以下の図に要約されている:

...モデルの壁はテフロン製である。2つのテフロンシェルにコイルが組み込まれている(等電位コイルと2つの「収束コイル」)。2つのクライストロンを使用し、2つの別々の波導に調整する。この2つは図に示されている。これらはコアックスのブロンズシリンダーである。一方が動作している間、もう一方は停止し、その逆も同様である。赤い細いブロンズの板は、拡散器として働き、マイクロ波を放出する。対称面にあるブロンズ板は、機械の反対側の空気をイオン化するために使用されるマイクロ波を妨げる。次の図では、マイクロ波が中央のチャネルを通過し、上部で細いブロンズの板に拡散され、テフロンを通過し、薄いイオン化空気層を生成する様子を示している。3 GHzのマイクロ波は大気圧下の空気をイオン化するのに最適であり、イオン化されたガスはマイクロ波を吸収する。したがって、イオン化は薄い層に閉じ込められる。

...このような装置で、円盤型モデルの近くに時間依存的なイオン化状態を作ることは比較的簡単である。また、3つのコイルにおける交流電流を同期させることも簡単である。したがって、このようなモデルは、非常に強力にその前に空気を吸引できる。もちろん、これは磁場の強さ(MHD相互作用パラメータが十分に高い必要がある)に依存する。衝撃波を長時間にわたって消滅させる必要はない。短時間の実験は、短時間の衝撃波トンネルで行うことができる。それを構築しなければならない。要するに、この衝撃波トンネルは、毎回試験で内容物を排気する強力な真空ポンプによって排気される大容量の真空タンクに依存している(すでに持っている)。左:超音速チャネル。チャネルとタンクの間にはミラーフィルムがある。ポンプがタンク内の圧力を十分に下げると、フィルムが破れる。典型的な流れの持続時間:数分の1秒。

...この単純なアイデアは、MHD研究を再開するには十分に興奮させた。次の画像:円盤型モデルの別の視点:

...次に:「パッシブ」モデルの周囲に予想されるガスフロー。衝撃波システム。

次に:ローレンツ力の作用によって衝撃波が消滅した後のフロー:

...私たちは「MHD水動力学」の実験、つまり高速潜水艦の実験を計画している。

高温ガスMHD実験。

...研究室では、衝撃波駆動の風洞(ショックチューブ)が建設される予定である。以下の図はMHD施設の図式的な見解を示している。

...次の図:施設のMHD部分。

...次の画像は、2つのコイルとMHDチャネルを示している:

...このような施設では、1967年にマルセイユの流体力学研究所でプラズマの加速が成功し、ローレンツ力が超音速流れを制御する効率を示した。入口速度(純粋なアルゴン、1気圧、10,000°K):2,750 m/s。出口速度:8,000 m/s!!

次の図:1987年に予定されていた超音速ショックチューブでの平板翼モデルの位置:

...ベルトラン・レブランの博士論文(1987年)、ヨーロッパの機械学術雑誌の出版物、および国際MHD会議(1987年ツクバ、1990年北京)での2回の発表は、ショックチューブによって供給される高温アルゴン流(10,000°K)における前線衝撃波の消滅に焦点を当てていた。今日、私たちはこの重要な実験を実施することを意図している。要するに、ある種の「翼」(2次元流れ)の前面に付着した衝撃波の存在は、レーザー干渉計(1965年にマルセイユの流体力学研究所で開発された)によって示される。右側には、高温アルゴン流で衝撃波が消滅した場合に期待される画像がある。

...現在、冷温ガスでの実験が理論的に可能になったので、高温アルゴンでのこの実験は余分に思えるかもしれない。しかし、私たちはこの2つの目標を「並行研究」として扱うことを好む。

科学的要約に戻る

オリジナルバージョン(英語)

MHD物理、空力、宇宙論

...MHDは非常に広範な研究分野である。基本的な概念の発明者は有名なイギリスの科学者マイケル・ファラデーである。MHDには二つの側面がある。

  • 一方では、ローレンツ力 J x B を用いて流体を加速することができ、これはMHD加速器である。

  • 他方では、流体の運動エネルギーおよびエンタルピーを電気エネルギーに変換することができる。これはMHD発電機である。このような装置では、気体の流れが横方向の磁場 B に沿って速度 V で通過するとき、誘導電界 V x B が電荷を持つ粒子、自由電子やイオンに作用する。

...非常に優れた書籍が存在する(現在は科学図書館のみにしかない):

サットン&シェルマン:「エンジニアリング・マグネトハydroダイナミクス」、マックグラウ・ヒル・ブックス社、1967年

物理学者および修士課程の学生向けである。

...私は1964年からMHDに関する個人的な経験を持っている。1964年から1972年まで、マルセイユの流体力学研究所で働いた。その後、より最近の研究に焦点を当てた短縮版の参考文献を以下に示す:

(1) J.P.Petit : 「超音速飛行は可能か?」、第8回MHD電力生成国際会議、モスクワ、1983年。
(2) J.P.Petit & B.Lebrun : 「ローレンツ力によるガス中の衝撃波の消滅」、第9回MHD電力生成国際会議、日本・ツクバ、1986年
(3) B.Lebrun & J.P.Petit : 「超音速流れにおけるMHD作用による衝撃波の消滅。準一次元定常解析と熱的ブロック」、European Journal of Mechanics; B/Fluids、8、No.2、pp.163-178、1989年
(4) B.Lebrun & J.P.Petit : 「超音速流れにおけるMHD作用による衝撃波の消滅。非等エントロピー定常二次元解析。衝撃波防止基準、等エントロピー流れにおける衝撃管シミュレーション」、European Journal of Mechanics、B/Fluids、8、pp.307-326、1989年
(5) B.Lebrun : 「イオン化アルゴン流れにおける障害物周囲の衝撃波の理論的抑制アプローチ」、エネルギー工学修士論文No.233。フランス・ポワティエ大学、1990年。
(6) B.Lebrun & J.P.Petit : 「ローレンツ力場による衝撃波の理論的解析」、国際MHDシンポジウム、北京、1990年。

...その後、私は天文学および理論宇宙論に焦点を移した。1960年代には、高温の衝撃波トンネルを駆動する短時間MHD発電機を構築した。この装置は、高温の気体を短時間、高温・高速で、比較的高い圧力で生成することができた。これは低圧トンネルではない。典型的なパラメータは以下の通りである:

ガス:アルゴン
速度:2,700 m/s
温度:10,000°K
圧力:1気圧
電気伝導率:4000 mkhos/m

...現在、私たちは私的資金によって新しい研究室を建設中である。2001年末までに運用可能になると予想している。活動は以下の分野をカバーする:

  • 高温ガス実験 - 冷温ガス実験(大気圧下の超音速空気流れ)

  • 低圧ガス実験(シミュレーション)。

  • 数値実験。

  • 水力実験(高速潜水艦モデル)。

...まず、なぜ13年間の中断の後、再び始めるのか?新しいアイデアがあるからである。1975年に私は、密な空気中での超音速飛行が音爆や乱流を生じることなく可能であると考えた。私はそのことについて科学雑誌に論文を発表した。当時は、その考えは狂ったもののように思えた。1975年、同僚のモーリス・ヴィトンとともに、1テスラの磁石を用いた水力実験を構築した。この磁場は、自由表面の流れ(8 cm/s)で小さなモデルの周囲の水流を変化させるために必要だった。モデルは円筒形(7 mmの直径)だった。実験は成功し、衝撃波(流体力学の専門家は、船が作る波が衝撃波に非常に似ていることを知っている)は完全に消えた。そのとき、このアイデアが最初に見たように非常に奇妙ではないかもしれないと考えた。

...その後10年間、科学的観点ではなく、いわゆる「政治的」観点から非常に困難だった。明らかに、この新しい概念はUFOに関係していた。ガス実験では、このような「MHD空力」は赤みがかった発光プラズマに囲まれており、低出力では赤みがかったが、高出力ではほぼ白くなる。電極がある場合、それらは「窓」のように見える。さらに、1975年に「パリ科学アカデミーの報告書」で最初に名前が付けられた「円盤型の機械」は、科学的に最適であり(MHDの基礎は流体力学の古典的な基礎とは異なる可能性がある)、科学界はそのプロジェクトにあまり熱心ではなかったが、科学的基礎は完全に明確だった。

...私はまず、1979年から1982年にかけてフランス宇宙研究センター(CNES)で研究を開始し、その後1984年から1986年にかけてフランス国立科学研究所(CNRS)の研究室で働いた。この研究室はルーアンにあり、現在は引退したヴァレタン教授が所長だった。CNESを通じて、フランスの CERT(技術研究センター)でいくつかの実験が行われ、軍と密接な関係があった。一部の資金が与えられたが、この2回の試みでは、軍が研究室に無理やり私を科学的職から外すようにした。不幸なことに、この2回の試みに携わった人々の科学的知識は不十分であり、研究は失敗した。多くのお金が無駄にされた。そのため、1987年に私は完全に諦めることにした。しかし、最近になって新しいアイデアが私を再びこの分野に戻すようにした。経験から、フランスの機関と協力すると、過去に何度もあったように、すぐに軍の干渉が発生することを知っていた。したがって、私たちは自前の力と資源で再び始めることが決まった。これは狂ったように思えるかもしれない。しかし、私の考えでは、これらの研究は古くなった材料で行うことができる。さらに、20年前と比べて電子機器やコンピュータの価格は大幅に下がった。多くの優れた研究者、今は引退した人々が私たちに加わった。したがって、私はフランス南部に研究室を設立することを決めた。現在、私たちは古くなったシステムを収集している:コンデンサのバンク、さまざまな電圧の電源、低圧と高圧、イグニトロン、クライストロン、光学装置など、それらを保管している。必要なものをすべてそろえたら、すぐに行動を開始する予定である。

...では、いくつかの新しいアイデアを見てみよう。

...もしここをクリックすると、1975年に発表された「アカデミー・デ・サンスの報告書」のノートを読むことができる。フランス語が読めない場合は、いくつかの簡単な説明を以下に示す。以下の3つの図を参照してください。図1では、等電位ソレノイドを備えた円盤型の機械が示されている。この交流電流が交流磁場を生成する。この磁場(マックスウェル氏の功績により)が誘導電界 E' を生じ、円形の誘導電流を生み出す。これらの電流 J' を磁場の瞬時値と組み合わせると、放射状の力(ホール効果は無視できると仮定)が生じる。つまり、時間依存的な放射状の力 J' × B が生じ、これは外側と内側に交互に方向付けられる。つまり、このアイデアは、円盤の近くで時間的に制御された非定常イオン化を生み出すことができれば、円盤の上部で放射状の遠心力を使って流体に作用し、円盤の底部で放射状の向心力を使って流体に作用できるということだった。

...次の図では、私たちの円盤型機械の周囲に予想される誘導ガスフローを示している:

...計算結果によると、吸引効果は非常に強力であり、機械の停止点(機械が軸に沿って移動する)で衝撃波の形成を完全に打ち消すほどの力がある。技術的な問題は、壁の近くで時間的にイオン化を調整することだった。私たちはまず「狼の罠」に似た装置を考案した:

...壁に小さな円錐形の穴があり、その軸に「ピン」が挿さっている。円錐と平面の交点に円形の電極(アノード)がある。中央の電極(ピンのような形)は負に帯電している。すると、周囲の空気で電気放電が発生し、上記のように表示される。この電気放電に関連する磁場は、自由電子を押しのけ、エネルギーを与える傾向がある。私たちは、この放電によって空気中に短命の負イオンを生成し、そのイオンの寿命中にMHD相互作用を可能にできると考えた。適切な設備を持つ研究室でこのような研究を行うことができたはずだが、私たちはそれを持っていなかった。1973年から私は天文台にいて、これはプラズマ物理実験には最適な場所ではない。

...いずれにしても、1970年代後半には、この機械の興味深い側面が発見された。プラズマの専門家は、磁気圧が電気放電を押しのける傾向があることを知っている。私たちは低圧空気実験でこれを経験した。解決策はすぐに見つかった。対称面に最大値を持つ磁場(1つの等電位コイルで作られる)ではなく、3つのコイル(1つ大きなものと2つの小さなもの)を使用することにした。以下の図に示すように:

...左:機械の軸。上と右:電流の流れ方向を示す3つのコイルの図式的配置。図には磁場線が示されている。最大の B の面が、2つのコイルの円を含む円錐の一部に近いことがわかる。灰色の領域:プラズマが存在するであろう収束領域。実験的に即座に成功した。その後、機械の壁はMHD相互作用を最適化するために磁場線に直角でなければならない。最後に、MHD空力の典型的な外観を示す。これは誘導現象とパルスイオン化を用い、MHDの原則に基づいて最適化された、電極のないものである:

...なぜ私たちが科学界、軍、政治家などと問題を起こしたのかがお分かりだろう。

...短時間のイオン化は管理が難しかった。

冷温ガスMHD実験。

...しかし、最近、新しいアイデアが出てきた。以下の図に要約されている:

...モデルの壁はテフロン製である。2つのテフロンシェルにコイルが組み込まれている(等電位コイルと2つの「収束コイル」)。2つのクライストロンを使用し、2つの別々の波導に調整する。この2つは図に示されている。これらはコアックスのブロンズシリンダーである。一方が動作している間、もう一方は停止し、その逆も同様である。赤い細いブロンズの板は、拡散器として働き、マイクロ波を放出する。対称面にあるブロンズ板は、機械の反対側の空気をイオン化するために使用されるマイクロ波を妨げる。次の図では、マイクロ波が中央のチャネルを通過し、上部で細いブロンズの板に拡散され、テフロンを通過し、薄いイオン化空気層を生成する様子を示している。3 GHzのマイクロ波は大気圧下の空気をイオン化するのに最適であり、イオン化されたガスはマイクロ波を吸収する。したがって、イオン化は薄い層に閉じ込められる。

...このような装置で、円盤型モデルの近くに時間依存的なイオン化状態を作ることは比較的簡単である。また、3つのコイルにおける交流電流を同期させることも簡単である。したがって、このようなモデルは、非常に強力にその前に空気を吸引できる。もちろん、これは磁場の強さ(MHD相互作用パラメータが十分に高い必要がある)に依存する。衝撃波を長時間にわたって消滅させる必要はない。短時間の実験は、短時間の衝撃波トンネルで行うことができる。それを構築しなければならない。要するに、この衝撃波トンネルは、毎回試験で内容物を排気する強力な真空ポンプによって排気される大容量の真空タンクに依存している(すでに持っている)。左:超音速チャネル。チャネルとタンクの間にはミラーフィルムがある。ポンプがタンク内の圧力を十分に下げると、フィルムが破れる。典型的な流れの持続時間:数分の1秒。

...この単純なアイデアは、MHD研究を再開するには十分に興奮させた。次の画像:円盤型モデルの別の視点:

...次に:「パッシブ」モデルの周囲に予想されるガスフロー。衝撃波システム。

次に:ローレンツ力の作用によって衝撃波が消滅した後のフロー:

...私たちは「MHD水動力学」の実験、つまり高速潜水艦の実験を計画している。

高温ガスMHD実験。

...研究室では、衝撃波駆動の風洞(ショックチューブ)が建設される予定である。以下の図はMHD施設の図式的な見解を示している。

...次の図:施設のMHD部分。

...次の画像は、2つのコイルとMHDチャネルを示している:

...このような施設では、1967年にマルセイユの流体力学研究所でプラズマの加速が成功し、ローレンツ力が超音速流れを制御する効率を示した。入口速度(純粋なアルゴン、1気圧、10,000°K):2,750 m/s。出口速度:8,000 m/s!!

次の図:1987年に予定されていた超音速ショックチューブでの平板翼モデルの位置:

...ベルトラン・レブランの博士論文(1987年)、ヨーロッパの機械学術雑誌の出版物、および国際MHD会議(1987年ツクバ、1990年北京)での2回の発表は、ショックチューブによって供給される高温アルゴン流(10,000°K)における前線衝撃波の消滅に焦点を当てていた。今日、私たちはこの重要な実験を実施することを意図している。要するに、ある種の「翼」(2次元流れ)の前面に付着した衝撃波の存在は、レーザー干渉計(1965年にマルセイユの流体力学研究所で開発された)によって示される。右側には、高温アルゴン流で衝撃波が消滅した場合に期待される画像がある。

...現在、冷温ガスでの実験が理論的に可能になったので、高温アルゴンでのこの実験は余分に思えるかもしれない。しかし、私たちはこの2つの目標を「並行研究」として扱うことを好む。

マグネトハydroダイナミクス(MHD)の物理、宇宙論

...MHDは非常に広範な研究分野である。基本的な概念の発明者は有名なイギリスの科学者マイケル・ファラデーである。MHDには二つの側面がある。

  • 一方では、ローレンツ力 J × B を用いて流体を加速することができ、これはMHD加速器である。

  • 他方では、流体の運動エネルギーおよびエンタルピーを電気エネルギーに変換することができる。これはMHD発電機である。このような装置では、気体の流れが横方向の磁場 B に沿って速度 V で通過するとき、誘導電界 V × B が電荷を持つ粒子、自由電子やイオンに作用する。

...非常に優れた書籍が存在する(現在は科学図書館のみにしかない):

サットン&シェルマン:「エンジニアリング・マグネトハydroダイナミクス」、マックグラウ・ヒル・ブックス社、1967年

物理学者および修士課程の学生向けである。

...私は1964年からMHDに関する個人的な経験を持っている。1964年から1972年まで、マルセイユの流体力学研究所で働いた。その後、より最近の研究に焦点を当てた短縮版の参考文献を以下に示す:

(1) J.P. Petit : 「超音速飛行は可能か?」、第8回MHD電力生成国際会議、モスクワ、1983年
(2) J.P. Petit & B. Lebrun : 「ローレンツ力によるガス中の衝撃波の消滅」、第9回MHD電力生成国際会議、日本・ツクバ、1986年
(3) B. Lebrun & J.P. Petit : 「超音速流れにおけるMHD作用による衝撃波の消滅。準一次元定常解析と熱的ブロック」、European Journal of Mechanics ; B/Fluids、8、No.2、pp.163-178、1989年
(4) B. Lebrun & J.P. Petit : 「超音速流れにおけるMHD作用による衝撃波の消滅。非等エントロピー定常二次元解析。衝撃波防止基準、等エントロピー流れにおける衝撃管シミュレーション」、European Journal of Mechanics、B/Fluids、8、pp.307-326、1989年
(5) B. Lebrun : 「イオン化アルゴン流れにおける障害物周囲の衝撃波の理論的抑制アプローチ」、エネルギー工学修士論文No.233。フランス・ポワティエ大学、1990年。
(6) B. Lebrun & J.P. Petit : 「ローレンツ力場による衝撃波の理論的解析」、国際MHDシンポジウム、北京、1990年。

...その後、私は天文学および理論宇宙論に焦点を移した。1960年代には、高温の衝撃波トンネルを駆動する短時間MHD発電機を構築した。この装置は、高温の気体を短時間、高温・高速で、比較的高い圧力で生成することができた。これは低圧トンネルではない。典型的なパラメータは以下の通りである:

ガス:アルゴン
速度:2,700 m/s
温度:10,000 °K
圧力:1気圧
電気伝導率:4000 mkhos/m

...現在、私たちは私的資金によって新しい研究室を建設中である。2001年末までに運用可能になると予想している。活動は以下の分野をカバーする:

  • 高温ガス実験 - 冷温ガス実験(大気圧下の超音速空気流れ)

  • 低圧ガス実験(シミュレーション)。

  • 数値実験。

  • 水力実験(高速潜水艦モデル)。

...まず、なぜ13年間の中断の後、再び始めるのか?新しいアイデアがあるからである。1975年に私は、密な空気中での超音速飛行が音爆や乱流を生じることなく可能であると考えた。私はそのことについて科学雑誌に論文を発表した。当時は、その考えは狂ったもののように思えた。1975年、同僚のモーリス・ヴィトンとともに、1テスラの磁石を用いた水力実験を構築した。この磁場は、自由表面の流れ(8 cm/s)で小さなモデルの周囲の水流を変化させるために必要だった。モデルは円筒形(7 mmの直径)だった。実験は成功し、衝撃波(流体力学の専門家は、船が作る波が衝撃波に非常に似ていることを知っている)は完全に消えた。そのとき、このアイデアが最初に見たように非常に奇妙ではないかもしれないと考えた。

...その後10年間、科学的観点ではなく、いわゆる「政治的」観点から非常に困難だった。明らかに、この新しい概念はUFOに関係していた。ガス実験では、このような「MHD空力」は赤みがかった発光プラズマに囲まれており、低出力では赤みがかったが、高出力ではほぼ白くなる。電極がある場合、それらは「窓」のように見える。さらに、1975年に「パリ科学アカデミーの報告書」で最初に名前が付けられた「円盤型の機械」は、科学的に最適であり(MHDの基礎は流体力学の古典的な基礎とは異なる可能性がある)、科学界はそのプロジェクトにあまり熱心ではなかったが、科学的基礎は完全に明確だった。

...私はまず、1979年から1982年にかけてフランス宇宙研究センター(CNES)で研究を開始し、その後1984年から1986年にかけてフランス国立科学研究所(CNRS)の研究室で働いた。この研究室はルーアンにあり、現在は引退したヴァレタン教授が所長だった。CNESを通じて、フランスの CERT(技術研究センター)でいくつかの実験が行われ、軍と密接な関係があった。一部の資金が与えられたが、この2回の試みでは、軍が研究室に無理やり私を科学的職から外すようにした。不幸なことに、この2回の試みに携わった人々の科学的知識は不十分であり、研究は失敗した。多くのお金が無駄にされた。そのため、1987年に私は完全に諦めることにした。しかし、最近になって新しいアイデアが私を再びこの分野に戻すようにした。経験から、フランスの機関と協力すると、過去に何度もあったように、すぐに軍の干渉が発生することを知っていた。したがって、私たちは自前の力と資源で再び始めることが決まった。これは狂ったように思えるかもしれない。しかし、私の考えでは、これらの研究は古くなった材料で行うことができる。さらに、20年前と比べて電子機器やコンピュータの価格は大幅に下がった。多くの優れた研究者、今は引退した人々が私たちに加わった。したがって、私はフランス南部に研究室を設立することを決めた。現在、私たちは古くなったシステムを収集している:コンデンサのバンク、さまざまな電圧の電源、低圧と高圧、イグニトロン、クライストロン、光学装置など、それらを保管している。必要なものをすべてそろえたら、すぐに行動を開始する予定である。

...では、いくつかの新しいアイデアを見てみよう。

...もしここをクリックすると、1975年に発表された「アカデミー・デ・サンスの報告書」のノートを読むことができる。フランス語が読めない場合は、いくつかの簡単な説明を以下に示す。以下の3つの図を参照してください。図1では、等電位ソレノイドを備えた円盤型の機械が示されている。この交流電流が交流磁場を生成する。この磁場(マックスウェル氏の功績により)が誘導電界 E' を生じ、円形の誘導電流を生み出す。これらの電流 J' を磁場の瞬時値と組み合わせると、放射状の力(ホール効果は無視できると仮定)が生じる。つまり、時間依存的な放射状の力 J' × B が生じ、これは外側と内側に交互に方向付けられる。つまり、このアイデアは、円盤の近くで時間的に制御された非定常イオン化を生み出すことができれば、円盤の上部で放射状の遠心力を使って流体に作用し、円盤の底部で放射状の向心力を使って流体に作用できるということだった。

...次の図では、私たちの円盤型機械の周囲に予想される誘導ガスフローを示している:

...計算結果によると、吸引効果は非常に強力であり、機械の停止点(機械が軸に沿って移動する)で衝撃波の形成を完全に打ち消すほどの力がある。技術的な問題は、壁の近くで時間的にイオン化を調整することだった。私たちはまず「狼の罠」に似た装置を考案した:

...壁に小さな円錐形の穴があり、その軸に「ピン」が挿さっている。円錐と平面の交点に円形の電極(アノード)がある。中央の電極(ピンのような形)は負に帯電している。すると、周囲の空気で電気放電が発生し、上記のように表示される。この電気放電に関連する磁場は、自由電子を押しのけ、エネルギーを与える傾向がある。私たちは、この放電によって空気中に短命の負イオンを生成し、そのイオンの寿命中にMHD相互作用を可能にできると考えた。適切な設備を持つ研究室でこのような研究を行うことができたはずだが、私たちはそれを持っていなかった。1973年から私は天文台にいて、これはプラズマ物理実験には最適な場所ではない。

...いずれにしても、1970年代後半には、この機械の興味深い側面が発見された。プラズマの専門家は、磁気圧が電気放電を押しのける傾向があることを知っている。私たちは低圧空気実験でこれを経験した。解決策はすぐに見つかった。対称面に最大値を持つ磁場(1つの等電位コイルで作られる)ではなく、3つのコイル(1つ大きなものと2つの小さなもの)を使用することにした。以下の図に示すように:

...左:機械の軸。上と右:電流の流れ方向を示す3つのコイルの図式的配置。図には磁場線が示されている。最大の B の面が、2つのコイルの円を含む円錐の一部に近いことがわかる。灰色の領域:プラズマが存在するであろう収束領域。実験的に即座に成功した。その後、機械の壁はMHD相互作用を最適化するために磁場線に直角でなければならない。最後に、MHD空力の典型的な外観を示す。これは誘導現象とパルスイオン化を用い、MHDの原則に基づいて最適化された、電極のないものである:

...なぜ私たちが科学界、軍、政治家などと問題を起こしたのかがお分かりだろう。

...短時間のイオン化は管理が難しかった。

冷温ガスMHD実験。

...しかし、最近、新しいアイデアが出てきた。以下の図に要約されている:

...モデルの壁はテフロン製である。2つのテフロンシェルにコイルが組み込まれている(等電位コイルと2つの「収束コイル」)。2つのクライストロンを使用し、2つの別々の波導に調整する。この2つは図に示されている。これらはコアックスのブロンズシリンダーである。一方が動作している間、もう一方は停止し、その逆も同様である。赤い細いブロンズの板は、拡散器として働き、マイクロ波を放出する。対称面にあるブロンズ板は、機械の反対側の空気をイオン化するために使用されるマイクロ波を妨げる。次の図では、マイクロ波が中央のチャネルを通過し、上部で細いブロンズの板に拡散され、テフロンを通過し、薄いイオン化空気層を生成する様子を示している。3 GHzのマイクロ波は大気圧下の空気をイオン化するのに最適であり、イオン化されたガスはマイクロ波を吸収する。したがって、イオン化は薄い層に閉じ込められる。

...このような装置で、円盤型モデルの近くに時間依存的なイオン化状態を作ることは比較的簡単である。また、3つのコイルにおける交流電流を同期させることも簡単である。したがって、このようなモデルは、非常に強力にその前に空気を吸引できる。もちろん、これは磁場の強さ(MHD相互作用パラメータが十分に高い必要がある)に依存する。衝撃波を長時間にわたって消滅させる必要はない。短時間の実験は、短時間の衝撃波トンネルで行うことができる。それを構築しなければならない。要するに、この衝撃波トンネルは、毎回試験で内容物を排気する強力な真空ポンプによって排気される大容量の真空タンクに依存している(すでに持っている)。左:超音速チャネル。チャネルとタンクの間にはミラーフィルムがある。ポンプがタンク内の圧力を十分に下げると、フィルムが破れる。典型的な流れの持続時間:数分の1秒。

...この単純なアイデアは、MHD研究を再開するには十分に興奮させた。次の画像:円盤型モデルの別の視点:

...次に:「パッシブ」モデルの周囲に予想されるガスフロー。衝撃波システム。

次に:ローレンツ力の作用によって衝撃波が消滅した後のフロー:

...私たちは「MHD水動力学」の実験、つまり高速潜水艦の実験を計画している。

高温ガスMHD実験。

...研究室では、衝撃波駆動の風洞(ショックチューブ)が建設される予定である。以下の図はMHD施設の図式的な見解を示している。

...次の図:施設のMHD部分。

...次の画像は、2つのコイルとMHDチャネルを示している:

...このような施設では、1967年にマルセイユの流体力学研究所でプラズマの加速が成功し、ローレンツ力が超音速流れを制御する効率を示した。入口速度(純粋なアルゴン、1気圧、10,000°K):2,750 m/s。出口速度:8,000 m/s!!

次の図:1987年に予定されていた超音速ショックチューブでの平板翼モデルの位置:

...ベルトラン・レブランの博士論文(1987年)、ヨーロッパの機械学術雑誌の出版物、および国際MHD会議(1987年ツクバ、1990年北京)での2回の発表は、ショックチューブによって供給される高温アルゴン流(10,000°K)における前線衝撃波の消滅に焦点を当てていた。今日、私たちはこの重要な実験を実施することを意図している。要するに、ある種の「翼」(2次元流れ)の前面に付着した衝撃波の存在は、レーザー干渉計(1965年にマルセイユの流体力学研究所で開発された)によって示される。右側には、高温アルゴン流で衝撃波が消滅した場合に期待される画像がある。

...現在、冷温ガスでの実験が理論的に可能になったので、高温アルゴンでのこの実験は余分に思えるかもしれない。しかし、私たちはこの2つの目標を「並行研究」として扱うことを好む。

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