イグニトロンおよびMHD6発火システム

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

  • テキストは、水銀の浴内に電気弧を生成するためにイニグトロンを用いた磁気流体動力学(MHD)実験について記述している。
  • 測定はオシロスコープとイオン化プローブを用いて行われ、ガス動力学的パラメータが記録された。
  • 有望な科学的潜在能力にもかかわらず、行政的および技術的な困難のため、実験は中止された。

MHD6の開始

…台所用のバケツほどの大きさの装置で、陽極と陰極を含む容器であり、陰極は水銀の浴として存在する。陽極と陰極の間には真空中が存在する。つまり、周囲温度に応じた飽和水銀蒸気で満たされた空間であり、電気伝導率が非常に低いため、電流が流れることはない。電極には5kVの電圧が加えられている。この装置には、水銀表面に近い位置に小さな電極「トリガー」が設けられている。この電極と水銀陰極の間に放電を発生させると、水銀が蒸発し、その蒸気が部屋を満たす。これにより、電気弧が形成される。いわば、閉じた空間での雷である。放電が開始されると、銅導体におけるジュール熱によってコンデンサのエネルギーがすべて散逸するまで、放電は維持される。その後、水銀蒸気が凝縮し、イニトロンは次の実験に備える。ビールの缶ほどの大きさのもう一つのイニトロンがあれば、試験用モデルの電極に、適切なタイミングで電流を流すことが可能である。

…以下、操作制御の図式:

…1965年当時、このような実験の主なコストは電子機器とデータ記録にかかっていた。もちろん、当時はマイクロコンピュータは存在しなかった。当時最も高性能だったオシロスコープ(米国テクトロニクス製、真空管式)の帯域幅は、今日の目には笑ってしまうほど低く、1メガヘルツだった。しかし、その当時の単価は4万フランに達していた。今日なら、同等の性能でコストを10分の1に抑えることができる。

オシロスコープの画面に現れる波形は、偏光フィルムに写真撮影されていた。今日なら、これらの実験パラメータのすべてを、低価格のマイコンと専用カードで自動収集できる。

…風洞のパラメータ記録は極めて簡単だった。壁面にわずかな電圧をかけた小さな針状電極のペアを配置するだけでよかった。電極間の距離は1ミリメートルであり、アーガンガスの希薄な環境では電流が流れることはない。しかし、衝撃波が通過すると、その直後、10,000度のアーガンガスに電極が浸かるだけで、信号が得られる。2つの「イオン化探針」を、ノズルの上流に10~20cm離して配置し、二重波形オシロスコープで信号を記録することで、衝撃波の速度を測定でき、その計算から気体の温度、圧力、イオン化度、電気伝導率などのすべてのガス動力学的パラメータを導き出すことが可能だった。補足的な測定には他のオシロスコープも必要だった。高圧室の放電装置や、電気スイッチング装置から発生する強い雑音からこれらのオシロスコープを守るため、それらはシールド付き同軸ケーブルで探針に接続され、ファラデーケージ内に収められ、実験者たちもこの中にいた。

…以上が、1975年から1980年の間に開発した理論の妥当性を検証するための実験装置の説明である。この理論は、物体が衝撃波を発生させずに気体中を超音速で移動する可能性についてのものである。この衝撃波の消失を実証する方法についても述べる必要がある。古典的かつ実証済みの方法として、試験流路を通過する光と、外部を通過する光の干渉によって水平の縞模様を生成する方法がある。衝撃波は気体の密度の急激な変化を示し、これにより屈折率が変化する。従って、衝撃波はこの方法で古典的に可視化される。左図は、翼の先端に接する斜め衝撃波による「縞の飛び」の典型的な様子を示している。右図は、衝撃波が消滅した同じ状態である。

…10,000度のアーガンプラズマはそれなりに明るいので、使用する光源は、プラズマより明るい光を発する小型ヘリウムネオンレーザーである。

…1980年代後半、レブランと私は、CNRSの資金援助を受けた博士論文の枠内で、この実験のすべてのパラメータを計算した。私は、この実験が初回で成功したと確信している。これまで私が実験室の衝撃管で試みてきたすべてのMHD実験と同じように、成功するはずだった。特に1966年の実験を思い出している(今後、別の文書で述べる予定)。その実験の目的は、電子温度(10,000度)が試験ガス温度(6,000度)より著しく高い「二温度」状態でMHD発電機を稼働させることだった。当時、その障壁は「ヴェリコフ不安定性」であり、多くの国でMHD研究がすべて無駄になった。しかし、この障壁を回避するための工夫により、実験は初回で成功した。私は1967年にワルシャワで開催された国際会議でこの成果を発表した。しかし、その研究室の悪質な雰囲気に耐えられず、私はその場を去り、天体物理学に転向した。私の学生であるジャン=ポール・カレッサは、この研究テーマのすべてを引き継ぎ、彼の博士論文とした(ただし、彼はヴェリコフのイオン化不安定性の微妙な点をまったく理解していなかったが、その消滅こそが実験の鍵であった)。彼はワーストン賞を受賞し、後にメドンの航空熱力学研究所所長、そしてプロヴァンス=アルプ=コート・ダジュール地域のCNRS地域局長となった。

このようなプロジェクトがどうなったか

…1980年代半ば、私はCNRS総局長のピエール・パポンにこの研究テーマに興味を持ってもらい、彼の支援を得た。その支援は、物理工学部門長のミシェル・コムバヌスを通じて行われた。当時、私はマルセイユ天文台に勤務しており、このような実験を実施するには不向きな場所だった。コムバヌスは、ルーアンのヴァレタン教授の研究所を紹介してくれた。CNRSが一部の費用を負担し、軍隊が追加資金を提供することになっていた。しかし、軍隊はすぐに、私の完全な排除を要求した。その理由は科学とは無関係だった。CNRSのトップが交代し、パポンとコムバヌスの支援を失った。レブランの奨学金が使い果たされたため、彼が研究を継続するための支援は一切行われなかった。

…ルーアンのチームは、MHDに関して全く経験がなく、古い衝撃管しか持たなかった。彼らは次々と誤りを重ね、最終的に資金を無駄にした(MHDノズルや電力装置は、素人の手で作られ、次々と爆発した)。

…非常に残念な結果である。近い将来、理論的・実験的なすべての要素をCD-ROMに収録し、関心を持つ研究室がこのタイプの比較的簡単な実験を実施できるようにする予定である。この概要は簡略ではあるが、電子機器のコスト低下を考えれば、この研究は、工学系大学院や、アメリカ大陸の二流大学の物理学科でも実施可能である。しかし、私はフランスでこのような研究が発展するとはほとんど考えられない。なぜなら、民間研究は、特にこの分野では、しばしば軍事機関の支配下にあるからである。

…彼らがこの分野の独占を望んでいると想像するかもしれないが、実際はそうではない。調査の結果、1986年に私が放棄してから14年後、軍事MHDはまったく存在しなかったことが判明した。

…この実験が成功していたなら、次に空気(大気圧)中での低温ガスでの実験を検討しただろう。1975年に水力で成功した、円柱の後方における乱流の尾流を完全に抑制する実験(1979年にトゥールーズのGEPANチームが、人間的に不快な状況下で完全に失敗した)は、非常に興味深いものであった。

…先ほど述べた円筒形MHD装置の図式に戻る。

…上記で、この装置を用いて物体の前方の波頭を抑制する方法を説明した。しかし、相互作用のパラメータをより弱くすると、静止した流体中でも、興味深い誘導流れを生成できる。

…当時、この流れは色の付いた糸(小話だが、同僚で友人の天文学者モーリス・ヴィトンの台所で、彼がスパイス・アストロノミー研究所の16mmフィルムを撮影した)を使って可視化できた。

…中程度の速度で流れる流体中に置かれたこの模型は、通常、流体の流れに対して垂直な生成線を持つ円柱の後方で発生する強力な乱流尾流を完全に抑制できる。1979年から私は、空気中での亜音速実験において、壁面に単純なマイクロフォンを設置することで、この乱流(騒音)の消失を検出することを試みた。原理的には、簡単な実験だった。側面のソレノイドが数キロガウスの連続磁場を発生させ、十分な強度であった。残された課題は、模型周辺でのイオン化の問題だった。

…1979年にGEPANに提出した報告書「磁流体力学の展望」では、この実験の原理が記述されていた。私は、3ギガヘルツのマイクロ波を使って必要なイオン化を生成することを提案した。しかし、彼らは私の承認なしに、非常に高出力の高周波電源(500ヘルツのパルス、ピーク出力1メガワット)を使って、以下の実験を構築した。

…マイクロ波は、10cm×10cmの大きな波導を介して、側面からノズルに導入され、テフロン製の窓から外部に放出された。

…プロジェクトを担当したエンジニア、ベルナール・ザッポリは、当時のGEPAN長アルラン・エステルの直轄下にあり、この横方向のマイクロ波注入によって、模型周辺の全断面にわたってイオン化を生じさせられると考えた。しかし、高周波によるイオン化の現象を全く理解していなかったため、得られた結果は彼を驚かせた。イオン化は確かに発生したが、テフロン窓に接するわずか数ミリメートルのガスに限定されていた。

…イオン化とはプラズマを意味する。そして、プラズマが電磁波を非常に効果的に遮蔽するという事実はよく知られている。そうでなければ、宇宙飛行士が大気圏再突入中に、自由にラジオ通信が可能になってしまう。

…この誠実な青年が当時、私の支援を求めなかったのは残念だった。私は一瞬で彼を救うことができた。なぜなら、どこにイオン化すべきだったか? 模型の周囲である。彼の解決策は、模型内部から高周波を導入することだった(水道工事で使われる単純なPVCパイプで十分)。近くの薬局で購入した2本の鉄のストローで、マイクロ波を非常に効果的に拡散させることができた。それらの波が模型表面に接する空気を処理し、模型の周囲に均一なイオン化ガスの膜を形成したのである。

…この実験は、私が研究者として挑戦してきたすべての実験と同じように、初回で成功した可能性が高い。

Image1721

Image1716

Image1717

Image1718

Image1719

Image1720