부록 1: MHD
- 페이지 1 -
- 충격파 소멸 개념에 대한 일반적인 내용
이 개념은 70년대 초에 도입되었습니다. 이후 미국 정부는 MHD가 미래 군사 프로젝트에서 중요한 역할을 할 수 있음을 인식했습니다. 동시에 미국 과학자들은 MHD가 초음속 비행과 관련이 있음을 깨달았습니다. 그들은 대중을 오도하기로 결정했습니다. 공식적으로 미국에서는 MHD가 포기되었습니다. 민간 MHD는 포기되었습니다. 대규모 산업 프로젝트도 포기되었습니다. 그러나 동시에, MHD 군사 연구에 대해 최대한의 비밀 유지 하에 집중적인 연구가 시작되었습니다. 이 사실은 최근(2001년)에야 드러났습니다. 독자는 이 정보를 믿거나 믿지 않을 수 있습니다. 우리는 1970년부터 현재까지 미국에서 일어난 일에 대해, 밀수 프로그램에 참여한 미국의 고위 과학자들로부터 알려졌습니다. 이에 대한 유일한 근거는 과학적 근거입니다. 오늘날에도 여전히 초음속 가스 흐름에 적용된 MHD에 대해 많은 중요한 특성들이 알려지지 않았으며, 이로 인해 70년대 중반 미국에서는 놀라운 기초적인 발전이 가능했습니다. 30년 전, 미국은 다양한 분야(군사적)에서 고급 기술을 통해 세계를 지배했으며, 이는 마하 12까지의 장시간 초음속 비행을 가능하게 했습니다.
이 부록을 읽는 사람이 누구인지 모르겠습니다. 이 부록을 읽기 위해서는 초음속 유체역학, 특성 이론 및 MHD에 대한 전문 지식이 필요합니다. 1967년에 출판된 매우 좋은 책인 "Engineering Magnetohydrodynamics" (Sutton과 Sherman, Mac Graw Hill Books Company)가 있습니다.
이제 기본 개념을 소개하겠습니다.
초음속 흐름에서는 "마흐선"을 고려할 수 있습니다.
초음속 흐름에서의 마흐선(또는 마흐 표면)
이러한 마흐선의 각도는 속도의 지역적 값에 따라 달라집니다.
속도 증가가 마흐 각도에 미치는 영향
초음속 흐름을 고려할 때, 마흐선 또는 "특성선"은 실제입니다. 이들은 흐름을 지도합니다. 다음은 2차원 초음속 시험 노즐(초음속 풍동)입니다.
수류가 수축 구역에서 하음속 상태입니다. 수학적으로, 특성선(마흐 표면)은 허상입니다. 소리의 속도는 노즐의 목부에서 도달합니다. 이후 마흐 표면은 실제가 됩니다. 이를 시각화할 수 있습니다:
초음속 노즐에서의 마흐 표면 또는 마흐선의 변화.
노즐에서는 속도가 지속적으로 증가합니다. 동시에, 마흐 각도는 감소합니다(목부에서 90도입니다). 이는 초음속 흐름의 확장으로 인해 마흐 표면 시스템의 "자연적인 변화"를 나타냅니다.
이제 2차원 초음속 흐름이 평판 날개 주변에서 발생하는 경우를 고려해 보겠습니다. 특성 이론을 통해 이론적인 마흐선 시스템을 계산할 수 있습니다:
초음속 가스 흐름에 잠긴 평판 날개 주변의 이론적 특성선.
이것은 물리적으로 사실이 아닙니다. 이는 "순수한 수학적"입니다(특성 시스템의 해). 이는 특성 표면이 충돌하고 특정 지역에서 축적되는 방식을 보여줍니다. 이들은 압력 변화의 기본 표면입니다. 흐름 중앙에서는 압력이 감소하고 가스가 가속되는 전형적인 확장 팬이 보입니다. 그러나 다른 지역에서는 마흐 표면이 축적되어 충격파가 붙어 있는 경우가 보입니다. 다음 그림은 실제로 물리적인 해로, 이후에 붙은 충격파가 있는 경우입니다:
평판 충격파가 붙은 물리적 조건.
다음: 이러한 평판 충격파.
다음: 이러한 평판과 함께 유선.
날개 끝이 날카로운 경우, 전면 충격파는 붙어 있습니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다:
평판 날개의 날개 끝 근처에 붙은 전면 충격파.
날개 끝이 둥근 경우, 상황은 약간 다릅니다. 충격파는 파도처럼 보입니다.
둥근 날개 끝에서의 충격파.
전통적인 관점에서 보면, 이러한 충격파는 피할 수 없습니다. 이는 압력과 온도의 급변을 나타냅니다. 마하 수가 3을 초과하면, 재료는 열 흐름을 견디지 못하고 증발합니다. "스케임젯"에서는 액체 수소와 산소로 날개 끝을 냉각시켜 마하 5-6의 짧은 비행을 가능하게 합니다. 그러나 마하 12의 초음속 비행은 기술적으로 불가능하다고 여겨집니다. 1947년, 외계인 비행체 현상이 이상한 질문을 제기했습니다. 마하 수가 이 정도로 높을 수 있는지 여부입니다. 로스웰에서 미국인들은 추락한 기계를 회수했고, 이는 즉시 두 가지 사실을 입증했습니다:
-
외계인 비행체는 확실히 존재했습니다.
-
그들은 다른 행성계에서 왔습니다.
이에 대해 완전한 비밀을 유지하기로 결정했습니다. 미국에서는 이에 대해 강력하고 적극적인 오도 정책이 시행되었으며, 지금까지 계속되고 있습니다. 예를 들어, NASA는 공식 웹사이트에서 외계인 비행체가 단지 환상일 뿐이라고 설명하고 있습니다. 이는 50년이 지난 후입니다. 미국인들이 MHD가 초음속(무소음) 비행의 열쇠, 즉 주요 단어임을 이해하는 데 시간이 걸렸습니다. 외계인 비행체의 무소음 비행은 충격파(및 난류)가 피할 수 있음을 보여줍니다. 이를 설명하기 위해 우리는 저자의 개인적인 연구(1960년대와 1970년대에 개발된)를 인용합니다. 이 연구는 미국의 거대한 노력과 비교해 비교적 소규모 실험 장비로 수행되었습니다. 이는 기본적인 아이디어를 보여주기에 충분합니다. 다음 그림은 MHD 채널과 두 개의 코일을 갖춘 "파라데이 MHD 선형 변환기"입니다.
파라데이 MHD 변환기
두 코일을 제거하면 다음과 같은 결과가 나옵니다:
파라데이 채널(코일은 제거됨)
여기서 변환기는 MHD 발전기로 작동합니다. 초음속 유체가 속도 V로 채널에 들어가면, 유도된 전기장 E × B가 발생합니다. 이는 가스 내 전류를 생성하고, 외부 부하를 통해 흐릅니다. 가스의 운동 에너지 중 일부는 전기로 변환될 수 있습니다. 이는 가스의 속도 감소를 동반합니다. 속도, 전기장 및 결과적인 루렌츠 힘 시스템은 아래 그림과 같습니다:
MHD 발전기에서의 전기장과 루렌츠 힘장.
루렌츠 힘은 "세 손가락 법칙"을 따릅니다:
이 첫 번째 아이디어는 매우 중요합니다. 실제로, 우리는 MHD 가속기로 초음속 유체를 느리게 할 수 있음을 보여줍니다. 적절히 관리하면 유체의 매개변수를 "부드럽게" 변경할 수 있으며, 충격파의 발생 없이 가능합니다.
이것이 초음속 비행 개념의 핵심 아이디어이며, 나중에 더 자세히 설명할 것입니다. 다음으로, MHD 발전기에서 마흐선의 특성 패턴을 보여줍니다. 마흐 각도는 지속적으로 변화하며, 충격파는 발생하지 않습니다.
루렌츠 힘의 작용으로 인해 마흐선 시스템의 충격파 없이 변화
이 아이디어는 매우 단순하지만, 세계 전역에서 매우 오랫동안 최고 기밀로 간주되었습니다. 한편, MHD 변환기는 가속기로 사용될 수 있습니다. 이를 위해 전기 에너지를 주입하여 전류를 역전시키고 가속화하는 루렌츠 힘을 얻으면 됩니다. 그러면 지역적인 마흐 각도 값을 조절할 수 있습니다. 저는 1967년에 연구실에서 매우 인상적인 가속을 짧은 거리에서 얻었습니다.
가스가 왼쪽에서 채널에 들어가고, 루렌츠 힘이 가속화합니다.
이것이 꿈이 아니었음을 보여주겠습니다. 다음은 1960년대 프랑스 마르세유의 유체역학 연구소에서의 저의 MHD 연구실입니다.
1960년대의 저의 MHD 연구실. 앞쪽: 전극. 왼쪽: 오래된 Tektronix 진공관 오실로스코프. 아래: 전극이 매달린 파라데이 변환기. 또한, 커패시터 배터리에서 생성된 50,000 암페어의 전류를 전환하는 데 사용된 "이니트론"이 있습니다.
이것은 "단기 풍동"으로, "충격 관" 기반입니다. 충격에 의해 이온화된 아르곤 흐름(200 마이크로초)이 6미터 길이의 일정한 면적 풍동에 밀려 들어갑니다. 가스는 이동하고 압축됩니다(압축 후 압력: 1기압). 가스는 10,000K까지 가열되어 우수한 전기 전도도(3000 mhos/m)를 제공합니다. MHD 채널의 가스 속도는 2,750m/s입니다. 이 채널은 10cm 길이입니다. 가속 실험 중, 배출 속도는 8,000m/s에 도달하여, 고자기장(2테슬라)과 고전류 밀도에서 루렌츠 힘의 놀라운 가속 효율을 보여줍니다. 다음은 전통적인 MHD 효율입니다:
MHD 효율. J는 전류 밀도, B는 자기장, L은 특성 길이입니다. 아래: 질량 밀도와 속도 v.
1980년대 초, 프랑스 엔지니어 베르트랑 레브룬이 저와 함께 박사 과정을 시작했습니다. 저는 무충격 초음속 비행의 기본 아이디어를 정의했습니다. 이는 민간 연구였지만, 동시에 캘리포니아의 유명한 로렌스 리버모어 연구소에서 비밀리에 유사한 연구가 진행되고 있음을 알고 있습니다. 우리는 이미 이론적인 초음속 흐름 주변의 평판 날개와 관련된 마흐선의 일반적인 패턴을 제시했습니다. 우리는 지역적인 마흐 각도 값을 적절한 루렌츠 힘장 선택을 통해 변경할 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, 횡방향 자기장과 두 개의 벽 전극을 사용하여 날개 끝 주변의 흐름을 가속화할 수 있습니다:
날개 끝 근처의 가속 전극
다음은 결과적인 루렌츠 힘장입니다:
루렌츠 힘장
이러한 장치를 사용하면 날카로운 날개 끝 근처의 전면 충격파를 제거할 수 있었으며, 이는 충격파 시스템을 피할 수 있음을 보여줍니다. 이는 초음속 비행 문제를 근본적으로 바꾸었습니다. 이제 목표는 평판 날개 주변의 충격파를 제거하는 것이었으며, 이는 마흐선을 평행하게 유지하는 것을 의미했습니다:
레브룬의 박사 논문: 목표
평판 날개 모델 주변에 세 쌍의 벽 전극이 배치되었습니다:
레브룬의 박사 논문(1987년)
위: 이론적인 특성선 패턴(마흐선 또는 마흐 표면). 모델 주변에 적절한 루렌츠 힘장이 적용된다면, 특성선 집중 현상을 피할 수 있을 것으로 예상되었습니다. 이는 컴퓨터 계산을 통해 입증되었으며, 여러 국제 MHD 회의(일본의 타쿠바, 중국의 베이징 등)에서 발표되었습니다(참고문헌 및 인용된 논문 참조). 마흐선의 일반적인 패턴은 다음과 같습니다:
레브룬의 박사 논문. 특성선.
이 작업은 민간 연구소에서 수행되었지만, 동시에 미국에서는 고도의 비밀 유지 하에 동일한 연구가 진행되고 있음을 알고 있습니다. 프랑스 당국은 이러한 결과가 외계인 비행체의 외계성질을 드러낼 수 있다는 점에서 끔찍하게 두려워했으며, 분노했습니다. 모든 민간 연구는 중단되었습니다. 군대는 자체 연구소에서 이 연구를 계속하려 했지만, 지식 부족으로 실패했습니다. 그 동안 미국의 프로젝트는 매우 빠르게 진행되었습니다. 투구 및 잠수함 추진에 대한 병렬 연구가 밀집되어 진행되었습니다. 독자의 정신을 혼란스럽게 하지 않기 위해 나중에 이에 대해 자세히 설명하겠습니다.
참고문헌:
(1)
J.P. Petit: "초음속 비행은 가능한가?" MHD 전기 생산 국제 회의, 모스크바, 1983년.
(2)
J.P. Petit & B. Lebrun: "루렌츠 힘의 작용으로 가스에서 충격파 소멸". MHD 전기 생산 국제 회의, 타쿠바, 일본, 1986년.
(3)
B. Lebrun & J.P. Petit: "초음속 유동에서 MHD 작용으로 충격파 소멸. 준일차원 정상 분석 및 열 차단". 유럽 역학 저널; B/유체, 8, 번호 2, 163-178, 1989년.
(4)
B. Lebrun & J.P. Petit: "초음속 유동에서 MHD 작용으로 충격파 소멸. 이중차원 정상 비등엔트로픽 분석. 반충격 기준 및 등엔트로픽 유동을 위한 충격관 시뮬레이션". 유럽 역학 저널, B/유체, 8, 307-326, 1989년.
(5)
B. Lebrun: "이온화된 아르곤 유동 내에 위치한 날카로운 장애물 주변에서 충격파의 이론적 접근". 에너지 공학 박사학위 논문 번호 233. 프랑스 포티에 대학교, 1990년.
(6)
B. Lebrun & J.P. Petit: "루렌츠 힘장에 의한 충격파 소멸의 이론적 분석". 국제 MHD 심포지엄, 베이징, 1990년.
부록 1 (MHD), 다음 페이지
