MHD 물리 공기역학 우주론

...MHD는 매우 광범위한 연구 분야입니다. 기본 개념의 발명자는 유명한 영국 과학자 마이클 파라데이입니다. MHD는 두 가지 측면을 가지고 있습니다.

• 한편, 루렌츠 힘 J x B를 통해 유체를 가속화할 수 있으며, 이는 MHD 가속기입니다.

• 다른 한편, 유체의 운동 에너지와 엔탈피를 전기 에너지로 변환할 수 있습니다. 이는 MHD 발전기입니다. 이러한 시설에서, 가스 흐름이 횡방향 자기장 B를 따라 속도 V로 흐를 때, 유도된 전기장 V x B가 전하를 띤 입자, 자유 전자 또는 이온에 작용합니다.

...매우 좋은 책이 존재합니다(현재는 과학 도서관에서만 이용 가능) :

Sutton & Sherman : "Engineering magnetohydrodynamics", Mac Graw Hill Books Cie, 1967

물리학자와 대학원생을 위한 것입니다.

...1964년부터 저는 MHD에 대한 개인적인 경험을 가지고 있습니다. 1964년부터 1972년까지 마르세유 유체역학 연구소에서 일했습니다. 이후, 최근 연구에 집중한 줄인 참고문헌을 소개합니다:

(1) J.P.Petit : "초음속 비행이 가능한가?" 제8회 MHD 및 전력 생산 국제 회의. 모스크바 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun : "가스에서 충격파 제거를 위한 루렌츠 힘 작용". 제9회 MHD 및 전력 생산 국제 회의. 일본 출장, 1986
(3) B.Lebrun & J.P.Petit : "초음속 흐름에서 MHD 작용으로 충격파 제거. 1차원 정적 분석 및 열 차단". 유럽 역학 저널; B/유체, 8 , No.2, 163-178, 1989
(4) B.Lebrun & J.P.Petit : "초음속 흐름에서 MHD 작용으로 충격파 제거. 2차원 정적 비등엔트로픽 분석. 반충격 기준, 및 등엔트로픽 흐름을 위한 충격관 시뮬레이션". 유럽 역학 저널, B/유체, 8 , 307-326, 1989
(5) B.Lebrun : "이온화 아르곤 흐름에서 장애물 주변에 형성되는 충격파의 제거에 대한 이론적 접근". 에너지 공학 박사 논문 No. 233. 프랑스 포티에 대학, 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit : "루렌츠 힘장에 의한 충격파 제거의 이론적 분석". 국제 MHD 심포지엄, 베이징 1990.

...그 후 저는 천체물리학과 이론 우주론으로 분야를 바꾸었습니다. 60년대에 우리는 짧은 시간 동안 작동하는 MHD 발전기를 건설했습니다. 이 장치는 뜨거운 공기 터널에서 충격파로 구동되었습니다. 이 장치는 짧은 시간 동안 고온, 고속, 상대적으로 높은 압력의 유동을 생성할 수 있었습니다. 이는 저압 터널이 아닙니다. 일반적인 매개변수는 다음과 같습니다 :

가스 : 아르곤
속도 : 2,700 m/s
온도 : 10,000°K
압력 : 1 bar
전기 전도도 : 4000 mkhos/m

...우리는 현재 새로운 실험실을 사적 자금으로 건설하고 있습니다. 2001년 말까지 운영될 것으로 기대합니다. 활동은 다양한 분야를 포함합니다 :

• 뜨거운 가스 실험 - 차가운 가스 실험 (대기압에서의 초음속 공기 흐름)

• 저압 가스 실험 (시뮬레이션).

• 수치 실험.

• 유압 실험 (고속 잠수함 모델).

...먼저, 왜 13년의 중단 후에 다시 시작해야 할까요? 우리는 새로운 아이디어가 있기 때문입니다. 1975년에 저는 밀도 높은 공기에서 초음속 비행이 가능하다고 상상했습니다. 이는 소리의 폭발이나 난류 없이 가능했습니다. 저는 이에 대해 과학 저널에 논문을 발표했습니다. 당시에는 이 아이디어가 미친 생각처럼 보였습니다. 1975년, 제 동료 모리스 비톤과 함께 1테슬라 자석을 사용한 유압 실험을 만들었습니다. 이 자기장은 자유 표면 흐름(8cm/s)에서 작은 모델 주변의 물 흐름을 수정하기 위해 필요했습니다. 모델은 7mm 직경의 실린더였습니다. 실험은 성공적이었고, 전면 파도(유체역학 전문가들은 선박이 만드는 파도가 충격파와 매우 유사하다는 것을 알고 있습니다)는 완전히 제거되었습니다. 저는 이 아이디어가 처음에는 허황된 것처럼 보였지만, 사실은 그렇게 허황하지 않을 수도 있다고 생각했습니다.

...그 후 10년 동안 모든 것이 매우 어려웠습니다. 과학적인 측면이 아니라, 말하자면 정치적인 측면에서 말입니다. 분명히, 이 새로운 개념은 외계인(UFO) 문제와 관련이 있었습니다. 가스 실험에서, 이러한 "MHD 공기역학"은 빨간빛에서 약한 상태에서 밝은 흰색으로 강한 상태까지의 빛나는 플라즈마로 둘러싸여 있습니다. 기계에 전극이 있다면, 이들은 "창문"처럼 보일 것입니다. 또한, 1975년 파리 과학 아카데미의 "보고서"에서 처음 이름을 얻은 원반 모양의 기계는 과학적으로 최적입니다(이것은 전통적인 유체역학의 기초와 다를 수 있는 MHD의 기초를 기반으로 하며, 이로 인해 과학계는 이 프로젝트에 대해 그렇게 열정적이지 않았습니다. 이는 과학적 기초가 완전히 명확했기 때문입니다.

...저는 먼저 프랑스의 CNES(국가 우주 연구 센터)에서 1979년부터 1982년까지 연구를 시작했고, 1984년부터 1986년까지 CNRS(국가 과학 연구 센터)의 연구소에서 일했습니다. 이 연구소는 루앙에 있었고, 현재는 퇴직한 밸레탱 교수의 지도 아래 있었습니다. CNES를 통해 툴루즈의 프랑스 CERT(기술 연구 및 개발 센터)에서 일부 실험을 진행했습니다. 이 연구소는 군대와 밀접한 관계를 가지고 있었습니다. 일정한 자금이 제공되었지만, 이 두 번의 시도에서 군대는 실험실을 무력화시켜 저를 과학적 직책에서 밀어냈습니다. 불행히도, 이 두 경우 모두 관련된 사람들의 과학적 배경이 부족하여 연구는 실패했습니다. 많은 돈이 낭비되었습니다. 그래서 1987년에 저는 완전히 포기하기로 결정했습니다. 하지만 최근에 새로운 아이디어가 저를 다시 이 분야로 되돌려 놓았습니다. 경험을 통해 저는 프랑스의 기관과 협력하면 과거와 마찬가지로 군대의 간섭이 즉시 발생할 것임을 알고 있었습니다. 따라서 우리는 자력과 자원으로 다시 시작하기로 결정했습니다. 이는 미친 생각처럼 보일 수 있지만, 저는 이 모든 연구가 오래된 재료로 수행될 수 있다고 생각합니다. 또한, 20년 전에 비해 전자 및 컴퓨터의 가격은 크게 감소했습니다. 많은 훌륭한 연구자들이 퇴직하여 저희와 함께 했습니다. 따라서 우리는 프랑스 남부에 실험실을 설립하기로 결정했습니다. 현재 우리는 오래된 시스템을 수집하고 있습니다: 커패시터 은행, 다양한 전압의 전원 공급 장치, 저전압 및 고전압, 이온화 장치, 클리스트론, 광학 장치 등이며, 이들을 저장하고 있습니다. 우리가 필요한 모든 것을 갖추면, 곧 실행에 옮길 것입니다.

...이제 이 새로운 아이디어들 중 일부를 살펴보겠습니다.

...여기 클릭하면 1975년에 발표된 과학 아카데미 보고서를 읽을 수 있습니다. 프랑스어를 읽지 못한다면 간단한 설명을 드리겠습니다. 다음은 세 번째 그림입니다. 그림 1에서, 등장하는 원반 모양의 기계, 등장하는 등장하는 솔레노이드, 교류 전류가 교류 자기장을 생성합니다. 이 자기장은 마이클 패러데이의 도움으로 유도된 전기장 E'를 생성하려고 합니다. 이 유도된 전기장은 원형 유도 전류를 생성하려고 합니다. 이러한 전류 J'를 자기장의 순간 값과 결합하면, 라디얼 힘(홀 효과는 무시됩니다)을 얻을 수 있습니다. 즉, 시간에 따라 변화하는 라디얼 힘 J' × B를 얻을 수 있으며, 이는 외부와 중심 방향으로 번갈아 가며 작용합니다. 따라서 아이디어는 다음과 같습니다. 가정적으로, 우리는 원반 주변에서 시간에 따라 조절할 수 있는 비정상적인 이온화를 만들 수 있다면, 원반 상단에서 존재하는 라디얼 원심력과 원반 하단에서 반전된 라디얼 중심력으로 유체에 작용할 수 있습니다.

...다음 그림에서는 우리 원반 모양 기계 주변에 예상되는 유도 가스 흐름입니다:

...계산 결과, 흡입 효과가 매우 강할 수 있으며, 기계의 정지점에서 충격파 형성은 완전히 제거될 수 있습니다(기계가 축을 따라 이동합니다). 기술적 문제는 벽 근처의 이온화를 시간에 따라 조절하는 것이었습니다. 우리는 먼저 "여우 덫"과 비슷한 장치를 상상했습니다:

...벽에 작은 원뿔 모양의 구멍을 상상하고, 그 축을 따라 "핀"을 놓습니다. 원뿔-평면 교차점에 원형 전극(아노드)이 있습니다. 중앙 전극(핀 모양)은 음전하를 띱니다. 그러면 주변 공기에서 전기 방전이 발생합니다. 이 전기 방전과 관련된 자기장은 자유 전자를 밀어내고 에너지를 제공하려고 합니다. 우리는 이가 공기 중에서 짧은 수명의 음이온을 생성할 수 있다고 생각했습니다. 이 이온의 수명 동안 MHD 상호작용이 가능했습니다. 잘 갖춰진 실험실에서 이러한 연구가 수행될 수 있었지만, 우리는 그런 실험실이 없었습니다. 1973년 이후 저는 천문대에 있었고, 이는 플라즈마 물리 실험에 최적의 장소가 아닙니다.

...어쨌든, 70년대 후반에 기계의 흥미로운 측면이 발견되었습니다. 플라즈마 전문가들은 자기압이 전기 방전을 밀어내는 경향이 있음을 알고 있습니다. 우리는 저압 공기 실험에서 이를 경험했습니다. 해결책은 빠르게 찾았습니다. 단일 등장하는 솔레노이드에 의해 생성된 자기장의 최대 값이 대칭 평면에 있는 대신, 우리는 세 개의 솔레노이드(한 개의 큰 것과 두 개의 작은 것)를 사용하기로 결정했습니다. 다음 그림에 표시된 바와 같습니다:

...왼쪽: 기계의 축. 위쪽과 오른쪽: 세 개의 솔레노이드의 개략적 배치, 전류의 흐름 방향을 보여줍니다. 그림에서 자기장선을 보입니다. 우리는 자기장 B의 최대 표면이 두 솔레노이드의 원을 포함하는 원뿔의 일부에 가까운 것을 볼 수 있습니다. 회색 영역: 플라즈마가 있는 격리 영역. 실험적으로 즉각적인 성공. 이후, 기계의 벽은 MHD 상호작용을 최적화하기 위해 자기장선과 수직이어야 합니다. 마지막으로, 우리는 MHD 원리에 따라 유도 현상과 펄스 이온화를 사용하는 전극이 없는 MHD 공기역학의 일반적인 모습입니다:

...당신은 왜 우리가 과학계, 군대, 정치인 등과 문제가 있었는지 이해하실 것입니다.

...짧은 기간 동안의 이온화는 다루기 어려웠습니다.

**차가운 가스 MHD 실험. **

...그러나, 최근에 새로운 아이디어가 등장했습니다. 다음 그림에 요약되어 있습니다:

...모델의 벽은 테프론으로 만들어졌습니다. 두 개의 테프론 케이스에 솔레노이드가 내장되어 있습니다(등장하는 솔레노이드와 두 개의 "격리 솔레노이드"). 두 개의 클리스트론이 사용될 것이며, 두 개의 별도의 파이프에 조정됩니다. 이 두 가지 요소는 그림에 표시되어 있습니다. 이들은 동축 구리 실린더입니다. 하나가 작동할 때, 다른 하나는 작동하지 않으며, 반대로도 마찬가지입니다. 혼합된 얇은 구리 날개(빨간색)는 분산기 역할을 하며, 마이크로파를 분산시킵니다. 대칭 평면에 있는 구리 판은 기계의 반대편에서 공기를 이온화하는 마이크로파를 방지합니다. 다음 그림에서는 마이크로파가 중앙 채널을 통해 흐르고, 얇은 혼합된 구리 날개에 의해 상단에서 분산되어 테프론을 통과한 후, 얇은 이온화된 공기 층을 생성합니다. 3 GHz 마이크로파는 대기압 공기를 이온화하는 데 최적이며, 이온화된 가스는 마이크로파를 흡수합니다. 따라서 이온화는 얇은 층에 제한됩니다.

...이러한 장치를 통해 원반 모양의 모델 근처에서 시간에 따라 변화하는 이온화 상태를 생성하는 것은 상대적으로 간단합니다. 또한, 세 개의 솔레노이드에서 교류 전류를 동기화하는 것도 간단합니다. 따라서 이러한 모델은 매우 강하게 모델 앞쪽의 공기를 흡입할 수 있습니다. 물론 이는 자기장의 강도에 달려 있습니다(이온화의 MHD 상호작용 매개변수는 충분히 커야 합니다). 오랜 시간 동안 충격파를 제거할 필요는 없습니다. 짧은 기간 동안의 실험만 수행할 수 있으며, 짧은 기간 동안 작동하는 충격파 터널에서 수행해야 합니다. 우리는 그것을 건설해야 합니다. 개략적으로, 이 충격파 터널은 각 실험에서 내용이 제거되는 대규모 진공 탱크를 기반으로 합니다(우리는 이미 하나를 가지고 있습니다). 왼쪽: 초음속 채널. 채널과 탱크 사이: 마이 lar 막. 진공 펌프가 탱크의 압력을 충분히 낮추면, 막이 터집니다. 유동의 일반적인 지속 시간: 수십 분의 1초.

...이 간단한 아이디어는 MHD 연구를 재개하기에 충분히 흥미로웠습니다. 다음 이미지: 원반 모양의 모델의 다른 시선:

...다음: "비활성" 모델 주변의 예상 가스 흐름. 충격파 시스템.

다음: 루렌츠 힘의 작용으로 충격파가 제거된 후의 흐름:

...우리는 "MHD 유체역학" 실험, 즉 고속 잠수함을 수행할 계획입니다.

뜨거운 가스 MHD 실험.

...실험실에서는 충격파로 구동되는 터널이 건설될 것입니다(충격파 터널로 알려짐). 다음 그림은 MHD 시설의 개략적 시각입니다.

...다음 그림: 시설의 MHD 부분입니다.

...다음 이미지는 두 개의 솔레노이드와 MHD 채널을 보여줍니다:

...이러한 시설에서, 1967년 마르세유 유체역학 연구소에서 플라즈마 가속이 성공적으로 이루어졌으며, 루렌츠 힘이 초음속 흐름을 제어하는 데 효과적임을 보여주었습니다. 입력 속도(순수한 아르곤, 1 bar, 10,000 °K): 2,750 m/s. 출력 속도: 8,000 m/s !!

다음 그림: 1987년에 계획된 초음속 충격파 터널에서 평평한 날개 모델의 위치:

...베르트랑 레브룬의 박사 논문(1987), 유럽 역학 저널의 발표, 그리고 국제 MHD 회의(1987년 타쿠바, 1990년 베이징)에서 두 번의 발표는 충격파 터널로 공급된 뜨거운 아르곤 흐름(10,000 °K)에서 전면 충격파의 제거에 초점을 맞추었습니다. 오늘날 우리는 이 핵심 실험을 수행하려고 합니다. 개략적으로, 어떤 종류의 "날개"(2차원 흐름)의 전면에 붙은 충격파의 존재는 레이저 간섭계(1965년 마르세유 유체역학 연구소에서 개발됨)를 통해 증명될 수 있습니다. 오른쪽에는, 뜨거운 아르곤 흐름에서 충격파가 제거된 경우에 기대하는 사진입니다.

...이제 우리는 차가운 가스에서 실험을 수행할 수 있는(이론적으로) 가능성이 있으므로, 이 뜨거운 아르곤 실험은 불필요하게 보일 수 있습니다. 그러나 우리는 이 두 목표를 "병렬 연구"로 처리하는 것을 선호합니다.

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