MHD4 시작
...예를 들어, 이러한 모형을 단지 중심 전극 쌍만 갖도록 만들어서 이를 단락시키면, 가스 내부로 전류가 흐르게 되고, 그 결과 가스의 속도가 크게 감소하게 된다:
...전도성이 높은 기체(또는 전도성으로 인해 변환된 기체) 속에 잠긴 이러한 날개 형상은 고출력 'MHD 발전기'처럼 작용한다. 이는 'MHD 변환기'이다. 에너지는 어디서 오는가? 단지 유체의 운동 에너지에서 나온다. 추출된 전력은 유체 내의 운동 에너지 감소와 함께, 즉 자연스럽게 유체가 느려지는 현상과 함께 발생한다.
...1965년 우리는 직접적으로 유체의 운동 에너지를 '파라데이 유형의 MHD 노즐'로 변환하는 MHD 전기 발전기를 구현하고 있었다. 기하학적 구조는 다르지만 원리는 동일하다. 아래는 파라데이 유형의 MHD 발전기와 그 사각형 단면의 흐름을 나타낸 도면이다.
...다음 이미지에서는 솔레노이드를 제거한 상태에서, 전류가 흐름 내부에 더 균일하게 분포되도록 하기 위해 '분할된' 전극의 배열을 보여준다.
...마르세이유 유체역학 연구소에서 1960년대에 수행한 실험들에서는, 압력 1기압, 온도 10,000K의 아르곤 기류를 초음속(초당 2500미터)으로 노즐에 주입하였다. 자기장은 2테슬라에 도달하였으며, 이때 전기운동력은 다음과 같이 계산되었다:
2500 × 2 = 1m당 5000볼트
...전극 쌍 사이의 거리가 5cm였으므로, 전압차는 250볼트였다. 그러나 전극 주변 벽면 현상으로 인해 40볼트를 빼야 하며, 결과적으로 210볼트가 남는다.
...이러한 온도에서 아르곤의 전기 전도도는 1m당 3500모스였으며, 전류 밀도 J = σE = σV×B = 735,000 암페어/제곱미터를 얻을 수 있었다.
...즉, 제곱센티미터당 73.5암페어였다. 노즐 길이가 10cm이고 폭이 5cm(총 50cm²)일 경우, 단락 상태에서의 최대 전류는 3675암페어였다.
...전극이 단락되었을 때 전류가 최대가 되었으며, 실험 결과에 따르면 라플라스 힘이 충분히 강력하여 기체를 빠르게 감속시켜 직각 충격파를 생성할 수 있었다. 이는 전기자기력만으로도 발생한 것으로, 다른 장애물 없이 가능했다.
...초음속으로 렌티큘러 날개에 도달하는 기체는 자체적으로 에너지를 지니며, 이를 활용할 수 있다. 충격파를 제거하기 위해 소모되는 에너지는, 경계면 근처에서 기체를 가속시키기 위해 소모된 에너지에서, 중심 전극 쌍의 작동으로 인해 기체가 감속되면서 발생하는 에너지를 뺀 값이 된다.
...이 결과는 매우 흥미로웠다. 왜냐하면 충격파를 제거하기 위해 필요한 에너지가 예상보다 훨씬 낮다는 것을 보여주었기 때문이다. 주된 손실은 주로 저항열(줄열)에 의해 발생한다. 공기 중을 비행하는 기체의 경우, 공기를 이온화하기 위한 전력(예: 3기가헤르츠의 마이크로파를 이용)을 추가로 소모해야 하며, 이 에너지도 우리가 이미 계산해 놓았다.
...라플라스 힘은 마흐 파의 경사에 어떻게 작용하는가?
...매우 간단하다. 예를 들어 MHD 노즐이 발전기로서 작동할 때 유체를 감속시키는 경우, 마흐 파의 변화는 다음과 같다:
...이 경우는 유체의 중간 정도의 감속을 나타낸다. 마흐 파는 악기처럼 요철이 생기는 것처럼 보인다. 전극은 '부하 상태'에 있으며, 이로 인해 전류 밀도가 제한된다. 더 강한 감속이 충격파를 유발할 수 있는 이유를 이해할 수 있다. 즉, 유체 속도가 음속 아래로 떨어질 때, 마흐 파는 악기처럼 집중되며 압력 변동이 누적된다. 이로 인해 충격파가 형성되며, 이는 전기자기력만으로도 발생한 것이므로, 첫 번째 '스트리머'(첫 번째 전극 쌍에서 나온 전류 분출) 앞에 빠르게 이동하면서 정착하게 된다.
...반대로, 전기적 에너지를 시스템에 주입하면, 노즐은 파라데이 유형의 MHD 가속기로 작용한다. 마흐 파는 평평해진다:
...이 MHD 가속은 1960년대에 내가 근무했던 실험실에서 이미 확인되었으며, 매우 효과적이었다. 노즐 입구 속도가 초당 2500미터였고, 출구 속도는 8000미터를 초과하여, 단지 10cm의 거리에서 초당 5km 이상의 속도 증가를 달성하였다.
...이러한 실험들은, 충분한 이온화율을 가진 기체에 대해 MHD 작용이 매우 효율적임을 보여준다. 참고로, 아르곤에서 1m당 3500모스의 전도도는 약 10⁻³의 이온화율에 해당한다(천 분의 일의 원자가 이온으로 변환됨).
...차가운 공기에서는 인공적으로 이온화해야 하며, 예를 들어 3기가헤르츠의 마이크로파를 주입하여 가장 쉽게 이온화되는 성분인 질산화질소(NO)로부터 전자를 떼어내는 방식을 사용할 수 있다. 또한 이온화 포텐셜이 낮은 알칼리 금속(세슘 또는 나트륨)을 도핑하는 것도 고려할 수 있다.
...우리는 이 모든 계산을 CNRS의 후원으로 1980년대에 박사학위 논문의 일환으로 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 충격파 없이 완전히 '정규화된' 흐름을 보였다. 아래 그림은 두 종류의 마흐 파를 나타낸 것이다.
...이 이론적 연구는 세 쌍의 전극 시스템을 사용한 유체역학적 유사 실험을 통해 보완되었다. 앞바람과 뒷바람의 파도를 완전히 제거할 수 있었다. 산성 물의 전기 전도도가 너무 낮아 유체의 에너지를 활용해 에너지 균형을 개선하는 것은 불가능했지만, 결과는 위에서 설명한 것과 동일했다. 결과적으로 유체 흐름은 '평평한 상태'를 유지하게 된다:
관심 있는 독자는 내 만화책 "침묵의 벽"(cd-rom Lanturlu 참조)에서 이러한 요소들을 일부 찾아볼 수 있다.
이 연구를 어떻게 실현할 수 있는가
...이러한 아이디어는 매우 매력적이다. 이는 충격파를 피할 수 있는 새로운 초음속 유체역학의 가능성을 열어준다. 기존에는 불가피한 현상으로 받아들였던 충격파를 오히려 회피할 수 있다.
...MHD의 문제점은 충분한 전기 전도성을 가진 기체에서 작동해야 한다는 점이다. 20년간의 연구 과정에서 우리는 이러한 모든 문제를 탐구해왔다. 1966년 나는 안정된 상태에서 '이온화 온도가 두 가지인' MHD 발전기의 작동을 세계 최초로 성공시켰다.
...또한 진공 상태(수은 기압 10⁻¹mm)에서 다양한 실험을 수행하였다.
- 플라즈마의 벽면 제약
- '스트리머'(나선형 전류)의 안내
- 벨리코프 불안정성의 소멸 (모스크바 MHD 회의 보고서)
- 고주파(HF, 1MHz)를 이용한 공기 이온화 연구
...다음에 이 다양한 실험과 전망에 대해 사이트에서 설명할 것이다. 지금은 렌티큘러 형상 주위의 충격파를 제거하는 실험을 어떻게 구현할 수 있는지 살펴보자.
...이를 위해서는 고온(10,000K의 아르곤) 기류를 공급할 수 있는 풍속실이 필요하다. 이는 2차 세계대전 후에 개발되었지만 현재는 거의 사용되지 않는 장비인 '충격파 튜브'를 이용하면 가능하다.
...무엇이 그런가?
...이 '충격파 풍속실'의 작동 원리를 설명하기 위해 다시 한 번 유체역학적 유사성을 활용해 보자. 예를 들어, 두께 일정한 10cm 폭, 몇 미터 길이의 직선형 채널을 밀대판으로 만들 수 있다고 상상해보자. 아래는 그 도면이다:
../../../bons_commande/bon_global.htm
