MHD7 시작
MHD 추진 기술
... 이전의 그림은 라플라스 힘의 작용으로 인해 실린더 주위에 유도된 흐름을 보여주며, 이러한 힘들이 비행기나 항해 기계의 추진에 사용될 수 있음을 보여준다. 그러나 원통형은 가장 적합한 형태로 보이지 않는다. 따라서 원통형에서 구형으로 쉽게 전환할 수 있으며, 이러한 물체에 전극 루프를 부착하면 된다.
... 회전하는 스위치 시스템을 이용해, 반대편에 위치한 두 전극을 순차적으로 전원 공급할 수 있다. 하나는 양극으로, 다른 하나는 음극으로 작용한다. 이 장치를 회전하는 자기장 시스템과 결합하면 된다. 이 경우, 모형 내부에 축에 장착된 자석을 설치할 필요는 없다(물론 1976년 수력 실험 당시, 테니스공 안에 회전하는 자석을 넣어 실험한 적은 있다). 물리학을 공부하는 모든 학생들은, 120도 간격으로 배열된 세 개의 솔레노이드에 적절히 위상이 이동된 전류를 공급하면, 회전하는 자석 이중극과 동등한 효과를 얻을 수 있다는 것을 알고 있다. 그 결과는 다음과 같다:
... 충격파 소멸 실험에서 렌티큘러 프로파일 주위에서 성공했다면, 이와 유사한 다전극 및 회전 자기장 시스템을 갖춘 모형을 사용하여, 충격파를 다시 실험해보려 했다. 이 모든 장치는 적절히 동기화된 커패시터 방전 전원으로 작동할 것이다.
... 냉각 가스를 사용한 실험도 흥미로웠을 것이다. 모형을 고주파 안테나로 사용하기만 하면 되었다. 1978년부터 우리는 이 주제에 대해 매우 흥미로운 실험을 수행한 바 있다. 다시 한 번, 이온화는 물체 주변 근처에 정확히 국한될 것이다.
렌티큘러 항공기
... 그러나 가장 흥미로운 실험은 MHD 렌티큘러 항공기(1975년 CRAS에 발표, 제목: "새로운 종류의 MHD 변환기")를 다루는 것이었다. 이 경우, 전극이 없는 기계를 의미한다.
... 교류를 흐르게 하는 솔레노이드를 생각해보자. 이는 주변 공기 중에 유도된 자기장을 생성하며, 이 자기장과 함께 전류가 순환할 수 있다. 이 전류는 유도된 자기장과 반대 방향의 자기장을 형성한다(렌츠의 법칙).
... 폐쇄된 경로를 따라 흐르는 유도 전류(i)는 시간에 따라 변하는 유도 자기장 B(t)와 상호작용하여, 중심 밖으로 밀어내는(원심력) 및 중심으로 끌어당기는(구심력) 방향의 라플라스 힘을 발생시킨다. 예를 들어, 위의 그림에서 시간 t₀에 유도 자기장 B(자극자)의 방향과 전류 밀도 J(유도된 자기장, 기체 질량 내에서 순환하는 전류)의 방향은 중심으로 끌어당기는 방향의 라디얼 힘을 만든다.
시간 t₁에 이 힘은 원심 방향이 된다.
... 솔레노이드를 내장한 디스크 주변의 기체가 이온화되지 않았다면, 특별한 일은 일어나지 않는다. 그러나 기체를 이온화하면, 이는 원심력과 구심력이 번갈아 작용하는 방식으로, 마치 샤크(흔들기)처럼 기체가 흔들리게 된다.
... 이 원리를 바탕으로, 시간에 따라 조절된 이온화를 상부 및 하부 표면에 적용하여, 기체가 항공기 상단에 있을 때는 전도체가 되고, 하단에 있을 때는 전도체가 되지 않도록 하면, 다음과 같은 추진 시스템을 구성할 수 있다:
... 반대로, 항공기 하단에 있는 기체는 구심력이 작용할 때 전도체가 되도록 한다:
... 이렇게 하면 항공기 주위를 강력하게 순환하는 공기 흐름을 유도하는 힘의 조합이 만들어진다:
... (파리 과학 아카데미 보고서, 1975)의 공식은 매력적이다. 그러나 문제는 이온화를 벽 근처에서 �ulsed(펄스형)으로 생성하는 방법을 찾아내는 것이다. 이 문제는 까다롭다. 공기를 전도체로 만드는 시간이, 기체가 물체를 둘러싸는 데 걸리는 시간보다 훨씬 짧아야 하기 때문이다. 예를 들어, 3000m/s로 이동하는 물체와 10m의 특성 길이(항공기 지름)를 가정하면, 이 시간은 밀리초 수준이 되며, 3GHz의 펄스형 마이크로파 방출을 통해 실현 가능하다. 따라서 기계의 상하 벽면에는 작은 클리스트론이 설치되어야 하며, 번갈아가며 방출하며 공기 분자로부터 자유 전자를 떼어내야 한다.
... 또 다른 해결책은 더 매력적으로 보인다. 전자가 특정 에너지를 가진 상태로 분자에 충돌하면 전자 결합이 발생한다는 사실을 알고 있다. 일부 분자는 추가 전자를 얻어 음이온이 되며, 매우 짧은 수명을 갖는다. 이는 우리가 다루는 상황에서 매우 흥미로운 현상이다.
... 벽면 전자총은 작은 덫의 형태를 띠게 된다. 원리는 간단하다. 솔레노이드는 아래와 같은 자기장 구조를 생성한다:
... 이 자기장은 벽면에 수직이며, 벽에서 멀어질수록 세기가 감소한다. 이에 따라 자기압력이 발생한다:
... 오른쪽 그림에서 중심 전극과 외곽 전극 사이에 전기 방전이 발생하면, 전자는 자기압력이 낮은 지역, 즉 벽에서 멀리 떨어진 지역으로 밀려나며, 이 전자의 에너지는 B의 크기에 따라 달라진다. B의 값이 적절히 조절되면, 이러한 전자 제트는 공기 중에서 음이온을 형성하게 되며, 이는 솔레노이드에 의해 생성된 유도 자기장 B의 변화와 관련된 유도 전류를 효과적으로 운반할 수 있다(위에서 언급한 바와 동일). 최대 공기역학적 효율을 얻기 위해서는 벽면과 가장 가까운 기체 층(즉, '경계층')에서 작용해야 한다. 그러나 이 경우 플라즈마의 갇힘 문제를 해결해야 하며, 저압 실험을 통해 이 문제는 빠르게 해결되었다.
... 적도 솔레노이드가 생성하는 자기장 B는 자기압력과도 관련된다. 이 자기압력은 대칭 평면에서 멀어질수록 감소한다. 따라서 모든 전기 방전는 벽에서 멀어지려는 경향이 있으며, 통제 불가능해진다.
... 해결책은 단일 솔레노이드가 아니라, 두 개의 보조 솔레노이드(더 작은 지름을 가짐)를 사용하는 것이었다. 이 보조 솔레노이드는 갇힘 솔레노이드의 역할을 한다.
... 특정 순간에 흐르는 전류는
... - 적도 솔레노이드에서
... - 두 개의 갇힘 솔레노이드에서
... 서로 반대 방향이다. 이 기하학적 배열을 통해, 오목한 벽면 근처에 자기압력의 경사도를 만들어내어, 전기 방전를 벽면에 고정시키고 경계층 기체 내에 유지할 수 있다(실제로, 지름이 수십 미터 정도인 기계의 경우, 수 센티미터 두께의 경계층 내에 유지된다).
... 이러한 벽면 갇힘 실험은 1970년대 후반, 제한된 자원으로 수행한 실험 중 가장 화려한 실험 중 하나였다.
... 전반적으로, 이 기체는 두 개의 접시가 붙어 있는 형태를 띠었으며, 아마도 이것이 군대에 매우 불쾌하게 다가갔던 이유일 것이다.
... 비행기처럼 공기역학적으로 매우 비효율적인 기체가 마하 10에 이르는 속도로 움직일 수 있는지 의문이 든다. 속도 벡터는 축 방향으로 향하며, 이는 기체가 적도 주변에서 극도로 급격하게 휘어져야 함을 의미한다. 이를 위해서는 기체가 전자기력의 명령에 완전히 복종해야 하며, 이는 상상력에 도전하는 일처럼 보인다.
... 그러나 그 힘의 크기를 잘 인식하지 못하고 있다. μ₀ = 4π × 10⁻⁷을 사용해, 10테슬라의 자기장에서 자기압력(위 공식에 따라)을 계산해보자. 계산 결과는:
대기압의 400배
... MHD는 기존의 음속, 초음속, 고음속 유체역학과는 완전히 다른 유체역학을 제시한다. 기체는 내부에 작용하는 강력한 힘에 복종할 수밖에 없다.
참고문헌:
(1) J.P. Petit: "초음속 비행은 가능한가?" 제8차 MHD 전기 발전 국제 회의, 모스크바, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun: "라플라스 힘 작용에 의한 기체 내 충격파 소멸". 제9차 MHD 전기 발전 국제 회의, 츠쿠바, 일본, 1986.
(3) B. Lebrun & J.P. Petit: "초음속 흐름에서 MHD 작용에 의한 충격파 소멸. 1차원 정상 분석 및 열 차단". 유럽 역학 저널, B/유체, 8, No.2, pp.163-178, 1989.
(4) B. Lebrun & J.P. Petit: "초음속 흐름에서 MHD 작용에 의한 충격파 소멸. 2차원 정상 비이엔트로피 분석. 반충격 기준 및 이엔트로피 흐름에 대한 충격파 튜브 시뮬레이션". 유럽 역학 저널, B/유체, 8, pp.307-326, 1989.
(5) B. Lebrun: "이온화된 아르곤 유동 내에 위치한 날카로운 장애물 주위에서 형성되는 충격파의 이론적 억제". 포티에르 대학교, 에너지학 박사학위 논문 No. 233, 프랑스, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit: "라플라스 힘장에 의한 충격파 소멸의 이론적 분석". 국제 MHD 심포지엄, 베이징, 1990.
이어서
목차로 돌아가기 초기 카운터: 16/01/2001