MHD3 시작

점선은 유체가 물체의 자리에 들어오기 전에 벗어나는 움직임을 시작하는 영역을 나타내야 한다.

초음속에서는 소리파가 물체가 도달하기 전에 유체에 "정보를 전달"할 수 없다. 따라서 가스는 "예상치 못한 상황"에 놓이게 되고, 충격파를 형성하는 반응을 보인다. 따라서 물체의 상류에서 원격으로 작용하여 가스가 자리를 비우도록 유도하는 방법을 찾는 것이 목표였다.

첫 번째 해결책은 초음속에서 공기 중에 날개 형상이 침입하는 경우를 고려한 것이다. 이 물체가 공기와 충돌할 때 공기는 급격히 감속됨을 알고 있다. 따라서 날개의 전방 가장자리 근처에서 가스 흐름을 원활하게 하면서, 동시에 상류에서 가스의 감속을 시작하는 것이 타당해 보였다. 이는 그림에 표시된 바와 같이, 도면 평면에 수직인 자기장과 두 개의 벽면 전극을 배치함으로써 가능하다. 가스 내를 흐르는 전류선이 표시되어 있다. 그 결과 라플라스 힘(Lorentz 힘, 영미권에서는 이 용어 사용)이 발생하며, 이는 "세 손가락 법칙"에 따라 작용한다.

다음은 전류선에 수직인 전자기력장의 일반적인 분포이다.

이렇게 함으로써 세 가지 측면에서 이득을 얻을 수 있다:

• 물체 앞쪽에서는 상류에서 유체를 미리 감속시킬 수 있다.

• 유체의 벗어남 움직임을 시작할 수 있다.

• 벽면을 따라 유체의 흐름을 원활하게 할 수 있다.

단위 부피당 전자기력은 J × B 로 표현되며, 여기서 B는 테슬라(T) 단위의 자기장 세기(1 테슬라 = 10,000 가우스), J는 전류 밀도(아마페르/제곱미터)이다. 이 힘은 뉴턴/제곱미터로 표현된다.

1 제곱센티미터당 단지 1 아름페어(1제곱미터당 10,000 아름페어)의 전류 밀도가 10 테슬라의 자기장과 결합되면, 가스 1제곱미터당 10톤의 힘이 발생하게 되며, 이는 흐름에 원하는 효과를 강제하기에 충분하다.

이 힘은 전극 근처에서 가장 강하며, 이곳에서 전류가 집중되고 전류 밀도가 가장 높기 때문이다.

문제는 당연히 일반적으로 매우 우수한 절연체인 공기(일반 온도에서)를 통해 이러한 전류를 흐르게 하는 것이다. 이 문제는 나중에 다룰 것이다.

초기에는 1976년에 수리 실험 기반의 시뮬레이션을 선택했다. 유체로는 전기 전도성을 높이기 위해 산성 처리한 물을 사용했다. 실험의 규모를 결정해야 했다. 우리는 몇 제곱센티미터 내에서 1 테슬라의 자기장을 생성할 수 있는 장치를 보유하고 있었다. 유속은 초당 8cm였다. 물의 밀도가 1000kg/m³이므로, 모형의 특성 길이 L을 고려하여 상호작용 매개변수를 계산할 수 있었다.

1976년 첫 실험에서 전면파를 제거하는 데 성공했다. 우리는 렌티큘러형 모형을 사용했지만, 초기 실험은 원통형 모형에서 수행되었으며, 원통형 장애물 주변에 분리된 충격파와 유사한 전면파가 형성되는 것을 관찰할 수 있었다.

도면 평면에 수직인 자기장을 유지하면서, 그림에 표시된 대로 두 개의 전극을 배치함으로써 전면파를 제거하는 데 성공했다. 전자자석의 극자석 구조도 함께 표시되어 있다. 모형 지름: 7mm. 벽면에 삽입된 전극의 폭: 2mm.

위 그림은 전자기력이 없는 경우의 파동을 보여주며, 다음 그림은 전면파가 제거된 후의 상태를 보여준다.

산성 물 내에서 전류가 흐르는 현상과 수직 자기장이 결합된 라플라스 힘은 다음 그림과 같다:

이 힘은 전극 근처에서 특히 강하며, 이곳에서 전류가 집중되기 때문이다(전류 밀도 J가 최대). 상류에서는 유체의 감속을 유도한다. 그러나 이 힘장은 파동 시스템을 완전히 제거하기에 부적절하다. 원통형 장애물에 단일 전극 쌍을 사용한 실험에서는, 파동이 모형 하류에서 단순히 집중되는 현상만 관찰되었다. 그러나 그림에서 보듯이, "정지점"에서 저압 구역을 생성하는 데 충분했으며, 이는 이러한 시스템이 MHD 추진에도 활용될 수 있음을 보여준다.

모든 파동 시스템을 제거하는 것은, 이러한 수리 시뮬레이션을 통해 확인되었듯이, 이번에는 렌티큘러형 모형을 사용하고, 세 쌍의 전극을 사용함으로써 가능하다. 이전 그림을 참고하면, 마흐파의 발생은 상류와 하류의 두 영역에서 마흐파가 겹쳐지는 결과임을 알 수 있다.

우리는 (베르트랑 레브룅의 박사학위 논문에서) 라플라스 힘을 이용해 초음속 흐름을 정규화하는 핵심 개념을 최초로 제안했다. 즉, 모형 주변에 평행한 마흐파 시스템을 강제함으로써 이루어진다:

두 번째 종류의 특성, 즉 마흐파는 그림에 나타나지 않았다.

따라서 세 가지 조치가 필요하다:

• 모형의 전방 가장자리 근처에서 마흐파가 다시 직선으로 돌아오지 않도록 하기 위해, 이 지역에서 유체를 가속화한다.

• 이 파동이 "팽창 날개" 내에서 모형 측면에 기울어지지 않도록 한다.

• 마지막으로, 후방 가장자리 근처에서 다시 가속화한다.

결과적으로 세 개의 벽면 전극 시스템이 필요하다:

자기장은 도면 평면에 수직이었지만, 적절한 힘장을 만들기 위해 컴퓨터 시뮬레이션에서는 이를 "가공"해야 했다. 이는 여러 개의 코일을 조합하여 구현할 수 있었다. 전극 근처에서는 라플라스 힘이 아래 그림과 같이 배열되었다:

레브룅의 박사학위 논문(1990년 일본 츠쿠바에서 열린 제7차 국제 MHD 회의 및 베이징에서 열린 제8차 국제 MHD 회의 발표, 그리고 The European Journal of Physics 저널에 게재)은 이 작업의 이론적 실현 가능성을 입증했다. 이 결과는 여러 측면에서 흥미롭다. 실제로 유체를 가속화할 때는 에너지를 공급하는 반면, 감속할 때는 유체가 에너지를 공급한다. 왜냐하면 모형을 따라 속도 V로 흐르는 유체는 전기력 V × B를 유도하기 때문이다. 이 전기력은 전류 밀도 J = σ(V × B)를 생성하려는 경향이 있으며, 여기서 σ는 전기 전도도이다. 이 전류 밀도는 라플라스 힘 J × B = σ(V × B) × B와 결합되어 자기장에 의해 작용한다.