예를 들어, 이러한 모형을 단지 중심 전극 쌍만 갖도록 잠기게 하고, 이 전극 쌍을 단락시키면, 가스 내부를 둘러싸는 전류가 흐르게 되며, 그 결과 가스의 속도가 크게 감소하게 된다.
이러한 날개 형상이 전기 전도성이 매우 높은 가스(또는 전도성을 부여받은 가스) 속에 잠기면, 고출력의 "MHD 발전기"처럼 작용한다. 이는 바로 "MHD 변환기"이다. 에너지는 어디서 오는가? 단지 유체의 운동 에너지에서 나온다. 추출된 전력은 유체 내의 운동 에너지 감소, 즉 자연적인 속도 저하와 함께 발생한다.
1965년, 우리는 직접적인 유체 운동 에너지 변환을 수행하는 MHD 전기 발전기를 개발하였으며, 이는 파라데이 유형의 "MHD 노즐"을 사용하였다. 기하학적 구조는 다르지만 원리는 동일하다. 아래는 파라데이 유형의 MHD 발전기의 도면으로, 단면이 사각형인 전류 흐름 채널을 포함하고 있다.
다음 그림은 솔레노이드를 제거한 상태로, 전류 흐름을 채널 내에서 더 균일하게 분포시키기 위해 전극을 "분할형"으로 배열한 모습이다.
1960년대 마르세유 유체역학연구소에서 수행한 실험에서는, 1기압, 10,000K의 아르곤 기류를 초당 2,500미터의 속도로 노즐에 주입하였다. 자기장은 2테슬라에 도달하였으며, 이때 전기운동력은 다음과 같이 계산된다:
2,500 × 2 = 5,000 볼트/미터
대칭 전극 쌍 사이의 거리가 5cm이므로, 전압차는 250볼트가 되었다. 그러나 전극 근처의 벽면 현상으로 인해 40볼트의 손실이 발생하므로, 실질적인 전압은 210볼트가 된다.
이러한 온도에서 아르곤의 전기 전도도는 3,500 mhos/미터이므로, 전류 밀도 J = σE = σVB = 735,000 암페어/제곱미터, 즉 73.5 암페어/제곱센티미터가 된다. 노즐 길이가 10cm, 너비가 5cm(50cm²)일 때, 단락 상태에서 최대 전류는 3,675암페어가 된다.
전극이 단락된 상태에서 전류가 최대가 되었을 때, 라플라스 힘이 실험적으로 충분히 강력하여, 가스를 충분히 감속시켜 직선 충격파를 발생시켰다. 이 충격파는 전자기력만으로 발생하였으며, 다른 장애물 없이도 형성되었다.
초음속으로 렌티큘러 날개에 도달하는 가스는 자체 에너지를 지니며, 이를 활용할 수 있다. 충격파를 제거하기 위해 소비해야 하는 에너지는, 날개 전방 및 후방에서 가스를 가속시키는 데 소비된 에너지에서, 중심 전극 쌍의 작동으로 인해 발생하는 가스 감속에 의해 회수된 에너지를 뺀 값이다.
이 결과는 매우 흥미로웠다. 왜냐하면 충격파를 제거하기 위해 필요한 에너지가 예상보다 훨씬 낮다는 것을 보여주었기 때문이다. 주된 손실은 줄리 효과(Joule effect)에 기인한다. 공기 중에서 비행하는 기계의 경우, 마이크로파를 이용해 가스를 이온화하는 데 소요되는 에너지를 추가로 고려해야 하며, 이 에너지도 우리가 이미 계산한 바 있다.
라플라스 힘은 마흐파의 경사에 어떻게 작용하는가?
매우 간단하다. 예를 들어 MHD 노즐이 발전기로 작동할 때 유체를 감속시키면, 마흐파의 변화는 다음과 같다:
이 경우는 유체의 중간 정도의 감속이다. 마흐파는 악기의 주머니처럼 서로 겹쳐지는 모습을 보인다. 전극은 "부하 상태"에 있으며, 이로 인해 전류 밀도가 제한된다. 이 과정을 통해 더 강한 감속이 충격파를 유도하는 이유를 이해할 수 있다. 즉, 유체 속도가 음속 이하로 떨어지려 할 때 마흐파가 집중되며, 악기처럼 압력 변동이 누적된다. 이로 인해 충격파가 형성되며, 이는 전류 전극 쌍의 첫 번째 전류 흐름(스트리머) 앞에서 정지하면서 마치 가상의 장애물처럼 작용한다.
반대로 전기적 에너지를 시스템에 공급하면, 노즐은 파라데이 유형의 MHD 가속기로 작용한다. 이 경우 마흐파는 평평해진다:
이 MHD 가속 효과는 1960년대에 내가 근무했던 실험실에서도 확인되었으며, 매우 효과적이었다. 노즐 입구 속도가 2,500m/s였고, 출구 속도는 8,000m/s 이상을 달성하였으며, 단 10cm 거리에서 5km/s 이상의 속도 증가를 얻었다.
이러한 실험들은, 충분한 이온화율을 가진 가스에 대해 MHD 작용이 매우 효율적임을 보여준다. 참고로, 아르곤에서 3,500 mhos/m의 전도도는 약 10⁻³의 이온화율에 해당한다(천 분의 일의 원자가 이온으로 변환됨).
차가운 공기에서는 인공적으로 이온화해야 하며, 예를 들어 3GHz의 마이크로파를 주변 가스에 조사하여 가장 쉽게 이온화되는 성분인 질산화질소(NO)로부터 전자를 떼어낼 수 있다. 또한 세슘이나 나트륨과 같은 낮은 이온화 에너지를 가진 알칼리 금속을 주입하는 방법도 고려할 수 있다.
우리는 이 모든 계산을 CNRS의 재정 지원을 받은 박사 학위 논문의 일환으로 1980년대에 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 충격파가 전혀 없는 완전히 "정규화된" 유동을 보였다. 아래 그림에는 두 가지 마흐파 군이 나타나 있다.
이 이론적 연구는 세 전극 쌍 시스템을 사용한 수리적 유사 실험을 통해 보완되었다. 전방파와 후방파를 모두 제거할 수 있었다. 산성 물의 전기 전도도가 너무 낮아 유체의 에너지를 활용해 에너지 수지 개선을 기대할 수는 없었지만, 결과는 위에서 설명한 것과 동일하였다. 결과적으로 유체가 "평평한" 상태를 유지하는 유동을 얻을 수 있었다.
관심 있는 독자는 내 만화책 "침묵의 벽"(cd-rom Lanturlu 참조)에서 이러한 요소들을 일부 확인할 수 있다.
이 연구를 어떻게 실현할 수 있는가?
이러한 아이디어는 매우 매력적이다. 이는 충격파를 피할 수 있는 새로운 초음속 유체역학의 가능성을 열어준다. 기존에는 피할 수 없는 필연적인 현상으로 여겨졌던 충격파를, 오히려 피할 수 있게 된다.
MHD의 문제점은 충분한 전기 전도성을 가진 가스를 다루는 것이다. 20년간의 연구 과정에서 우리는 이러한 모든 문제를 탐구하였다. 1966년, 나는 안정된 상태에서 "이온화 온도를 두 가지로 나누는" MHD 발전기의 작동을 세계 최초로 성공시켰다.
또한 우리는 희박한 환경(수은 기압 10⁻¹mm 정도의 공기)에서도 많은 실험을 수행하였다.
- 플라즈마의 벽면 봉쇄
- "스트리머"(나선형 전류)의 안내
- 벨리코프 불안정성의 제거 (모스크바 MHD 회의 발표)
- 고주파(HF, 1MHz)에 의한 공기 이온화 연구
다음에 이 여러 실험과 전망에 대해 사이트에서 자세히 설명할 것이다. 지금은 렌티큘러 형상 주위의 충격파를 제거하는 실험을 어떻게 구현할 수 있는지 살펴보자.
이를 위해서는 고온(10,000K의 아르곤)의 기류를 공급할 수 있는 풍속실이 필요하다. 이는 2차 세계대전 이후에 개발된 장비(현재는 거의 사용되지 않음)인 "충격파 튜브"를 이용하면 가능하다.
무엇이 그 장비인가?
이 "충격파 풍속실"의 작동 원리를 설명하기 위해 다시 한 번 수리적 유사성을 사용해 보자. 예를 들어, 두께가 일정한 10cm 폭, 몇 미터 길이의 직선형 채널을 합판으로 만들었다고 상상해 보자. 아래는 그 도면이다.