수력 모델링에서 직선 충격파의 전파는 "파도가 밀려오는 것"과 유사하다. 이 현상을 어떻게 만들어낼 수 있을까? 단순히 B부분에는 낮은 수위를, A부분에는 높은 수위를 두면 된다. 확장 수조에는 아무것도 없고, 완전히 물이 없도록 한다. 단면도는 다음과 같다:
실험 준비는 완료되었다. 수로의 장벽을 매우 빠르게 제거한다. 색소(예: 플루오레세인)를 첨가한 물이 색깔 있는 물질이 하류로 급격히 밀려들어간다. 그 결과는 다음과 같다:
무엇을 관찰할 수 있는가? 무색 물질이 움직이기 시작하는 액체 파면, 즉 "파도가 밀려오는" 현상이 시작된다. 그러나 파면은 물 자체보다 더 빠르게 이동한다.
하류 방향으로는 팽창파가 발생하지만, 더 부드럽다. 이것은 충격파가 아니다.
조금 후, 상황은 다음과 같다:
팽창파가 수조 바닥에 도달한다. 맑은 물이 밀려나면서 움직이게 되었고, 이 물과 계면 사이의 거리가 증가했다. 따라서 정화된 물이 움직이게 되었고, 그 결과 수위가 상승했다(기체의 압력과 유사한 수력적 등가). 따라서 이 "풍랑" 상태를 활용할 수 있다. 이후 팽창파는 수조 바닥에서 반사되어 빠르게 계면-파면 구조에 따라잡게 된다.
만약 벽면에 "관측 창"을 설치했다면, "풍랑 시간 동안" 정화된 물이 움직이는 모습을 관측할 수 있었을 것이다. 전체 과정은 "x-t 도표"로 해석할 수 있다:
여기서는 "충격파 튜브"의 작동 원리를 정확히 모사한 이미지가 나타난다. 수로를 "고압실"로 대체하면 된다. 수로의 장벽은 수동으로 조작하는 구리 다이아프램으로 바꾸며, 연소실에서 발생한 압력이 충분히 도달하면 자동으로 열린다. 시험 채널은 일정한 단면적을 갖는 시험관으로 바뀌며, 초기에는 저압(13mmHg)의 아르곤으로 채워진다. 확장 수조는 단순한 진공 용기로, 형태는 자유롭게 설계할 수 있다. 종이 장벽은 마이 lar 막으로 대체되며, 충격파가 도달하면 파열된다. 아래는 설치의 개략도이다:
고압실 길이: 1.4미터. 지름(시험 유량과 동일): 5.6cm. 시험 유량 길이: 6미터. 아래쪽에는 붉은 구리 막이 있으며, 홈을 가진 채널로 약화되어 있어, 가스가 방출될 때 네 개의 꽃잎처럼 펼쳐진다. 고압실은 H₂ + ½O₂ 혼합가스에 헬륨을 희석제로 첨가하여 채운다. 팽창 탱크는 단순한 강한 용기로, 진공을 유지할 수 있도록 설계되어 있다. 설치는 다양한 진공 펌프(팔레트식, 10⁻²mmHg 이하 진공 가능)와 진공 밀봉 밸브로 완성된다. 또한 수소, 산소, 헬륨, 아르곤을 공급하는 병들을 갖추어야 한다.
연소 가스는 고전압 전원에 연결된 점화 플러그로 점화된다. 이 시스템은 전자기적 간섭을 유발하므로, 고압실 전체는 펄스 전자기파 차폐를 위한 패러데이 케이지(목재 기둥과 1mm 메쉬 구리망)로 둘러싸여 있다. 단순하지만 효과적이다. 6미터 길이의 저압 아르곤은 즉시 압축된 가스(1bar, 10,000K)로 변하며, 길이는 약 20cm 정도가 된다. 이어지는 것은 연소된 가스, 즉 수증기와 헬륨의 혼합물이다.
이것이 고온 풍랑형 풍속기의 구성이다.
실제 측정 및 MHD 실험을 수행할 시험 유로는 사각형 단면(5cm × 5cm)이다. 따라서 원형 단면에서 사각형 단면으로 전환하는 정밀 가공이 필요한 부품을 삽입해야 한다:
MHD 노즐은 펜탁글라스(접착 부분 포함) 또는 강도가 높은 적층 플라스틱으로 제작할 수 있으며, 고품질 광학 창을 갖추어야 한다. 아르곤의 온도가 높지만, 풍랑의 지속 시간이 매우 짧기(8×10⁻⁸초) 때문에 노즐 부품은 손상되지 않는다.
횡방향 자기장을 생성하기 위해 두 개의 솔레노이드를 아래와 같이 배치한다:
다음 도면에서는 모형(렌티큘러 날개 형상)의 배치를 보여주기 위해 한 개의 솔레노이드를 제거했다.
MHD 노즐의 부피(배치 공간 포함)는 약 1리터이며, 생성해야 할 자기장은 20,000G(2테슬라)에 달하므로, 솔레노이드의 권선에 매우 큰 전류(50,000A)를 통과시켜야 한다. 이와 같은 전류는 저항열(Joule 열)이 아니라, 권선 내부에서 작용하는 J×B 힘으로 인해 솔레노이드가 폭발할 위험이 있다. 따라서 붉은 구리 권선에 유리섬유를 아라르디트로 고정한 "복부 지지대"를 부착해야 한다.
MHD 상호작용 실험은 매우 짧은 시간 동안 이루어지므로, 경제적인 방법으로 고전류를 생성하기 위해 커패시터 팩을 사용하여 인덕턴스에 방전(진동 방전)하는 방식을 채택한다. 전체 시스템을 조정하여, 아르곤 풍랑이 지나가는 순간에 자기장 B가 거의 정적 상태가 되도록 한다(방전 주기: 5밀리초).
다음 도면은 1960년대 내 실험실에서 사용하던 MHD 실험용 충격파 풍속기의 모습이다.
커패시터는 5kV로 충전되었다. 보다 작고 단순한 커패시터 팩은 모형 시험 전극에 전원을 공급하는 데 사용되었다.
문제: 50,000A를 어떻게 전환할 것인가? 해결책: 전기 기관차용 오래된 이그니트론을 사용한다(2,000A를 전환하도록 설계되었지만, 25배 이상의 전류를 견딜 수 있을 정도로 강력하다). 이그니트론은 고전력 전기 공학자들에게 잘 알려진 장비이다.