MHD 추진.
이전의 그림은 라플라스 힘의 작용으로 인해 원통 주위에 생기는 유동을 보여주며, 이러한 힘이 비행기나 항해 기계의 추진에 사용될 수 있음을 보여준다. 그러나 원통형은 가장 적절한 형태로 보이지 않는다. 따라서 이러한 물체에 전극의 고리 구조를 부착함으로써 구형으로 전환하는 것은 간단하다.
회전하는 스위치 시스템을 사용하여, 서로 반대편에 위치한 두 전극을 차례로 전원 공급한다. 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 수리역학 실험 당시 우리는 핑퐁공 내부에 회전하는 자석을 넣어 본 적이 있다). 물리학을 공부하는 모든 학생들은, 120도 간격으로 배열된 세 개의 솔레노이드에 적절히 위상이 이동된 전류를 공급하면, 회전하는 자석 이중극과 동일한 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, 충격파 소멸 실험을 다시 시도할 계획이었다. 이 모든 시스템은 적절히 동기화된 커패시터 방전 전원으로 공급될 것이다.
차가운 기체에서의 실험도 흥미로웠을 것이다. 모형을 고주파 안테나로 사용하기만 하면 되었다. 1978년부터 우리는 이 주제에 대해 매우 흥미로운 실험을 수행했다. 다시 한 번 이온화는 물체 주변 근접 지역에 조용히 국한될 것이다.
렌티큘러 항공기.
그러나 가장 흥미로운 실험은 MHD 렌티큘러 항공기(1975년, CRAS 게재, 제목: "새로운 종류의 MHD 변환기")에 관한 것이었다. 이 경우, 전극이 없는 기계를 의미한다.
교류를 흐르게 하는 솔레노이드를 고려해보자. 이는 주변 공기 중에 유도된 자기장을 생성하며, 이 자기장과 함께 전류가 순환할 수 있다. 이 전류는 유도 자기장과 반대 방향의 2차 자기장을 생성한다(렌츠 법칙).
폐쇄된 경로를 형성하는 유도 전류(i)는 유도 자기장 B(t)와 상호작용하여, 중심 밖으로 밀어내는(원심력) 및 중심으로 끌어당기는(중심력) 방향의 라플라스 힘을 발생시킨다. 예를 들어, 위 그림에서 시간 t₀에 유도 자기장 B(자극자)의 방향과 전류 밀도 J(유도된 자기장, 기체 질량 내를 흐르는 전류)의 방향은 중심으로 끌어당기는 방향의 반력이 발생한다.
시간 t₁에 이 힘은 원심 방향이 된다.
솔레노이드를 장착한 디스크 주변의 기체가 이온화되어 있지 않다면, 특별한 일은 일어나지 않는다. 기체를 이온화하면, 이는 원심력과 중심력이 번갈아 작용하는 방식으로, 마치 샤크(shaker)처럼 흔들린다.
이 원리에 기반하여, 시간에 따라 조절된 이온화를 상하면에 각각 만들어, 기체의 상부가 원심력이 작용할 때 전도체가 되도록 하고, 하부는 중심력이 작용할 때 전도체가 되도록 하면 추진 시스템을 설계할 수 있다:
이렇게 하면 기체가 기체 주위를 강력하게 순환하는 힘의 조합을 얻을 수 있다:
(파리 과학 아카데미 보고서, 1975)의 공식은 매력적이다. 그러나 문제는 이온화를 벽 근처에서 펄스형으로 생성할 수 있는 방법을 찾아내는 것이다. 이 문제는 섬세하다. 공기를 전도체로 만드는 시간이 기체 질량이 물체 주위를 지나가는 시간보다 훨씬 짧아야 하기 때문이다. 3000m/s로 이동하는 물체를 가정하고, 특성 길이가 10m(기체의 지름)라고 하면, 이는 밀리초 수준의 시간이 되며, 3GHz에서 펄스형 마이크로파 방출을 통해 실현 가능하다. 따라서 기계의 상하 벽면에는 작은 클리스트론이 설치되어야 하며, 번갈아가며 방출하여 공기 분자의 자유 전자를 떼어내야 한다.
다른 해결책은 더 매력적으로 보인다. 전자 에너지가 정밀하게 조절된 전자로 분자를 방사하면 전자 결합이 일어난다는 점을 알고 있다. 일부 분자는 추가 전자를 얻어 음이온이 되며, 매우 짧은 수명을 갖는다. 이는 우리가 다루는 상황에서 매우 유용하다.
측면 전자 총은 미니 고리 덫 형태를 가질 것이다. 원리는 간단하다. 솔레노이드는 다음 그림과 같은 자기장 구조를 생성한다:
이 자기장은 벽에 수직이며, 벽에서 멀어질수록 세기가 감소한다. 이에 따라 자기압력이 발생한다:
오른쪽 그림에서 중심 전극과 외곽 전극 사이에 전기 방전이 일어나면, 전자는 자기압력이 낮은 지역, 즉 벽에서 멀리 있는 지역으로 밀려나며, 이 전자의 에너지는 B의 크기에 따라 달라진다. B의 값이 적절히 조절되면, 이 전자 제트는 공기 중에서 음이온을 형성하게 되고, 이는 솔레노이드에 의해 생성된 자기장 B의 변화와 관련된 유도 전류의 효과적인 매개체가 된다(위에서 설명한 바와 같다). 최대의 항공역학적 효율은 벽과 접촉하는 기체 층(즉, "경계층")에서 작용하는 것이다. 그러나 플라즈마의 갇힘 문제는 저압 실험을 통해 실험적으로 연구되었으며, 빠르게 해결되었다.
적도 솔레노이드가 생성하는 자기장 B 역시 자기압력과 관련되어 있다. 이 자기압력은 대칭 평면에서 멀어질수록 감소한다. 따라서 전기 방전은 벽에서 멀어지려는 경향이 있으며, 통제 불가능해질 수 있다.
해결책은 단일 솔레노이드가 아니라, 두 개의 작은 지름을 가진 보조 솔레노이드를 사용하는 것이었다. 이 보조 솔레노이드는 갇힘 솔레노이드로서 기능한다.
특정 순간에 흐르는 전류는
-
적도 솔레노이드에서
-
두 개의 갇힘 솔레노이드에서
반대 방향이다. 기하학적 배열 덕분에, 오목한 벽 근처에서 자기압력의 경사도를 만들어, 전기 방전을 벽에 고정시키고 경계층 기체 내에 유지할 수 있다(구체적으로, 지름이 수십 미터 정도인 기계의 경우, 수 센티미터 두께의 층 내에 유지됨).
이러한 측면 갇힘 실험은 1970년대 후반, 제한된 자원으로 수행한 실험 중 가장 화려한 실험 중 하나였다.
전반적으로, 기체는 두 접시가 붙어 있는 형태를 띠었으며, 아마도 이 형태가 군대에 큰 불만을 안겨 주었을 것이다.
비행기처럼 완전히 비항공역학적인 기체가 마하 10에 이르는 속도로 움직일 수 있는지 의문이 들 수 있다. 속도 벡터는 축 방향으로 향하며, 이는 기체 적도 주변의 기체를 극도로 급격하게 비껴가야 함을 의미한다. 이를 위해서는 기체가 전자기력의 명령에 완전히 복종해야 하며, 이는 상상력에 도전하는 듯하다.
그러나 이 힘의 세기를 충분히 인식하지 못하고 있다. 다음을 계산해 보자.
m₀ = 4π×10⁻⁷
10테슬라의 자기장에서 위 공식으로 주어지는 자기압력을 계산하면 결과는:
대기압의 400배
MHD는 기존의 음속, 초음속, 고음속 영역에서 기체가 내부에 작용하는 강력한 힘에 복종할 수밖에 없는 전통적인 유체역학과는 완전히 다른 유체역학을 제시한다.
참고문헌
(1) J.P. Petit: "Is supersonic flight possible?" 제8차 MHD 전기력 생성 국제 회의, 모스크바, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun: "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force action". 제9차 MHD 전기력 생성 국제 회의, 츠쿠바, 일본, 1986.
(3) B. Lebrun & J.P. Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage". 유럽 기계학 저널; B/유체, 8, 번호 2, pp.163-178, 1989.
(4) B. Lebrun & J.P. Petit: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion, and shock tube simulations for isentropic flows". 유럽 기계학 저널, B/유체, 8, pp.307-326, 1989.
(5) B. Lebrun: "Theoretical approach to the suppression of shock waves forming around a sharp obstacle placed in an ionized argon flow". 에너지학 박사학위 논문 제233호. 프랑스 푸아티에 대학교, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit: "Theoretical analysis of shock wave annihilation by Lorentz force field". 국제 MHD 심포지엄, 베이징, 1990.
계속됨
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