MHD en annulering van schokgolven
Bijlage 1: MHD
- pagina 1 -
1 - Algemeen over het concept van annulering van schokgolven
Dit concept werd begin jaren 70 geïntroduceerd. Vervolgens begreep de Amerikaanse overheid dat MHD een belangrijke rol kon spelen in toekomstige militaire projecten. Tegelijkertijd begrepen Amerikaanse wetenschappers dat MHD iets te maken had met hypersonische vlucht. Ze besloten het publiek te desinformeren. Officieel werd MHD in de VS opgegeven. Civiele MHD werd opgegeven. Grote industriële projecten werden opgegeven. Maar parallel hieraan begon een intensieve inspanning, in het grootste geheim, op militaire MHD. Deze realiteit werd zeer recent ontdekt (2001). De lezer is vrij om deze informatie al dan niet te geloven. We werden geïnformeerd over wat er in de VS gebeurde tussen 1970 en heden door hooggeplaatste Amerikaanse wetenschappers die betrokken waren bij geheime zwarte programma's, geconcentreerd in Area 51. Het enige argument ter ondersteuning van deze bewering berust op wetenschappelijke gronden. Zelfs vandaag de dag negeren mensen nog steeds veel zeer belangrijke kenmerken met betrekking tot MHD toegepast op supersonische gasstromen, wat een fantastische en fundamentele doorbraak mogelijk maakte in de VS in het midden van de jaren 70. Dertig jaar na het domineren van de wereld door geavanceerde technologieën in vele gebieden (militair), inclusief langdurige hypersonische vlucht, tot Mach 12.
Ik weet niet wie deze bijlage zal lezen, waarvan het lezen gevorderde kennis vereist in supersonische fluïdummechanica, karakteristieke theorie en MHD. Een zeer goed boek werd gepubliceerd in 1967, getiteld "Engineering Magnetohydrodynamics"; Sutton en Sherman, Mac Graw Hill Books Company.
Laten we nu enkele basisconcepten presenteren.
In een supersonische stroming kunnen we de "Mach-lijnen" beschouwen:
Mach-lijnen (of Mach-oppervlakken) in een supersonische stroming
De hoek van deze Mach-lijnen hangt af van de lokale waarde van de snelheid.
Effect van de toename van de snelheid op de Mach-hoek
Als we een supersonische stroming beschouwen, zijn de Mach-lijnen, of "karakteristieke lijnen", reëel. Ze kaarten de stroming. Vervolgens, een 2D supersonische testmondstuk (supersonische windtunnel).
In de convergerende sectie is het fluïdum in subsonische conditie. Wiskundig gezien zijn de karakteristieke lijnen (de Mach-oppervlakken) imaginair. De geluidssnelheid wordt bereikt in de keel van het mondstuk. Vervolgens worden de Mach-oppervlakken reëel. We kunnen ze visualiseren:
Evolutie van Mach-oppervlakken, of Mach-lijnen, in een supersonisch mondstuk.
In het mondstuk neemt de snelheid continu toe. Tegelijkertijd neemt de Mach-hoek af (deze is gelijk aan 90° in de keelsectie). Dit komt overeen met de "natuurlijke variatie" van het systeem van Mach-oppervlakken, door de expansie van een supersonische stroming.
Beschouw nu een 2D supersonische stroming rond een vlakke vleugel. We kunnen het theoretische systeem van Mach-lijnen berekenen, met behulp van karakteristieke theorie:
Theoretische karakteristieke lijnen rond een vlakke vleugel ondergedompeld in een supersonische gasstroming.
Dit is niet fysiek. Het is "puur wiskundig" (een oplossing van een "karakteristiek systeem"). Het toont hoe de karakteristieke oppervlakken botsen, zich ophopen op bepaalde punten. Dit zijn elementaire oppervlakken voor drukvariatie. In het midden van de stroming zien we een klassieke expansieventilator, waar de druk daalt en het gas versneld wordt. Maar in andere gebieden zien we hoe de Mach-oppervlakken zich ophopen en neigen naar gehechte schokgolven. De volgende figuur komt overeen met een echt fysieke oplossing, met gehechte schokgolven:
Fysieke condities met gehechte oblique vlakke schokgolven.
Vervolgens: deze gehechte vlakke schokgolven.
Vervolgens: deze vlakke golven, plus stroomlijnen.
Als de voorrand scherp is, zijn de voorkantgolven gehecht. Zie detail:
Gehechte voorkant schokgolf in de buurt van de voorrand van een vlakke vleugel
Als de voorrand afgerond is, is de situatie enigszins anders. De schokgolf lijkt op een schokgolf van het type "boog".
Schokgolf bij een afgeronde voorrand.
Vanuit een klassiek oogpunt kunnen deze schokgolven niet vermeden worden. Ze komen overeen met sprongen in druk en temperatuur. Wanneer het Mach-getal hoger wordt dan 3, kunnen materialen de warmtestroom niet verdragen en verdampen. In "scramjets" wordt de voorrand gekoeld met vloeibare waterstof en zuurstof, wat kortdurende vluchten op Mach 5-6 mogelijk maakt. Maar hypersonische vlucht (Mach 12) wordt als onmogelijk beschouwd, vanuit technologisch oogpunt. In 1947 wierp het UFO-fenomeen een vreemde vraag op: is het mogelijk om zulke hoge Mach-getallen te bereiken? In Roswell hebben de Amerikanen een gecrashte machine teruggevonden, wat onmiddellijk twee dingen bewees:
-
UFO's waren definitief echt
-
Ze kwamen van andere planetaire systemen.
Er werd besloten om hierover volledige geheimhouding te handhaven. Een intense en actieve desinformatiepolitiek werd opgebouwd in de VS, die nog steeds van kracht is. Bijvoorbeeld, de NASA legt op haar officiële website uit dat UFO's niets anders zijn dan een illusie, bijna 50 jaar later. Het kostte de Amerikanen tijd om te begrijpen dat MHD de sleutel was, het masterwoord van de hypersonische (en stille) vlucht. De stille vlucht van UFO's toonde aan dat schokgolven (en turbulentie) vermeden werden. Om dit te illustreren, verwijzen we naar de persoonlijke werken van de auteur (ontwikkeld tijdens de jaren 60 en 70). Dit onderzoek werd uitgevoerd met vrij bescheiden laboratoriumapparatuur, vergeleken met de kolossale Amerikaanse inspanning, verborgen in ondergrondse fabrieken in Area 51. Maar dit zal voldoende zijn om de basisideeën te tonen. Op de volgende figuur een "Faraday MHD lineaire converter" met zijn MHD-kanaal en zijn twee spoelen.
Faraday MHD converter
Als we de twee spoelen verwijderen, krijgen we dit:
Faraday-kanaal (de spoelen zijn verwijderd)
Hier werkt de converter als een MHD-generator. De supersonische stroming enters het kanaal met snelheid V, wat gepaard gaat met een geïnduceerd elektrisch veld E × B. Dit produceert een elektrische stroom in het gas, die door externe belastingen loopt, getoond. Een deel van de kinetische energie van het gas kan worden omgezet in elektriciteit. Dit gaat gepaard met de vertraging van het gas. Het systeem van snelheid, elektrisch veld en resultante Lorentz-kracht wordt hieronder geïllustreerd:
Elektrisch veld en Lorentz-krachtveld in een MHD-generator.
De Lorentz-kracht gehoorzaamt de "drie-vingers-regel":
Dit eerste idee is zeer belangrijk. We zien inderdaad dat een MHD-accelerator een supersonisch fluïdum vertraagt. Als dit goed beheerd wordt, kunnen we ons voorstellen dat de fluïdumparameters op een "zachte" manier kunnen worden gewijzigd, zonder geboorte van een schokgolf. Dit is het sleutelidee van het concept van hypersonische vlucht, zoals we later zullen zien. Vervolgens tonen we het karakteristieke patroon van Mach-lijnen in een MHD-generator. De Mach-hoek verandert continu en er ontstaat geen schokgolf.
Schokloze modificatie van het systeem van Mach-lijnen, door de werking van de Lorentz-kracht
Dit is een zeer eenvoudig idee, maar het werd zeer lang als top-geheim beschouwd over de hele wereld. Aan de andere kant kan een MHD-converter worden gebruikt als accelerator. Om dit te doen, injecteren we gewoon elektrische energie om de elektrische stroom om te keren en versnellende Lorentz-krachten te krijgen. Zo kunnen we de lokale waarde van de Mach-hoek wijzigen. In mijn laboratorium, in 1967, kregen we zeer indrukwekkende versnellingen over zeer korte afstanden.
Het gas enters het kanaal aan de linkerkant en de Lorentz-krachten versnellen het.
Laten we tonen dat dit geen droom was. Hier is mijn MHD-laboratorium uit de jaren 60 aan het Institut de Mécanique des Fluides de Marseille, Frankrijk.
Mijn MHD-laboratorium uit de jaren 60. Vooraan: elektroden. Links, een oude Tektronix oscilloscoop met vacuümlampen. Onderaan: de Faraday converter met hangende spoelen. Daarnaast, een "ignitron" gebruikt om de elektrische stroom van 50.000 ampère te commuteren, geproduceerd door een condensatorbank.
Het was een "kortdurende windtunnel" gebaseerd op een "schokbuis". Een door een schok aangedreven argonstroming (200 microseconden) werd geduwd in een 6 meter lange windtunnel met constante doorsnede. Het gas werd verplaatst en gecomprimeerd (druk na compressie: 1 bar). Het gas werd verwarmd tot 10.000 °K, wat een zeer goede elektrische geleidbaarheid (3000 mhos/m) opleverde. De snelheid van het gas aan de ingang van het MHD-kanaal was 2.750 m/s. Dit laatste was 10 cm lang. Tijdens versnellingsexperimenten bereikte de uitblaas-snelheid 8.000 m/s, wat de buitengewone efficiëntie van Lorentz-krachten voor versnelling demonstreerde met een hoog magnetisch veld (2 tesla) en zeer hoge elektrische stroomdichtheden. Vervolgens, de klassieke MHD-efficiëntie:
MHD-efficiëntie. J is de elektrische stroomdichtheid, B is het magnetisch veld, L is een karakteristieke lengte, hieronder: de massadichtheid en v de snelheid.
Begin jaren 80 begon een Franse ingenieur, Bertrand Lebrun, een doctoraat met mij. Ik definieerde het basisidee van supersonische vlucht zonder schokgolven. Dit was civiel onderzoek, maar we weten dat vergelijkbaar onderzoek in het geheim werd uitgevoerd in het beroemde Lawrence Livermore Laboratory, Californië, op hetzelfde moment. We hebben al het algemene patroon van Mach-lijnen gepresenteerd, geassocieerd met de theoretische supersonische stroming rond een vlakke vleugel. We hebben gezien dat we de lokale waarde van de Mach-hoek konden veranderen door een geschikte keuze van het Lorentz-krachtveld. Bijvoorbeeld, we kunnen de stroming rond de voorrand versnellen door gebruik te maken van een transversaal magnetisch veld en twee wandelektroden, als volgt:
Versnellende elektroden, in de buurt van de voorrand
Vervolgens, het bijbehorende Lorentz-krachtveld:
Lorentz-krachtveld
Met een dergelijk apparaat was het mogelijk om de voorkant schokgolf in de buurt van een scherpe voorrand te annuleren, wat aantoonde dat een schokgolf-systeem vermeden kon worden. Dit veranderde drastisch het probleem van hypersonische vlucht. Het nieuwe doel was om schokgolven rond een vlakke vleugel te annuleren, wat impliceerde dat de Mach-lijnen parallel moesten blijven:
Thesis van Lebrun: het doel
Drie paren wandelektroden werden gerangschikt op het model van de vlakke vleugel:
Doctoraatsproefschrift van Lebrun (1987)
Boven: het geidealiseerde patroon van karakteristieke lijnen (Mach-lijnen of Mach-oppervlakken). Als een geschikt Lorentz-krachtveld rond het model kon worden toegepast, werd verwacht dat een fenomeen van focussing van karakteristieke lijnen vermeden kon worden. Dit werd aangetoond door computerberekeningen en gepresenteerd op meerdere internationale MHD-congressen (Tsukuba, Japan, Peking, China, zie bibliografie en genoemde artikelen). Het algemene patroon van Mach-lijnen wordt als volgt:
Thesis van Lebrun. Karakteristieke lijnen.
Dit werk werd uitgevoerd in een civiel laboratorium, maar we weten dat de Amerikanen parallel hetzelfde deden in absolute geheimhouding. In Frankrijk waren de autoriteiten doodsbang dat zulke resultaten de extraterrestrische aard van UFO's konden onthullen, en ze werden er dol van. Alle civiele onderzoek werd stopgezet. Het leger probeerde dit onderzoek voort te zetten in hun geheime laboratoria, voor hun eigen rekening, maar faalde vanwege hun gebrek aan kennis. Gedurende deze tijd ervoeren de Amerikaanse projecten een zeer sterke versnelling. Parallel onderzoek werd intensief uitgevoerd op torpedos en onderwaterpropulsie. Om de geest van de lezer niet te verwarren, zullen we hier later over spreken.
Bibliografie:
(1) J.P. Petit: "Is supersonische vlucht mogelijk?" Achtste Internationale Conferentie over MHD-elektriciteitsproductie. Moskou, 1983.
(2) J.P. Petit & B. Lebrun: "Annulering van schokgolven in een gas door de werking van de Lorentz-kracht". Negende Internationale Conferentie over MHD-elektriciteitsproductie. Tsukuba, Japan, 1986.
(3) B. Lebrun & J.P. Petit: "Annulering van schokgolven door MHD-werking in supersonische stromingen. Quasi-eendimensionale stationaire analyse en thermische blokkering". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, nr. 2, pp. 163-178, 1989.
(4) B. Lebrun & J.P. Petit: "Annulering van schokgolven door MHD-werking in supersonische stromingen. Tweedimensionale stationaire niet-isentrope analyse. Anti-schokcriterium, en schokbuis-simulaties voor isentrope stromingen". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp. 307-326, 1989.
(5) B. Lebrun: "Theoretische benadering van de onderdrukking van schokgolven die zich vormen rond een slank obstakel geplaatst in een stroming van geïoniseerd argon". Doctoraatsproefschrift in Energetiek nr. 233. Universiteit van Poitiers, Frankrijk, 1990.
(6) B. Lebrun & J.P. Petit: "Theoretische analyse van de annulering van schokgolven door een Lorentz-krachtveld". Internationaal MHD-symposium, Peking, 1990.