Verdelging van schokgolven
Hoe schokgolven te verdelgen
Een idee 100% Jean-Pierre Petit, eind jaren zeventig
21 nov 2003
Toen ik deze voordracht gaf aan de École Supérieure de l'Aéronautique in Toulouse, in juni 2003, legde ik dit kernidee uit en werd direct begrepen door hen en door de docenten in supersonische stromingsleer die aanwezig waren.
Ik merk op dat dit idee [aanwezig is. Stel dat u al dit dossier van januari 2001 hebt doorgenomen (en dat de deelnemers aan de bij Szamès besproken conferentie de inhoud waarschijnlijk niet kennen). Waarom is de luchtinlaat "gecontroleerd door MHD", die wordt gebruikt in voertuigen die met supersone snelheid vliegen, zoals Aurora (ik beweer: operationeel sinds 1990), geplaatst bovenaan?
Eerste punt: aan de bovenkant zijn deze machines plat als een hand. Raadpleeg de foto van een model van het voertuig Ajax, genomen in een windtunnel:
Het is niet ik die deze foto heb gezocht, maar ... Szamès, in het artikel dat hij publiceerde in Air et Cosmo eind 2000, net voor de conferentie van Brighton waar hij aan deelnam. Klein detail: na die conferentie zei hij tegen mij:
- U was de enige die op die conferentie iets over MHD hoorde. Persoonlijk heb ik dat woord helemaal niet gehoord.
Onze schoenenhandelaar weet niet dat in congressen de belangrijkste gesprekken niet in de zaal plaatsvinden, maar tussen deskundigen, ver weg van nieuwsgierige of simpelweg ondeskundige oren. Neem deze tekening en zet de kenmerken en schokgolven die zich rond het voertuig vormen erin (korte opmerking: het lichtverschijnsel dat je linksboven op de foto ziet, in de buurt van de scherpe rand aan de voorkant van het voertuig, komt niet overeen met een schokgolf, maar met een elektrische ontlasting die werd toegepast om tijdens deze proef gericht op het verminderen van thermische effecten in dat gebied te meten).
Schokgolven vormen zich aan de onderkant van het voertuig, niet aan de bovenkant die "in de windstroom" ligt. Om een schokgolf te krijgen moet de richting van de snelheid veranderen. De scherpe rand aan de voorkant van Aurora-Ajax is ontworpen zodat de bovenkant raakt aan de "strominglijnen" in de richting van de stromende lucht.
Aan de onderkant zijn er twee schokgolven, waarvan de tweede uitgaat van de scherpe rand van de luchtinlaat (ze lijkt sterk op die van het "Concorde", dat uitmondt in conventionele turbojets*!).
Als de snelheid van het voertuig toeneemt, varieert de temperatuursprong ongeveer als het kwadraat van het Mach-getal. Op een bepaald moment, boven Mach 3, kan de onderste luchtinlaat niet meer worden gebruikt, anders zou het gas zo heet worden dat de bladen van de turbine in de compressor zouden verdampen. Bij hoog Mach-getal (tien-twaalf) zou die temperatuurstijging zo groot zijn dat zelfs een statorjet-luchtinlaat, gekoeld door circulatie van vloeibaar brandstof, niet zou kunnen overleven. De theorie van de scramjet (statorjet met verbranding in supersone toestand), die door de Amerikanen wordt gepropageerd in hun "projecten", is slechts een mooie misleiding waarin de Europeanen kopje onder gaan. De luchtvaartjournalist Bernard Thouanel, volkomen onbekend met MHD, houdt er natuurlijk aan vast (want ... het staat op internet).
De onderste luchtinlaat zal dus worden afgesloten en de overdruk die wordt veroorzaakt door de schokgolf zal de opwaartse kracht leveren. Deze voertuigen "surf" op hun onderste schokgolf, men noemt ze "wave-riders". Het idee dateert ... uit de jaren vijftig, informeer uzelf, toen men een "externe verbranding" onder het voertuig, achter de schokgolf, overwoog (maar die "verwarmde helaas de kleine vogels, als er al zulke waren op die hoogte).
Er wordt een luchtinlaat geopend aan de bovenkant, waarvan de vorm doet denken aan de uitgang van bepaalde laserprinters. Voor deze inlaat is een lange sectie uitgerust met een pariëtale MHD-generator (zie mijn boek). Deze MHD-generator produceert elektrische energie, die later aan het achterste deel van het voertuig wordt teruggevoerd, in de sectie van de semi-geleide stroom, in een "cul de canard"-configuratie aan de achterkant, om de specifieke impuls van de uitstroom te verhogen. Dit is het systeem van het "MHD-bypass" (MHD-brug), een term die Szamès in 2000 overnam (maar waarvan de betekenis hem waarschijnlijk toen vreemd was). Er waren enorme hoeveelheden informatie in het artikel dat Alexandre Szamès samenstelde, waarin al in 2000 de belangrijkheid van het Hall-effect werd genoemd (voor hem: van het Hebreeuws, net als voor Thouanel). Ik moet erkennen dat het inhoud van het artikel van Szamès, overeenkomend met uitspraken van de Rus Fraistadt, initiatiefnemer van het Ajax-project, was wat mijn bezoek aan Brighton motiveerde en mijn vragen aan de Amerikaanse deskundigen daar bepaalde richting gaf, waarvan Thouanel zich haastte om de naam te onthullen voor iedereen.
De productie van elektrische energie gebeurt ten koste van de kinetische energie van het gas, dat daardoor zachtjes wordt hergecomprimeerd, niet via een schokgolf, die absoluut moet worden vermeden (wat niet mogelijk is als men aan de onderkant werkt, een misleiding die door Amerikanen en Russen wordt toegepast op conferenties, waarin Franse "deskundigen" kopje onder gaan). Hier wordt het idee van Jean-Pierre Petit toegepast: voorkom de vorming van een schokgolf door te voorkomen dat de kenmerken elkaar kruisen, want precies hun kruising veroorzaakt de vorming van deze ongewenste golven. Er ontstaat dan een klassiek "uitwaaieringsveld", dat de studenten van Supaéro goed kennen. Hier is wat er zou gebeuren in de buurt van deze MHD-luchtinlaat zonder het ingrijpen van de "vertrager-generator MHD":
Een convergent, rechts onder, recht de kenmerken, de Mach-oppervlakken, veroorzaakt hun kruising en de ophoping van deze drukperturbaties. Het gas wordt vertraagd, hergecomprimeerd, maar er ontstaat een schokgolf. De plek waar de kruising plaatsvindt is ook de plek waar die schokgolf ontstaat.
Een "uitwaaieringsveld" (rechts boven) versnelt het gas daarentegen, verhoogt het Mach-getal. De Mach-lijnen spreiden zich uit en kunnen dus niet kruisen, waardoor geen schokgolf ontstaat. Dit is vloeistofmechanica van voor de oorlog van 1939-45. Als de MHD-generator niet is aangesloten, zal het uitwaaieringsveld van de luchtinlaat het gas, dat met hypersonische snelheid binnenkomt, nog sneller laten gaan, met een nog hoger Mach-getal op het niveau van de compressor: ondenkbaar (hoewel deze ingangen, ingetrokken, de eigenschap hebben om terugkaatsende radarstralen van de turbinebladen te voorkomen en dus "onopvallend" zijn (zie de Amerikaanse drone X-47A, waarvan de foto, onhandig bewerkt door de modelbouwer, op de omslag van mijn boek staat).
De X-47A van voren gezien
Hieronder hetzelfde voertuig, een drone, van opzij:
De X-47A van opzij gezien
Zie je duidelijk hoe de ingetrokken positie van deze luchtinlaat voorkomt dat radarstralen die de turbinebladen raken, terugkaatsen (dat zijn juist de grootste obstakels voor onopvallendheid). Let op dat deze drone zelf al een probleem is. Hoe zou een dergelijke luchtinlaat kunnen functioneren in supersone toestand? Dat lijkt a priori onmogelijk. Maar als het een gevechtsdrone is (de Amerikanen presenteren hem als zodanig, maar zonder enige informatie over zijn prestaties), zou hij dan zelfs hypermanoeuvreerbaar (hoewel zijn uitlaat niet "vectoriel" lijkt te zijn, dus geen richtbare uitstroom) ..... subsonisch zijn? De B2 is, naast de beroemde B-52, die het kernvoertuig was van de Strategic Air Command in de jaren vijftig, het meest geavanceerde voertuig. Toch wordt hij als subsonisch gepresenteerd. Is hij dat echt? Deze problemen worden door luchtvaartjournalisten niet aangesneden, en Bernard Thouanel is daar een voorbeeld van. Toch zou het aan hen moeten zijn om zich deze vragen te stellen.
Maar laten we terugkeren naar het "ontleden" van de Amerikaanse hypersonische technologie en het geheim van hun MHD-gecontroleerde luchtinlaat. In het middelste plaatje wordt de evolutie van de Mach-oppervlakken in de luchtinlaat getoond, zonder tussenkomst van de elektromagnetische krachten J x B die verbonden zijn met het natuurlijke functioneren van de pariëtale MHD-generator.
Als we nu het effect van het uitwaaieringsveld combineren met het vertragen van het gas door de Laplace-krachten, kunnen we, mits fijn afstemmen (massa’s proefschriften voor natuurkundeprogramma’s die momenteel volledig in verval zijn door gebrek aan nieuwe ideeën), deze kenmerken, deze Mach-oppervlakken op de gewenste manier rechtzetten, zonder dat ze in de stroom elkaar kruisen, dus zonder het ontstaan van schokgolven. Als deze kenmerken volledig zijn rechtgezet, loodrecht op de stromingslijnen, is het gewonnen: je bent subsonisch en kunt het gas, hergecomprimeerd maar niet verhit, rustig naar de turbinebladen van de conventionele turbojet van het voertuig sturen. Hetzelfde motor wordt dus gebruikt voor opstijgen, supersone vlucht tot Mach 3,5 en hypersonische vlucht tot Mach 12. Geweldig, nietwaar? Wat fantastisch is, is dat de energie die nodig is om het gas te vertragen en aan de ingang van de turbo de juiste druk te geven, precies... door diezelfde motor wordt geleverd! Dit concept stond al expliciet in de proefschrift van Bertrand Lebrun uit 1986 en in de daaropvolgende wetenschappelijke publicaties. Maar ik ben niet zeker of de mensen bij de DGA (leger) of het ONERA (Office National d'Études et de Recherches Aéronautiques) dit concept volledig begrepen hebben (waar men bescheiden praat over "vermindering van schokweerstand"). Integendeel, na deze verdediging van het proefschrift, vertelde onderzoeker Bernard Fontaine (voormalig lid van het Instituut voor Stromingsmechanica waar ik van 1965 tot 1972 werkte, later directeur van het departement Fysica van de Ingenieur bij het CNRS) me telefonisch: "Omdat Lebrun met mij heeft gewerkt, is het zinloos dat hij een baan in een Franse onderzoeksinstelling zou zoeken."
Tijdens het proces wordt het sterke Hall-effect, veroorzaakt door het functioneren van de generator bij lage dichtheid (druk: een millimeter kwik), vergezeld van hoge spanningen die natuurlijk worden afgevoerd naar de voorkant van het voertuig, waar ze een beschermend plasma-kussen vormen (de proef die overeenkomt met de foto van het Ajax-model in de windtunnel). De thermische effecten van de hoofdschokgolf worden hiermee verminderd. Maar deze schokgolf ontstaat niet voortdurend. In feite, tijdens de cruise van dit hypersonisch spionagetoestel, krijgt het voertuig een snelheidstoename die het naar hogere luchtlagen doet springen, tot 120 km hoogte, waar de lucht zo verdund is dat de warmtestroom verwaarloosbaar wordt. Aurora vliegt dus als een steen die "op het oppervlak van de hoge atmosfeer" rebounceert. De piloot ervaart dus afwisselend gewichtstoename en momenten van gewichtloosheid tijdens parabolische baanbewegingen met een periode van een paar tientallen seconden (zie het dossier over de Hypersoar op mijn website). Zij zijn eraan gewend, maar in de civiele versie van deze voertuigen zou men de passagiers misschien een dramamine moeten geven of ze voorzichtig voorzien van praktische zakken.
In principe kunnen deze ideeën begrepen worden door elk student. In de praktijk is het een andere zaak. Er schuilt daarachter een enorme hoeveelheid problemen, waarvan ik zowel de aard als de oplossingen ken, net zoals mijn Amerikaanse (en Russische) collega’s. Het was zelfs een van onze discussiepunten in Brighton, maar ik vond het niet nodig om er in mijn boek over te schrijven. Ik laat de Fransen de prijs betalen van hun domheid door kopje onder te stappen in deze zandstormen waarvan ze zelfs niet vermoeden dat ze bestaan. Reken er niet op dat ik de oplossingen zal aanwijzen, die nergens zijn vastgelegd en waarover ik alleen tijdens mijn seminarie in juni 2003 aan Supaéro aan studenten heb gesproken.
Veel succes, vrienden. De les van dit geval is dat enerzijds, zoals een bepaalde Jezus zei toen hij uit de synagoge van Kafarnaüm kwam: "Geen profeet is erkend in zijn eigen land". Anderzijds duurt het decennia voordat werkelijk revolutionaire ideeën zich doorzetten in landen waar conservatisme heerst (en in Frankrijk, nog versterkt door de dominante rol van mensen afkomstig uit de École Polytechnique op het gebied van onderzoek). U herinnert u misschien aan de zin van Poincaré:
- Als u het militaire potentieel van Duitsland wilt vernietigen, sticht er een École Polytechnique (Gilbert Payan komt uit die beroemde "gietvorm").
Ik richtte me de volgende vijftien jaar op astrofysica en kosmologie. Maar ik vrees dat ook daar, vooral in Frankrijk, ik te ver vooruit loop. Zie "Journal d'un Savanturier", momenteel in aanbouw.
Mijn huidige oplossing, na het opgeven van deze gebieden in 2001, was om me te richten op Egyptologie. Ik werk nu aan het publiceren van mijn werk op dit gebied (wat waarschijnlijk niet makkelijk zal zijn), en ik denk dat ik alle geheimen van Immothep over de manier waarop de piramides werden gebouwd heb ontrafeld (maak je geen zorgen: het gaat niet om antigravitatie).
Laatste anekdote: weet u aan wie we de ontwikkeling van de serie Lanturlu te danken hebben? Aan Hubert Curien, die destijds het CNES leidde, waar Esterle en Zappoli hun best deden om een eerste versie van mijn MHD-idee te ontwikkelen (met de zegen van Payan en het leger). Ik had hem gevraagd om in te grijpen, en zei:
- Uw mensen hebben ervoor gekozen om zonder mijn diensten te doen, ondanks hun volledige onbekendheid met dit onderwerp. Dan is het hoogst waarschijnlijk dat ze een fiasco zullen maken (wat direct gebeurde, zoals zal blijken). Nou, als u niet ingrijpt, zal ik mijn creativiteit en vrije tijd overbrengen naar wetenschappelijke popularisatie. Hierbij vindt u de eerste manuscripten van albums die een serie kunnen vormen.
Curien (nu overleden) reageerde nooit op mijn e-mail.
Een laatste opmerking.
Met veel moeite, gebruikmakend van mijn scanner op 1200 dpi, probeerde ik de afbeelding uit het VSD-nummer te vergroten, die door Thouanel sterk is verkleind. Door mijn ogen te wijd open te maken kon ik de tekst lezen, wissen en opnieuw samenstellen zodat deze leesbaar werd. Hier is dus de afbeelding:
Dit zou het schema van het Ajax-project moeten zijn. Als de voorkant inderdaad schuin is, wat niet wordt vermeld maar wel zichtbaar is op de kunstenaarsafbeeldingen, bijvoorbeeld op een omslag van Air et Cosmos (van december 2000, als ik me goed herinner), zou men verwachten dat er twee schokgolven ontstaan, zoals hier:
Maar juist dat wil men voorkomen. Het schema toont een "ionisator", dus een ionisatiesysteem. Waarom daar? Waarom niet aan de voorkant, waar het logischer zou zijn om hem te plaatsen? Er is een "externe MHD-generator", dus een pariëtale. De tekening wordt aangevuld met een interne MHD-generator in de luchtinlaat, beide werken als gasvertragers. Het "MHD-bypass" zorgt ervoor dat de tekenaar aan het eind van de uitlaat een MHD-versneller plaatste. Maar dit alles is niet bepaald duidelijk. Ik denk dat dit schema een misleiding is en dat het schema uit de conferentie van Brighton het juiste is, en ik daag een vloeistofmechanicus, gespecialiseerd in fysica van geïoniseerde gassen, uit om het tegendeel te bewijzen. De vloeistofmechanici die aanwezig waren tijdens mijn voordracht aan Supaéro waren het met mij eens.