MHD e cancelamento de ondas de choque

Anexo 1: MHD

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1 - Generalidades sobre o conceito de cancelamento de ondas de choque

Este conceito foi introduzido no início dos anos 70. Posteriormente, o governo americano percebeu que a MHD poderia desempenhar um papel importante nos projetos militares futuros. Ao mesmo tempo, os cientistas americanos perceberam que a MHD tinha relação com o voo hipersônico. Eles decidiram desinformar o público. Oficialmente, nos Estados Unidos, a MHD foi abandonada. A MHD civil foi abandonada. Os grandes projetos industriais foram abandonados. Mas, ao mesmo tempo, começou um esforço intenso, em total segredo, sobre a MHD militar. Esta realidade foi descoberta muito recentemente (2001). O leitor é livre para acreditar ou não nesta informação. Fomos informados sobre o que aconteceu nos Estados Unidos entre 1970 e hoje por cientistas americanos de alto nível envolvidos em programas secretos negros, concentrados na área 51. O único argumento a favor desta afirmação baseia-se em fundamentos científicos. Mesmo hoje, as pessoas ainda ignoram muitas características muito importantes relativas à MHD aplicada aos escoamentos gasosos supersônicos, o que permitiu um salto fantástico e fundamental nos Estados Unidos no meio dos anos 70. Trinta anos após os americanos dominarem o mundo com tecnologias avançadas em muitos campos (militares), incluindo o voo hipersônico de longa duração, até Mach 12.

Não sei quem lerá este anexo, cuja leitura exige conhecimentos avançados em mecânica dos fluidos supersônicos, teoria das características e MHD. Um excelente livro foi publicado em 1967, intitulado "Engineering Magnetohydrodynamics"; Sutton e Sherman, Mac Graw Hill Books Company.

Agora, vamos apresentar alguns conceitos básicos.

Em um escoamento supersônico, podemos considerar as "linhas de Mach":

Linhas de Mach (ou superfícies de Mach) em um escoamento supersônico

O ângulo dessas linhas de Mach depende do valor local da velocidade.

Efeito do aumento da velocidade no ângulo de Mach

Se considerarmos um escoamento supersônico, as linhas de Mach, ou "linhas características", são reais. Elas mapeiam o escoamento. Em seguida, um bocal de teste supersônico em 2D (túnel de vento supersônico).

Na seção convergente, o fluido está em regime subsônico. Do ponto de vista matemático, as linhas características (as superfícies de Mach) são imaginárias. A velocidade do som é atingida na garganta do bocal. Em seguida, as superfícies de Mach tornam-se reais. Podemos visualizá-las:

Evolução das superfícies de Mach, ou linhas de Mach, em um bocal supersônico.

No bocal, a velocidade aumenta continuamente. Ao mesmo tempo, o ângulo de Mach diminui (é igual a 90° na seção da garganta). Isso corresponde à "variação natural" do sistema das superfícies de Mach, devido à expansão de um escoamento supersônico.

Agora, considere um escoamento supersônico bidimensional em torno de uma asa plana. Podemos calcular o sistema teórico das linhas de Mach, utilizando a teoria das características:

Linhas características teóricas em torno de uma asa plana imersa em um escoamento gasoso supersônico.

Isso não é físico. É "puro matemático" (uma solução de um "sistema característico"). Mostra como as superfícies características colidem, se acumulam em certos pontos. São superfícies elementares de variação de pressão. No meio do escoamento, vemos um feixe de expansão clássico, onde a pressão diminui e o gás é acelerado. Mas em outras regiões, vemos como as superfícies de Mach se acumulam e tendem a dar ondas de choque fixas. A figura a seguir corresponde a uma solução fisicamente real, com ondas de choque fixas:

Condições físicas com ondas de choque oblíquas planas fixas.

Em seguida: estas ondas de choque planas fixas.

Em seguida: estas ondas planas, mais as linhas de corrente.

Se a borda de ataque for afiada, as ondas frontais estão fixas. Veja o detalhe:

Onda de choque frontal fixa próximo à borda de ataque de uma asa plana

Se a borda de ataque for arredondada, a situação é um pouco diferente. A onda de choque parece uma onda de choque do tipo "arco".

Onda de choque na borda de ataque arredondada.

Do ponto de vista clássico, estas ondas de choque não podem ser evitadas. Elas correspondem a saltos de pressão e temperatura. Quando o número de Mach ultrapassa 3, os materiais não suportam o fluxo térmico e evaporam. Nos "scramjets", o bordo de ataque é resfriado com hidrogênio líquido e oxigênio, o que permite atingir voos de curta duração a Mach 5-6. Mas o voo hipersônico (Mach 12) é considerado impossível, do ponto de vista tecnológico. Em 1947, o fenômeno dos OVNIs levantou uma pergunta estranha: é possível atingir tais números de Mach elevados? Em Roswell, os americanos recuperaram uma máquina que caiu, o que imediatamente provou duas coisas:

• Os OVNIs eram definitivamente reais

• Eles vinham de outros sistemas planetários.

Decidiu-se manter um segredo total sobre isso. Uma política intensa e ativa de desinformação foi implementada nos Estados Unidos, que ainda está em vigor. Por exemplo, a NASA explica em seu site oficial que os OVNIs nada mais são do que uma ilusão, quase 50 anos depois. Demorou para os americanos entenderem que a MHD era a chave, a palavra-mestra do voo hipersônico (e silencioso). O voo silencioso dos OVNIs mostrava que as ondas de choque (e a turbulência) eram evitadas. Para ilustrar isso, remetemo-nos aos trabalhos pessoais do autor (desenvolvidos durante as décadas de 60 e 70). Essas pesquisas foram feitas com equipamentos de laboratório bastante modestos, comparados ao esforço colossal americano, escondido em fábricas subterrâneas da área 51. Mas isso será suficiente para mostrar as ideias básicas. Na figura a seguir, um "conversor linear MHD de Faraday" com seu canal MHD e suas duas bobinas.

Conversor MHD de Faraday

Se retirarmos as duas bobinas, obtemos o seguinte:

Canal de Faraday (as bobinas foram removidas)

Aqui, o conversor atua como um gerador MHD. O escoamento supersônico entra no canal com velocidade V, o que causa um campo elétrico induzido E × B. Este último produz uma corrente elétrica no gás, que circula através de cargas externas, representadas. Parte da energia cinética do gás pode ser convertida em eletricidade. Isso se traduz em uma desaceleração do gás. O sistema composto pela velocidade, pelo campo elétrico e pela força de Lorentz resultante é ilustrado abaixo:

Campo elétrico e campo de força de Lorentz em um gerador MHD.

A força de Lorentz obedece à "regra dos três dedos":

Essa primeira ideia é muito importante. De fato, vemos que o acelerador MHD desacelera um fluido supersônico. Se gerenciado convenientemente, podemos imaginar que os parâmetros do fluido podem ser modificados de forma "suave", sem o nascimento de ondas de choque. É aí que reside a ideia principal do conceito de voo hipersônico, como veremos mais adiante. Em seguida, mostramos o padrão característico das linhas de Mach em um gerador MHD. O ângulo de Mach varia continuamente e nenhuma onda de choque ocorre.

Modificação sem ondas de choque do sistema de linhas de Mach, devido à ação da força de Lorentz

Esta é uma ideia muito simples, mas foi considerada segredo ultrassecreto por muito tempo em todo o mundo. Por outro lado, um conversor MHD pode ser usado como acelerador. Para isso, basta injetar energia elétrica para inverter a corrente elétrica e obter forças de Lorentz aceleradoras. Assim, podemos modificar o valor local do ângulo de Mach. No meu laboratório, em 1967, obtivemos acelerações muito impressionantes em distâncias muito curtas.

O gás entra no canal pela esquerda e as forças de Lorentz o aceleram.

Mostremos que isso não era um sonho. Aqui está meu laboratório MHD dos anos 60 no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha, França.

Meu laboratório MHD dos anos 60. Frente: eletrodos. À esquerda, um osciloscópio a válvulas de vácuo Tektronix antigo. Embaixo: o conversor de Faraday com suas bobinas suspensas. Além disso, um "ignitron" usado para comutar a corrente elétrica de 50.000 amperes produzida por uma bancada de capacitores.

Era uma "túnel de vento de curta duração" baseada em um "tubo de choque". Um fluxo de argônio impulsionado por um choque (200 microsegundos) foi empurrado em um túnel de vento de área constante de 6 metros de comprimento. O gás foi deslocado e comprimido (pressão após a compressão: 1 bar). O gás foi aquecido até 10.000 °K, o que proporcionava uma excelente condutividade elétrica (3000 mhos/m). A velocidade do gás na entrada do canal MHD era de 2.750 m/s. Este último media 10 cm de comprimento. Durante os experimentos de aceleração, a velocidade de descarga atingiu 8.000 m/s, o que demonstrava a extraordinária eficiência das forças de Lorentz para acelerar com um campo magnético elevado (2 teslas) e densidades de corrente elétrica muito elevadas. Em seguida, a eficiência clássica da MHD:

Eficiência MHD. J é a densidade de corrente elétrica, B é o campo magnético, L é um comprimento característico, abaixo: a densidade de massa e v a velocidade.

No início dos anos 80, um engenheiro francês, Bertrand Lebrun, começou um doutorado comigo. Defini a ideia básica do voo supersônico sem ondas de choque. Era uma pesquisa civil, mas sabemos que pesquisas semelhantes eram realizadas secretamente no famoso Laboratório Lawrence Livermore, na Califórnia, na mesma época. Já apresentamos o padrão geral das linhas de Mach associadas ao escoamento supersônico teórico em torno de uma asa plana. Vimos que poderíamos modificar o valor local do ângulo de Mach com uma escolha adequada do campo de força de Lorentz. Por exemplo, podemos acelerar o escoamento em torno da borda de ataque usando um campo magnético transversal e duas eletrodos de parede, da seguinte forma:

Eletrodos de aceleração, próximo à borda de ataque

Em seguida, o campo de força de Lorentz correspondente:

Campo de força de Lorentz

Com esse dispositivo, era possível cancelar a onda de choque frontal próximo a uma borda de ataque afiada, mostrando que um sistema de ondas de choque poderia ser evitado. Isso transformou profundamente o problema do voo hipersônico. O novo objetivo era cancelar as ondas de choque em torno de uma asa plana, o que implicava manter as linhas de Mach paralelas:

Tese de Lebrun: o objetivo

Três pares de eletrodos de parede foram dispostos no modelo de asa plana:

Tese de doutorado de Lebrun (1987)

Cima: padrão idealizado das linhas características (linhas de Mach ou superfícies de Mach). Se um campo de força de Lorentz adequado pudesse ser aplicado ao redor do modelo, esperava-se que um fenômeno de focalização das linhas características fosse evitado. Isso foi demonstrado por cálculos computacionais e apresentado em vários congressos internacionais de MHD (Tsukuba, Japão, Pequim, China, veja bibliografia e artigos citados). O padrão geral das linhas de Mach torna-se o seguinte:

Tese de Lebrun. Linhas características.

Este trabalho foi realizado em um laboratório civil, mas sabemos que, ao mesmo tempo, os americanos faziam o mesmo em absoluto segredo. Na França, as autoridades estavam aterrorizadas com a ideia de que tais resultados pudessem revelar a natureza extraterrestre dos OVNIs, e ficaram furiosas. Toda a pesquisa civil foi interrompida. O exército tentou continuar essa pesquisa em seus laboratórios secretos, para seu próprio uso, mas falhou devido à falta de conhecimento. Enquanto isso, os projetos americanos tiveram uma aceleração muito forte. Pesquisas paralelas foram intensamente realizadas sobre torpedos e propulsão subaquática. Para não perturbar a mente do leitor, falaremos disso mais tarde.

Bibliografia :

(1) J.P. Petit : « O voo supersônico é possível? » Oitava Conferência Internacional sobre Produção de Eletricidade por MHD. Moscou, 1983.

(2) J.P. Petit & B. Lebrun : « Cancelamento de ondas de choque em um gás pela ação da força de Lorentz ». Nono Congresso Internacional sobre Produção de Eletricidade por MHD. Tsukuba, Japão, 1986.

(3) B. Lebrun & J.P. Petit : « Cancelamento de ondas de choque pela ação MHD em fluxos supersônicos. Análise quase unidimensional estacionária e bloqueio térmico ». Revista Europeia de Mecânica, B/Fluidos, 8, n.º 2, pp.163-178, 1989.

(4) B. Lebrun & J.P. Petit : « Cancelamento de ondas de choque pela ação MHD em fluxos supersônicos. Análise estacionária bidimensional não isentrópica. Critério anti-choque, e simulações de tubos de choque para fluxos isentrópicos ». Revista Europeia de Mecânica, B/Fluidos, 8, pp.307-326, 1989.

(5) B. Lebrun : « Abordagem teórica da supressão das ondas de choque formadas em torno de um obstáculo afiado colocado em um fluxo de argônio ionizado ». Tese de Energética n.º 233. Universidade de Poitiers, França, 1990.

(6) B. Lebrun & J.P. Petit : « Análise teórica do cancelamento de ondas de choque por um campo de força de Lorentz ». Simpósio Internacional de MHD, Pequim, 1990.

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