Anexo 1: MHD
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1 - Generalidades sobre o conceito de cancelamento de ondas de choque
Isso foi introduzido no início dos anos 70. Em seguida, 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, um esforço intenso começou, em total segredo, sobre a MHD militar. Isso foi descoberto muito recentemente (2001). O leitor é livre para acreditar ou não nessa 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 sobre isso baseia-se em fundamentos científicos. Mesmo hoje, as pessoas ainda ignoram muitas características muito importantes sobre a 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 dominar o mundo com tecnologias avançadas em muitos (militares) campos, 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 livro muito bom 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, uma bocal de teste supersônico 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 cresce 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 pela 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"). Isso mostra como as superfícies características colidem, se acumulam em certos lugares. São superfícies elementares de variação de pressão. No meio do escoamento, vemos um leque 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 produzir ondas de choque anexadas. A figura a seguir corresponde a uma solução fisicamente real, com ondas de choque anexadas subsequentes:
Condições físicas com ondas de choque planas anexadas.
Em seguida: estas ondas de choque planas anexadas.
Em seguida: estas ondas planas, mais as linhas de corrente.
Se a borda de ataque for afiada, as ondas frontais são anexadas. Veja o detalhe:
Onda de choque frontal anexada 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.
Onda de choque na borda de ataque arredondada.
Do ponto de vista clássico, essas ondas de choque não podem ser evitadas. Elas correspondem a saltos de pressão e temperatura. Quando o número de Mach se torna maior que 3, os materiais não suportam o fluxo de calor e se vaporizam. Nos "scramjets", o bordo de ataque é resfriado com hidrogênio e oxigênio líquidos, o que permite atingir voos de curta duração até Mach 5-6. Mas o voo hipersônico (Mach 12) é considerado impossível, com base tecnológica. 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 cinquenta 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 os anos sessenta e setenta). Essa pesquisa foi realizada 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, ilustradas. Parte da energia cinética do gás pode ser convertida em eletricidade. Isso é acompanhado pelo desaceleração do gás. O sistema de velocidade, campo elétrico e força de Lorentz subsequente é mostrado 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 a formação de ondas de choque.
Essa é a ideia-chave 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 muda continuamente e nenhuma onda de choque ocorre.
Modificação sem onda de choque do sistema de linhas de Mach, devido à ação da força de Lorentz
Essa é uma ideia muito simples, mas foi considerada secreta por um período muito longo 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 uma distância muito curta.
O gás entra no canal à esquerda e as forças de Lorentz o aceleram.
Mostremos que isso não era um sonho. Em seguida, meu laboratório MHD dos anos sessenta no Instituto de Mecânica dos Fluidos de Marselha, França.
Meu laboratório MHD dos anos sessenta. Frente: eletrodos. À esquerda, um osciloscópio de válvulas antigas Tektronix. 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 uma "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. Esse último media 10 cm de comprimento. Durante os experimentos de aceleração, a velocidade de ejeção atingiu 8.000 m/s, demonstrando a eficiência extraordinária das forças de Lorentz para aceleração com um campo magnético elevado (2 teslas) e densidades elevadas de corrente elétrica. Em seguida, a eficiência clássica 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. Tratava-se de uma pesquisa civil, mas sabemos que pesquisas semelhantes eram realizadas em segredo no famoso Laboratório Lawrence Livermore, na Califórnia, no mesmo momento. 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 por meio de uma escolha apropriada 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 subsequente:
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 mudou 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)
Acima: o 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 concentração das linhas características pudesse ser evitado. Isso foi demonstrado por cálculos computacionais e apresentado em vários congressos internacionais sobre MHD (Tsukuba, Japão, Pequim, China, ver bibliografia e artigos citados). O padrão geral das linhas de Mach torna-se o seguinte:
Tese de doutorado de Lebrun. Linhas características.
Este trabalho foi realizado em um laboratório civil, mas sabemos que, no mesmo momento, os americanos faziam o mesmo em um nível alto de segredo. Na França, as autoridades estavam assustadas 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 de submarinos. Para não perturbar a mente do leitor, falaremos sobre isso 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 : « Aniquilação de ondas de choque pela ação MHD em fluxos supersônicos. Análise quase unidimensional estacionária e bloqueio térmico ». European Journal of Mechanics ; B/Fluids, 8, n°2, pp. 163-178, 1989.
(4)
B. Lebrun & J.P. Petit : « Aniquilação de ondas de choque pela ação MHD em fluxos supersônicos. Análise estacionária bidimensional não isentrópica. Critério anti-choque, e simulações de tubo de choque para fluxos isentrópicos ». European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8, pp. 307-326, 1989.
(5)
B. Lebrun : « Abordagem teórica da supressão das ondas de choque formando-se em torno de um obstáculo afilado colocado em um fluxo de argônio ionizado ». Tese de Energética n° 233. Universidade de Poitiers, França, 1990.
(6)
B. Lebrun & J.P. Petit : « Análise teórica da aniquilação de ondas de choque por um campo de força de Lorentz ». Simpósio Internacional sobre MHD, Pequim, 1990.
Anexo 1 (MHD), próxima página
Versão original (inglês)
Annex 1 : MHD
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1 - Generality about the shock wave cancellation concept
This was introduced in the begining of the seventies. Then the US government understood that MHD could play an important role in future military projects. At the same time the US scientists undestood the MHD had something to do with hypersonic flight. They decided to desinform people. Officially, in USA, MHD was abandonned. Civil MHD got starving. Big industrial projects were abandonned. But, at the same time, an intensive effort began, in full secrecey, about military MHD. This was discovered very recently (2001). The reader if free to believe or not to believe this. We were told about what happenend in US between 1970 and the present days by top level American scientists involved in secret black programs, concentrated in area 51. The only argument about this is based on scientic grounds. Even now, people ignore many very important features about MHD applied to supersonic gas flows, which made possible a fantastic and fundamental breakthrough in USA in the middle of the seventies. Thirty years after American master the world with advanced technologies in many (military) fields, including long duration hypersonic flight, up to Mach 12.
Idon't know who will read this annex, whose reading requires advanced knowledge in supersonic flui mechanics, characteristic theory and MHD. A very good book was published in 1967, entitled "Engineering Magnetohydrodynamics"; Sutton and Sherman, Mac Graw Hill Books Company.
Let us present some basic concepts.
In a supersonic flow we may consider "Mach Lines" :
Mach lines (or Mach surfaces) in a superonic flow
The angle of such Mach line depends on the local value of the velocity.
Impact of the velocity rising of the Mach angle
If we consider a supersonic flow, Mach lines, "characteristic lines" are real. They map the flow. Next, a 2d supersonic test nozzle (supersonic wind tunnel).
In the convergent section the fluid is in subsonic condition. From a mathematical point of view the characheristic lines, (the Mach surfaces) are imaginary. The velocity of the sound is reached at the throat of the nozzle. Then the Mach surfaces become real. We can figure it :
Evolution of Mach surfaces, or Mach lines in a supersonic nozzle.
In the nozzle the velocity grows continuously. At the same time the Mach angle decreases (it is equal to 90° at the throat section). It corresponds to the "natural variation" of the Mach surfaces system, due to the expansion of a supersonic flow.
Now, consider a 2d supersonic flow around a flat wing. We may compute the theoretical Mach lines system, through characteristic theory:
Theoretical characteristic lines around a flat wing imbeded in a supersonic gas flow.
This is not physical. That's "pure mathematics" (a solution of a "characteristic system). It shows how the caracteristic surface collide, accumulate in some place. They are elementary pressure variation characteristic surfaces. In the middle of the flow we see a classical expansion fan, were the pressure gets lower and were the gaz is accelerated. But in another regions wee see how the Mach surfaces accumulate and tend to give attached shock waves. The next figure corresponds to really physical solution, with subsequent attached shock waves :
Physical conditions with attached oblic plane shock waves.
Next : these flat attached shock waves.
Next, these flat waves, plus flow lines.
If the leading edge is sharp the front waves are attached. Se detail :
Attached front shoch wave at the vicinity of the leading edge of a flat wing
If the leading edge is blunt the situation is somewhat different. The shock looks like a bow.
Shock wave at a blunt leading edge.
From a classical point of view these shock waves cannot be avoided. The corresopond to pressure en temperature jumps. When the Mach number becomes higher that 3 material cannot stand the heat flux and gets vaporised. In "scramjets" one cools the leading edge with liquid hydrogen and oxygen, which makes possible to achieve short duration Mach 5-6 flight.But hypersonic flight (Mach 12) is considered as impossible, on technological grounds. In 1947 the ufo phenomenon arose a stange question : is it possible to achieve such hight Mach number flights ? In Roswell Americans gor the crashed machine, which proved immediatly two things :
-
Ufos were definitively real
-
The came from othe planetary systems.
It was decided to keep a full secrecy about that. An intense and active policy of dinsinformation was build up in USA, which is still in action. Nasa, for example, in its official website explains that ufos are nothing but an illusion, almost 50 years after. It took time to American to undestand that MHD was the key, the master word of the hypersonic (and silent) flight. The silent flight of ufos showed that shock waves (and turbulence) were avoided. To illustrate that we shall refer to the author's personal works (extending during the sixties and seventies). This research was done with quite modest lab's equipment, compared to the huge US effort, hidden in underground area 51 plants. But this will be enough to show the basic ideas. On the newt figure a "Faraday MHD linear convertor' with its MHD channel and its two coils.
Faraday MHD convertor
If we remove the two coils we get that :
Faraday channel (the coils have been removed)
Here the convertor acts as a MHD generator. The supersonic flow enters the channel at velocity V, which goes with an induced electric field E
x B . This last produces an electric current in the gaz, which loops through external loads, showed. A part ot the kinetic energy of the gas can be converted into electricity. This goes with the slowing down of the gaz. The system of Velocity, Electric Field and subsequent Lorentz force is shown next :
Electric field and Lorentz force field in a MHD generator.
The Lorentz force obeys the "three fingers' rule" :
This first idea is very important. In effect we see that a MHD accelerator slows down a supersonic fluid. If conveniently managed we can imagine that the fluid parameters can be modified is a "soft way",
without shock wave birth.
That is the key idea of the hypersonic flight concept, as will be shown further. Next we shows the characteristic pattern of Mach lines in a MHD generator. The Mach angle changes continuously and no shock occurs.
Shockless modification of the Mach lines system, due to Lorentz force action
This is a very simple idea, but it was considered as top secret during a very long time over all the world. On another hand, a MHD convertor can be used as an accelerator. To do that we just inject electric power in order to inverse the electric current ans get accelerating Lorentz forces. Then we can modify the local value of the Mach angle. In my lab, in 1967 we got very impressive accelerations along very small lenght.
The gaz enters the channel on the left and Lorentz forces accelerates it.
Let us show that this was not a dream. Next, my MHD lab in the sixties at the Instutut de Mécanique des Fluides de Mareseille, France. .
My MHD lab in the sixties. Front : electrodes. Left, an old Tektronix vacuum lamps oscilloscope. Below : the Faraday convertor with
hung coils. Besides, an "ignitron" used to commute the 50,000 amperes electric current produced by a capacitor bank.
If was a "short duraction wind tunnel" based on a "shock tube". A shock driven argon flow (200 microseconds) was pushed in a 6 meters long constant area wind tunnel. The gaz was moved and compressed (pressure after compression : one bar). The gaz was heated up to 10,000°K, whick provided a very good electrical conductivity (3000 mhos/m). The velocity of the gaz, at the entrance of the MHD channel was 2,750 m/s. This last was 10 cm long. When carrying up acceleration experiments the exhaust velocity reached 8,000 m/s, which demonstrated the extraordinary efficiency of Lorentz forces accelerating power with high magnetic field strenght (2 teslas) and high electrical current densities. Next, the classical MHD efficiency :
MHD efficiency. J is the electric current density, B is the magnetic field, L is a characteristic lenght, below : the mass density and v the velocity.
At the begining of the eighties a french engineer, Betrand Lebrun, started a phd with me. I defined the basic idea of the shockless supersonic flight. This was a civilian research but we know that similat reasearch was carried in secrecey in the famous Lawrence Livermore Laboratory, California, at the same time. We have already presented the general pattern of Mach lines, associated to the theoretical supersonic flow around some flat wing. We have seen that we could change the local value of the Mach angle by a subsequent choice of a convenient Lorentz force Field. For example we can accelerate the flow around the leading edge, using a transverse magnetic field and two wall electrodes, as following :
Accelerating electrodes, at the vicinity of the leading edge
Next, the subsequent Lorentz force field :
Lorentz force field
With such device it was possible to cancel the front shock wave at the vicinity ot a sharp leading edge which showed that a shock system could be avoided. This changed drastically the problem of the hypersonic flight. Now the goal was to cancel and shock around a flat wing, wich implied to keep the Mach lines parallel :
Lebrun Phd : the goal
Three couples of wall electrodes were arranged od the flat wing model :
Lebrun Phd thesis (1987)
Up : the idealiazed characteristic lines pattern (Mach lines of Mach surfaces). If a convenient Lorentz force field could be applied around the model it was expected that une characteristic line focussing phenomenon could be avoided. This was shown through computer calculations and presented at several international MHD meetings (Tsukuba, Japan, Pekin, China, see bibliography and mentioned papers). The general pattern of Mach lines becomes the following :
Lebrun Phd thesis. Characteristic lines.
This work was done in a civilian laboratory but we know that at the same time american did the same stuff is high level of secrecy. In France the officials were deadly scared that such results could evidence the extraterrestrial nature of ufos and the became mad at it. All the civilian research was ended. The military tried to continue this research in their secret labs, for their own, bu they failed, due to their lack of knowledge. During thing time the US projects experienced a very strong acceleration. Parallel research was intensively carried, about torpedos and submarine propulsion. To avoid to confuse the mind of the reader we will talk about that further.
Bibliography
:
(1)
J.P.Petit
: "Is supersonic flight possible ?" Eigth Inter. Conf. on MHD Electr. Power Generation. Moscow 1983.
(2)
J.P.Petit & B.Lebrun
: "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force action". Ninth Inter. Conf. On MHD Electr. Power Generation. Tsukuba, Japan, 1986
(3)
B.Lebrun & J.P.Petit
: "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage". European Journal of Mechanics; B/Fluids, 8 , n°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". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8 , pp.307-326, 1989
(5)
B.Lebrun
: "Approche théorique de la suppression des ondes de choc se formant autour d'un obstacle effilé placé dans un écoulement d'argon ionisé. Thèse d'Energétique n° 233. Université de Poitiers, France, 1990.
(6)
B.Lebrun & J.P.Petit
: "Theoretical analysis of shock wave anihilation by lorentz force field". International MHD symposium, Pékin 1990.
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