Início do MHD3

A linha tracejada deveria representar a região onde o fluido começa a se afastar para dar lugar ao objeto.

No regime supersônico, essas ondas sonoras já não conseguem "informar o fluido" antes que o objeto esteja sobre ele. O gás então é "surpreendido" e sua reação é formar ondas de choque. A ideia, portanto, era encontrar um meio de agir à distância, a montante do objeto, para manipular o gás e incentivá-lo a ceder espaço.

Uma primeira solução refere-se à penetração de um perfil de asa em ar, a velocidade supersônica. Sabe-se que o efeito do impacto desse objeto no ar provoca um desaceleração brusca. Parecia, portanto, lógico facilitar o escoamento gasoso ao longo do perfil, próximo à borda de ataque, ao mesmo tempo em que se iniciava a desaceleração do gás a montante. Isso é possível aplicando um campo magnético perpendicular ao plano da figura, com duas eletrodos pareddais, como indicado. As linhas de corrente elétrica que fluem no gás são mostradas. Isso resulta em uma força de Laplace (de Lorentz, para os anglo-saxões), que obedece à "regra dos três dedos".

A seguir, a configuração geral do campo de forças eletromagnéticas, perpendiculares às linhas de corrente elétrica.

Dessa forma, ganha-se em três aspectos:

• Diante do objeto, começa-se a desacelerar o fluido a montante.

• Inicia-se um movimento de afastamento do fluido.

• Facilita-se seu escoamento ao longo da parede.

A força eletromagnética por unidade de volume é dada por J × B, onde B é a intensidade do campo magnético, expressa em teslas (um tesla equivale a dez mil gauss), e J é a densidade de corrente elétrica, em ampères por metro quadrado. A força é então expressa em newtons por metro cúbico.

Uma intensidade de apenas um ampère por centímetro quadrado (dez mil ampères por metro quadrado), combinada com um campo de 10 teslas, geraria uma força de dez toneladas por metro cúbico de gás, suficiente para impor ao escoamento os efeitos desejados.

A força é mais intensa nas proximidades das eletrodos, onde a corrente se concentra e a densidade de corrente é máxima.

O problema é, evidentemente, fazer passar uma corrente elétrica tão intensa por um meio que, a temperatura ambiente, é um excelente isolante: o ar. Abordaremos esse problema posteriormente.

Em um primeiro momento, em 1976, optamos por simulações baseadas em experiências de hidráulica. O fluido era água ácida (para torná-la mais condutora de eletricidade). Restava dimensionar a experiência. Dispúnhamos de uma instalação de campo magnético que gerava um tesla em alguns centímetros cúbicos. A velocidade do escoamento era de 8 cm por segundo. Dado que a densidade da água é de 1000 kg/m³, foi possível calcular o valor mínimo de J tal que o parâmetro de interação:

onde L é uma dimensão característica da maquete.

A anulação da onda de proa foi obtida na primeira tentativa (1976). Operamos com maquetes lentiformes, mas os primeiros testes foram realizados com uma maquete cilíndrica, na qual se observava uma onda de proa que simulava uma onda de choque descolada, estabelecendo-se a distância de um obstáculo cilíndrico:

Sempre com um campo magnético perpendicular ao plano da figura, a anulação da onda de proa foi conseguida usando duas eletrodos dispostas conforme indicado na figura. A disposição dos polos do eletroímã também é mostrada. Diâmetro da maquete: 7 mm. Largura das eletrodos incrustadas na parede: 2 mm.

A figura acima mostra as ondas na ausência de forças eletromagnéticas, e a seguinte, após a anulação da onda frontal.

As forças de Laplace, decorrentes da passagem da corrente na água ácida, combinadas com o campo magnético transversal, correspondem à figura a seguir:

Essas forças são particularmente intensas nas proximidades das eletrodos, onde a corrente se concentra (densidade de corrente J máxima). A montante, produzem uma desaceleração do fluido. No entanto, esse campo de força não é adequado para provocar a anulação total do sistema de ondas. Nas experiências realizadas com um obstáculo cilíndrico, munido de apenas uma par de eletrodos, essas ondas eram simplesmente concentradas a jusante da maquete. Contudo, como indicado na figura, foi suficiente para criar uma depressão no "ponto de parada", demonstrando que tal sistema poderia, além disso, ser utilizado para propulsão MHD.

A supressão de todo o sistema de ondas pode ser garantida, como pôde ser verificado, sempre por meio dessas simulações hidráulicas, em torno de uma maquete lentiforme, utilizando agora três pares de eletrodos. De fato, se nos referirmos a uma figura anterior, vemos que a formação das ondas de Mach resulta do superposição das ondas de Mach em duas regiões, a montante e a jusante.

Fomos os primeiros (tese de doutorado de Bertrand Lebrun) a introduzir o conceito-chave de regularização de um escoamento supersônico por meio das forças de Laplace, impondo ao redor de uma maquete um sistema de ondas de Mach paralelas:

A segunda família de características, as ondas de Mach, não foi representada.

São, portanto, necessárias três ações:

• Impedir que as ondas de Mach se endiretem nas proximidades da borda de ataque da maquete, acelerando o fluido nessa região.

• Impedir que se aplainem (no "vento de expansão") ao longo dos flancos.

• Finalmente, reacelerar novamente nas proximidades da borda de fuga.

Dai surge um sistema de três eletrodos pareddais:

O campo magnético era perpendicular ao plano da figura, mas, para criar o campo de força adequado, foi necessário (nas simulações realizadas em computador) "esculpir" esse campo, o que seria possível utilizando vários solenoides conjugados. Nas proximidades das eletrodos, as forças de Laplace foram esquematicamente dispostas como a seguir:

A tese de Lebrun (publicação no 7º Colóquio Internacional de MHD em Tsukuba, Japão, e no 8º Colóquio Internacional em Pequim, 1990, bem como na revista The European Journal of Physics) demonstrou a viabilidade teórica da operação. Esse resultado é interessante por mais de um aspecto. De fato, quando se acelera o fluido, fornece-se energia a ele, enquanto quando se o desacelera, é o fluido que fornece energia. Por quê? Porque o deslocamento do fluido ao longo da maquete com velocidade V implica uma força eletromotriz V × B. Essa força tende a criar uma densidade de corrente J = σ (V × B), onde σ é a condutividade...