Аэродинамика МГД космология

...Область МГД очень обширна. Создателем основных концепций является знаменитый британский ученый Майкл Фарадей. МГД имеет два аспекта.

• С одной стороны, можно ускорять жидкости с помощью силы Лоренца J × B, что соответствует ускорителям МГД.

• С другой стороны, можно преобразовывать кинетическую энергию жидкости, ее энтальпию, в электрическую энергию. Это соответствует генераторам МГД. В таких установках, когда газовый поток проходит через линии магнитного поля поперечного магнитного поля B со скоростью V, индуцированное электрическое поле V × B действует на заряженные частицы, свободные электроны или ионы.

...Существует очень хорошая книга (в настоящее время только в научных библиотеках):

Саттон и Шерман: "Инженерная магнитогидродинамика", Мак Грав Хилл Букс Ци, 1967

для физиков и аспирантов.

...У меня есть личный опыт в МГД с 1964 года. С 1964 по 1972 год я работал в Институте механики жидкостей Марселя. Ниже приведен сокращенный список (посвященный более новым работам):

(1) Ж.П. Пети: "Может ли сверхзвуковой полет быть возможен?" Восьмая международная конференция по МГД и производству электроэнергии. Москва, 1983 г.
(2) Ж.П. Пети и Б. Лебрюн: "Уничтожение ударных волн в газе под действием силы Лоренца". Девятая международная конференция по МГД и производству электроэнергии. Цукуба, Япония, 1986 г.
(3) Б. Лебрюн и Ж.П. Пети: "Уничтожение ударных волн под действием МГД в сверхзвуковых потоках. Квазиодномерный стационарный анализ и термическое блокирование". Европейский журнал механики; B/Жидкости, 8, № 2, с. 163-178, 1989 г.
(4) Б. Лебрюн и Ж.П. Пети: "Уничтожение ударных волн под действием МГД в сверхзвуковых потоках. Двумерный стационарный неизоэнтропийный анализ. Критерий антиударной волны и моделирование в трубе ударных волн для изоэнтропийных потоков". Европейский журнал механики, B/Жидкости, 8, с. 307-326, 1989 г.
(5) Б. Лебрюн: "Теоретический подход к подавлению ударных волн, образующихся вокруг заостренного препятствия, помещенного в поток ионизированного аргона". Диссертация по энергетике № 233. Университет Пуатье, Франция, 1990 г.
(6) Б. Лебрюн и Ж.П. Пети: "Теоретический анализ уничтожения ударных волн с помощью поля силы Лоренца". Международный симпозиум по МГД, Пекин, 1990 г.

...После этого я сменил направление и перешел к астрофизике и теоретической космологии. В 60-х годах мы построили короткодлительные генераторы МГД, основанные на ударных трубах, питаемых горячим потоком. Это устройство могло производить короткодлительные потоки, с высокой температурой и высокой скоростью, с относительно высоким давлением. Это не труба низкого давления. Типичные параметры:

Газ: аргон
Скорость: 2700 м/с
Температура: 10 000 °К
Давление: 1 бар
Электропроводность: 4000 мкгом/м

...В настоящее время мы строим новый лабораторный комплекс, финансируемый частными средствами. Я думаю, что он будет работоспособен к концу 2001 года. Активность охватит различные области:

• Эксперименты с горячим газом - Эксперименты с холодным газом (сверхзвуковые потоки воздуха при атмосферном давлении)

• Эксперименты с газом низкого давления (моделирование).

• Численные эксперименты.

• Гидравлические эксперименты (модели высокоскоростных подводных лодок).

...Сначала, почему возобновить деятельность после 13-летнего перерыва? Потому что у нас есть новые идеи. В 1975 году я придумал, что сверхзвуковой полет возможен в плотном воздухе, без образования звукового удара или турбулентности. Я опубликовал статьи в научных журналах на эту тему. В то время это казалось безумной идеей. В 1975 году, со своим коллегой Морисом Витоном, мы построили гидравлический эксперимент, используя магнит в 1 Тесла. Это магнитное поле было необходимо для изменения потока воды вокруг небольшого образца в потоке с свободной поверхностью (8 см/с). Образец был цилиндром (диаметром 7 мм). Эксперимент был успешным, и ударная волна (специалисты по гидродинамике знают, что волны, создаваемые кораблем, очень похожи на ударные волны) была полностью уничтожена. Тогда я подумал, что идея, возможно, не так безумна, как казалась на первый взгляд.

...В течение следующих десяти лет все было очень трудно, не с точки зрения науки, а, скажем, с точки зрения «политики». Очевидно, эта новая концепция была связана со случаем НЛО. В газовых экспериментах такая «аэродинамика МГД» будет окружена светящимся плазменным потоком, красноватым при низком режиме, почти белым при более высоком. Электроды, если машины их имеют, будут похожи на «окна». Кроме того, машина в форме диска (как названная в первом случае в «Отчете Академии наук Парижа», в 1975 году) была оптимальной с точки зрения науки (и основ МГД, которые могут отличаться от классических основ гидродинамики), поэтому научное сообщество не было очень энтузиастом идеи этого проекта, даже если научные основы были совершенно ясны.

...Я пытался установить исследования, сначала в французском ЦНЭС (Центр национальных исследований космоса) с 1979 по 1982 год, затем в лаборатории ЦНРС (Центр национальных научных исследований) с 1984 по 1986 год. Эта последняя лаборатория находилась в Руане, и ее директором был профессор Валентин, ныне на пенсии. Через ЦНЭС некоторые эксперименты были проведены в Тулузе, в французском ЦЭРТ (Центр исследований и технических исследований), лаборатории, тесно связанной с армией. Некоторое финансирование было предоставлено, но в этих двух попытках армия глупо заставила лаборатории отстранить меня от научной должности. К сожалению, научный багаж людей, участвовавших в этих двух случаях, был недостаточным, и исследования провалились. Много денег было напрасно потрачено. Поэтому в 1987 году я решил окончательно отказаться. Но совсем недавно новые идеи вдохновили меня вернуться в эту область. По опыту я знал, что любое сотрудничество с французскими учреждениями немедленно вызовет вмешательство армии, как это происходило несколько раз в прошлом. Поэтому мы решили начать с собственными силами и ресурсами. Это может показаться безумием. Но, по моему мнению, все эти исследования можно провести с использованием устаревших материалов. Кроме того, стоимость электроники и компьютеров за последние двадцать лет значительно снизилась. Многие отличные ученые, теперь на пенсии, присоединились к нам. Поэтому мы решили создать лабораторию в южной Франции. В настоящее время мы собираем устаревшие системы: банки конденсаторов, электрические источники питания с различными напряжениями, низким и высоким, искровые разрядники, килостроны, оптические устройства и т. д., и хранить их. Когда у нас будет все необходимое, мы приступим к действию, надеемся, в ближайшее время.

...Теперь давайте посмотрим на некоторые из этих новых идей.

...Если вы нажмете здесь, вы сможете прочитать Заметку в Отчетах Академии наук, опубликованную в 1975 году. Если вы не говорите по-французски, вот некоторые краткие объяснения. Вот три первые иллюстрации. На рисунке 1 - машина в форме диска, оснащенная экваториальным соленоидом, чей переменный электрический ток создает переменное магнитное поле. Это последнее (благодаря мистеру Максвеллу) создает индуцированное электрическое поле E', которое стремится создать циркулирующие индуцированные электрические токи. Комбинируя эти токи J' с мгновенным значением магнитного поля, мы получаем радиальные силы (эффект Холла считается пренебрежимым), то есть систему временных радиальных сил J' × B, которые поочередно направлены наружу и внутрь. Идея заключалась в следующем: допустим, мы можем создать нестационарную ионизацию рядом с диском, контролируемую во времени, мы могли бы воздействовать на жидкость, используя радиальные центробежные силы, когда они присутствуют, на верхней части диска, и радиальные центробежные силы, когда они обращены, на нижней части машины в форме диска.

...На следующем рисунке ожидаемый индуцированный газовый поток вокруг нашей машины в форме диска:

...Расчеты показывали, что эффект всасывания может быть очень сильным, достаточно сильным, чтобы полностью уничтожить любое образование ударной волны в точке останова машины (которая движется вдоль своей оси). Техническая проблема заключалась в модуляции ионизации рядом с поверхностью во времени. Мы сначала представили устройство, похожее на «ловушку для волков»:

...Представьте небольшое коническое отверстие в стене, и, по его оси, «штырь». На пересечении конус-плоскость, круглый электрод (анод). Центральный электрод (в форме штыря) заряжен отрицательно. Тогда электрический разряд происходит в окружающем воздухе, как показано выше. Магнитное поле, связанное с этим электрическим разрядом, стремится оттолкнуть свободные электроны и дать им энергию. Мы думали, что оно может производить короткоживущие отрицательные ионы в воздухе, позволяя таким образом взаимодействию МГД в течение времени жизни этих ионов. Исследование в хорошо оснащенной лаборатории могло бы быть проведено, но у нас не было такой. С 1973 года я был в астрономической обсерватории, что не является оптимальным местом для проведения экспериментов по физике плазмы.

...В любом случае, в конце 70-х годов были обнаружены интересные аспекты машины. Хорошие специалисты по плазме знают, что магнитное давление стремится оттолкнуть электрические разряды. Мы испытали это в экспериментах с низким давлением воздуха. Решение было быстро найдено. Вместо создания поля B, максимальное значение которого находится в плоскости симметрии (создано одной экваториальной катушкой), мы решили использовать три катушки, одну большую и две меньшие, как показано на следующем рисунке:

...Слева: ось машины. Вверху и справа: схематическое расположение трех катушек, показывающее направление электрического тока. На рисунке показаны линии магнитного поля. Мы видим, что максимальная поверхность B находится рядом с частью конуса (содержащей круги двух катушек). Серая область: объем конфайнмента, в котором плазма стремится находиться. Немедленный успех, экспериментально. Затем, стенка машины, чтобы оптимизировать взаимодействие МГД, должна быть перпендикулярна линиям магнитного поля. Наконец, это типичный вид нашей аэродинамики МГД без электродов, использующей явления индукции и импульсную ионизацию, оптимизированную по принципам МГД:

...Вы понимаете, почему у нас были проблемы с научным сообществом, армией, политиками и т. д.

...Короткоживущая ионизация была трудноуправляемой.

Эксперименты МГД с холодным газом.

...Но недавно появилась новая идея, кратко изложенная на следующем рисунке:

...Стенки модели из тефлона. В двух тефлоновых оболочках встроены катушки (экваториальная катушка и две «катушки конфайнмента»). Будут использованы два килострона, настроенные на два отдельных волновода. Эти два элемента представлены на рисунке. Это цилиндры из латуни, соосные. Когда один работает, второй выключен, и наоборот. Тонкие ламели из латуни, смешанные (в красном цвете), действуют как диффузоры и излучают микроволны. Пластина из латуни, находящаяся в плоскости симметрии, предотвращает микроволны, используемые для ионизации воздуха с противоположной стороны машины. На следующем рисунке мы показываем модель, когда микроволны проходят по центральному каналу, рассеиваются тонкими ламелями из смешанной латуни, вверху, проходят через тефлон, а затем создают тонкий слой ионизированного воздуха. Микроволны на 3 ГГц оптимальны для ионизации воздуха при атмосферном давлении, и ионизированный газ поглощает микроволны. Таким образом, ионизация будет ограничена тонким слоем.

...Кажется, относительно просто, с таким устройством, создать временную зависимость ионизации рядом с моделью в форме диска. Также просто синхронизировать переменные электрические токи в трех катушках. Таким образом, такая модель может сильно всасывать воздух перед собой. Это, конечно, зависит от интенсивности магнитного поля (параметр взаимодействия МГД должен быть достаточно высоким). Не обязательно уничтожать ударные волны в течение длительного времени. Могут проводиться только краткосрочные эксперименты в короткодлительной трубе ударных волн. Нам придется построить это. Схематически, эта труба ударных волн основана на большом вакуумном резервуаре, содержимое которого удаляется при каждом испытании мощным вакуумным насосом (у нас уже есть такой). Слева: сверхзвуковой канал. Между каналом и резервуаром: мембрана из майлара. Когда насос понизит давление в резервуаре достаточно, мембрана разрывается. Типичная продолжительность потока: несколько десятых секунды.

...Эта простая идея была достаточно захватывающей, чтобы решить возобновить исследования МГД. Следующая картинка: другая вид модели в форме диска:

...Далее: ожидаемый газовый поток вокруг «пассивной» модели. Система ударных волн.

Далее: поток, после уничтожения ударной волны под действием сил Лоренца:

...Мы планируем провести эксперименты с «гидродинамиками МГД», то есть с подводными лодками высокой скорости.

Эксперименты МГД с горячим газом.

...В лаборатории будет построена ударная труба, питаемая ударной волной (так называемая ударная труба). На следующем рисунке представлена схематическая установка МГД.

...Следующий рисунок: часть МГД установки.

...Следующее изображение показывает две катушки и канал МГД:

...В таких установках, в 1967 году, в Институте механики жидкостей Марселя были успешно ускорены плазмы, демонстрируя эффективность сил Лоренца для контроля сверхзвукового потока. Скорость входа (чистый аргон, 1 бар, 10 000 °К): 2750 м/с. Скорость выхода: 8000 м/с !!

Следующий рисунок: положение модели плоского крыла в сверхзвуковой ударной трубе, в эксперименте, запланированном в 1987 году:

...Диссертация Бернара Лебрюна (1987), публикации в Европейском журнале механики, а также две презентации на международных конференциях по МГД (Цукуба, 1987, Пекин, 1990) были посвящены уничтожению передней ударной волны в потоке горячего аргона (10 000 °К), поступающего из ударной трубы. Сегодня мы намереваемся провести этот ключевой эксперимент. Схематически, существование прикрепленной ударной волны на передней части какого-то рода «крыла» (двумерный поток) может быть выявлено с помощью лазерной интерферометрии (разработанной в Институте механики жидкостей Марселя в 1965 году). Справа, фото, которое мы надеемся получить, если ударная волна будет уничтожена в этом потоке горячего аргона.

...Поскольку у нас теперь есть (теоретическая) возможность проводить эксперименты с холодным газом, этот эксперимент с горячим аргоном может показаться излишним. Но мы предпочитаем рассматривать эти два цели как «параллельные исследования».

Вернуться к научному резюме