Пунктирная линия должна обозначать область, где жидкость начинает отклоняться, чтобы освободить место для объекта.
В сверхзвуковом режиме звуковые волны больше не могут «информировать» жидкость до того, как объект окажется на ней. Газ оказывается «внезапно застигнутым» и реагирует на это образованием ударных волн. Таким образом, идея заключалась в поиске способа действовать на расстоянии, выше по потоку от объекта, чтобы управлять газом, побуждая его освободить место.
Первое решение связано с проникновением профиля крыла в воздух со сверхзвуковой скоростью. Известно, что воздействие этого объекта на воздух вызывает его резкое замедление. Поэтому казалось логичным облегчить течение газа вдоль профиля вблизи передней кромки, одновременно начав замедление газа выше по потоку. Это возможно при применении магнитного поля, перпендикулярного плоскости рисунка, с размещением двух стеновых электродов, как указано. Линии электрического тока, текущего в газе, указаны. В результате возникает сила Лапласа (сила Лоренца, по англоязычной терминологии), подчиняющаяся «правилу трёх пальцев».
Ниже показана общая картина электромагнитного поля сил, перпендикулярных линиям электрического тока.
Таким образом, достигается три эффекта:
- Перед объектом начинается замедление жидкости выше по потоку.
- Начинается отклонение потока жидкости.
- Облегчается течение газа вдоль стенки.
Электромагнитная сила на единицу объема равна J B, где B — интенсивность магнитного поля, измеряемая в теслах (один тесла равен десяти тысячам гаусс), а J — плотность электрического тока, измеряемая в амперах на квадратный метр. Сила выражается в ньютонах на кубический метр.
Плотность тока, равная всего одному амперу на квадратный сантиметр (десять тысяч ампер на квадратный метр), при совместном действии с полем в 10 тесла, создаст силу в десять тонн на кубический метр газа, что достаточно для создания желаемого эффекта в потоке.
Сила максимальна вблизи электродов, где ток концентрируется, а плотность тока наибольшая.
Проблема, разумеется, в том, чтобы пропустить такой электрический ток через среду, которая изначально является отличным изолятором при нормальной температуре — воздух. Мы рассмотрим эту проблему позже.
Вначале, в 1976 году, мы выбрали моделирование на основе гидравлических экспериментов. Жидкостью была кислотная вода (для повышения электропроводности). Оставалось определить масштаб эксперимента. У нас была установка магнитного поля, дающая один тесла в нескольких кубических сантиметрах. Скорость потока составляла 8 см/с. Плотность воды — 1000 кг/м³, поэтому можно было рассчитать минимальное значение J, при котором параметр взаимодействия:
где L — характерная размерность модели.
Устранение волнового возмущения было достигнуто с первого эксперимента (1976). Мы проводили эксперименты на линзовых моделях, но первые испытания проводились на цилиндрической модели, на которой наблюдалась волна, имитирующая отрывную ударную волну, образующуюся на расстоянии от цилиндрического препятствия:
При том же магнитном поле, перпендикулярном плоскости рисунка, устранение волнового возмущения было достигнуто с помощью двух электродов, расположенных, как показано на рисунке. Также показано расположение полюсных частей электромагнита. Диаметр модели — 7 мм. Ширина электродов, встроенных в стенку — 2 мм.
На приведённом выше рисунке показаны волны при отсутствии электромагнитных сил, а на следующем — после устранения передней волны.
Силы Лапласа, возникающие при прохождении тока через кислотную воду, в сочетании с поперечным магнитным полем, соответствуют рисунку ниже:
Эти силы особенно интенсивны вблизи электродов, где ток концентрируется (максимальная плотность тока J). Над моделью они вызывают замедление потока. Однако такое поле сил не является достаточным для полного устранения системы волн. В экспериментах с цилиндрическим препятствием, оснащённым одним электродом, волны просто концентрировались ниже по потоку от модели. Однако, как показано на рисунке, этого было достаточно для создания разрежения в «точке остановки», что демонстрирует возможность использования такого системы для МГД-пропульсии.
Полное устранение системы волн может быть обеспечено, как это было проверено, с помощью этих гидравлических моделей, вокруг линзовой модели, при использовании трёх пар электродов. Действительно, если обратиться к предыдущему рисунку, видно, что появление волн Маха обусловлено сближением волн Маха в двух областях — выше и ниже по потоку.
Мы были первыми (диссертация доктора Бернара Лебрена), кто ввёл ключевую идею регуляризации сверхзвукового потока с помощью сил Лапласа, создав вокруг модели систему параллельных волн Маха:
Вторая группа характеристик, волн Маха, не показана.
Следовательно, необходимо выполнить три действия:
-
Предотвратить восстановление волн Маха вблизи передней кромки модели, ускорив поток в этой области.
-
Предотвратить их «расползание» (в «расширяющемся веере») по бокам модели.
-
Наконец, снова ускорить поток вблизи задней кромки.
В результате получается система из трёх стеновых электродов:
Магнитное поле было перпендикулярно плоскости рисунка, но для создания нужного поля сил оказалось необходимым (в компьютерных симуляциях) «формировать» его, что могло быть реализовано с помощью нескольких взаимодействующих соленоидов. Вблизи электродов силы Лапласа были условно показаны, как на рисунке ниже:
Диссертация Лебрена (опубликована на 7-м международном симпозиуме по МГД в Цукуба, Япония, и на 8-м международном симпозиуме в Пекине, 1990, а также в журнале The European Journal of Physics) доказала теоретическую возможность такого метода. Этот результат представляет интерес по нескольким причинам. Действительно, при ускорении жидкости мы сообщаем ей энергию, а при замедлении — она сама отдаёт энергию. Почему? Потому что движение жидкости вдоль модели со скоростью V вызывает электродвижущую силу V × B. Эта сила стремится создать плотность тока J = σ (V × B), где σ — электропроводность...