Например, если погрузить такую модель, снабдив её только одной парой электродов — центральной — и замкнуть её накоротко, то возникнет ток, замыкающийся в газе, что приведёт к значительному замедлению газа:
Такой профиль крыла, погружённый в сильно проводящий электричество газ (или сделанный проводящим), ведёт себя как мощный «МГД-генератор». Это — «МГД-преобразователь». Откуда берётся энергия? Просто — из кинетической энергии жидкости. Извлекаемая мощность сопровождается потерей кинетической энергии в жидкости, то есть её естественным замедлением.
В 1965 году мы начали реализацию электрических МГД-генераторов, осуществлявших прямое преобразование кинетической энергии жидкости в «сопло МГД типа Фарадея». Геометрия отличается, но принцип тот же. Ниже — схема МГД-генератора Фарадея с каналом квадратного сечения.
На следующем рисунке — соленоиды удалены, показана схема «сегментированных» электродов (для лучшего распределения тока по каналу).
В экспериментах, проведённых нами в шестидесятые годы в Институте гидромеханики Марселя, мы подавали в это сопло поток аргона при температуре 10 000 К под давлением 1 бар, втекающий со скоростью 2500 м/с. Магнитное поле достигало 2 тесла, поэтому электродвижущая сила составляла:
2500 × 2 = 5000 вольт на метр
Расстояние между электродами, расположенными напротив друг друга, составляло 5 см, следовательно, разность потенциалов была 250 вольт. Следовало вычесть 40 вольт (напряжение, связанное с эффектами стенки вблизи электродов), что давало 210 вольт.
Проводимость аргона, нагретого до такой температуры, составляла 3500 мо на метр, поэтому плотность тока J = σE = σVB = 735 000 ампер на квадратный метр, то есть 73,5 ампера на квадратный сантиметр. При длине сопла 10 см и ширине 5 см (50 см²) максимальный ток в коротком замыкании составлял 3675 ампер.
Когда электроды были замкнуты, ток достиг максимума, и результирующая сила Лапласа, как показали эксперименты, была достаточно велика, чтобы замедлить газ до образования прямой ударной волны, возникшей без каких-либо других препятствий, кроме электромагнитной силы.
Газ, поступающий на линзовидный профиль со сверхзвуковой скоростью, обладает собственной энергией, которую можно использовать. Энергия, затрачиваемая на устранение ударных волн, равнялась энергии, затраченной на ускорение газа вблизи передней и задней кромок, минус энергия, выделяемая при его замедлении, связанная с работой центральной пары электродов.
Этот результат был чрезвычайно интересен, поскольку показал, что энергия, необходимая для уничтожения ударных волн, была ниже, чем можно было предположить заранее. Основные потери происходили из-за эффекта Джоуля. В случае летающей машины, движущейся в холодном воздухе, необходимо было бы дополнительно затратить энергию на ионизацию газа с помощью микроволн, которую мы также оценили.
Как действуют силы Лапласа на наклон ударных волн Маха?
Это очень просто. Когда МГД-сопло работает, например, как генератор, то есть замедляет поток, вот как изменяются ударные волны Маха в сопле:
Речь идёт о умеренном замедлении потока. Волны кажутся сжатыми, как элементы гармоники. Электроды «нагружены», что ограничивает плотность тока. При этом понятно, как более сильное замедление может привести к образованию ударной волны: когда скорость падает настолько, что газ стремится стать дозвуковым. Тогда волны Маха концентрируются, как гармоника, накапливая возмущения давления. Ударная волна формируется и быстро перемещается к входу сопла, стабилизируясь перед первым «струйным» элементом (электрическим разрядом от первой пары электродов), будто бы этот элемент представляет собой некое невидимое препятствие.
Если же в систему подавать электрическую мощность, сопло начинает работать как МГД-ускоритель Фарадея. Волны Маха стремятся выравниваться:
Это МГД-ускорение было также продемонстрировано в шестидесятые годы в лаборатории, где я работал. Оно оказалось чрезвычайно эффективным. При входной скорости в сопло 2500 м/с была достигнута выходная скорость более 8000 м/с, что составляет прирост скорости более чем на 5 км/с на расстоянии всего около 10 см.
Эти эксперименты показывают исключительную эффективность МГД-действия на газ, если его степень ионизации достаточна. Для справки, такая электропроводность (3500 мо/м) в аргоне соответствовала степени ионизации 10⁻³ (один атом из тысячи превращался в ион).
В холодном воздухе необходимо искусственно ионизировать газ, например, подвергая окружающий газ потоку микроволн в 3 ГГц, что приведёт к отрыву электронов от наиболее легко ионизуемого компонента — оксида азота NO. Можно также рассмотреть введение щелочного металла с низким потенциалом ионизации, например цезия или натрия.
Таким образом, мы с Лебруном провели все эти расчёты в рамках докторской диссертации, финансируемой CNRS, в восьмидесятые годы. Результаты компьютерного моделирования показали полностью «регулярный» поток без ударных волн. На следующем рисунке показаны две группы волн Маха.
Этот теоретический труд был дополнен гидравлическими аналоговыми экспериментами, также с использованием системы из трёх пар электродов. Волнение носа и кормы удалось устранить. Поскольку электропроводность подкисленной воды была слишком низкой, речь не шла о использовании энергии потока для улучшения энергетического баланса. Результат был тем же, что и ранее представленный. Получился поток, в котором жидкость остаётся «плоской»:
Читатель, заинтересованный в этих вопросах, может найти некоторые из этих элементов в моём комиксе «Стена молчания» (см. CD-ROM Lanturlu).
Как реализовать эти исследования?
Эти идеи привлекательны. Они открывают новую механику сверхзвуковых течений, где вместо того, чтобы страдать от ударных волн как от неизбежных явлений, можно, напротив, избегать их.
Проблема МГД заключается в возможности работать с газом, обладающим достаточной электропроводностью. За двадцать лет работы...