В гидравлическом аналоге распространение прямой ударной волны эквивалентно распространению "развивающейся волны". Как мы можем создать такую волну? Достаточно налить небольшую глубину воды в части В и большую глубину воды в части А. В расширительном резервуаре: ничего, вообще нет воды. В разрезе:
Всё готово к испытанию. Быстро убираем перегородку шлюза. Масса окрашенной воды (например, с помощью флюоресцеина) внезапно вырывается в канал вниз по течению. Получаем следующее:
Что мы наблюдаем? Начало распространения развевающейся волны, жидкостного фронта волны, который приводит в движение бесцветную воду. Однако фронт волны движется быстрее самой воды.
Вниз по течению начинается волна разрежения, но более мягкая. Это не ударная волна.
Через небольшое время ситуация принимает следующий вид:
Волна разрежения достигает дна "резервуара". Расстояние между прозрачной водой, "вытесненной" и приведённой в движение, и границей раздела увеличилось. Таким образом, у нас есть пригодная для использования "вспышка", в которой чистая вода была приведена в движение, и, следовательно, её уровень увеличился (гидравлический аналог давления в газе). Поэтому мы можем "работать" с этой вспышкой. Позже волна разрежения отражается от дна резервуара и быстро догоняет всю границу раздела — фронт волны.
Видно, что если бы мы установили в стенке "окно наблюдения", мы увидели бы, что во время "вспышки" эта масса чистой воды, приведённая в движение, проходит через него. Всё можно представить на "диаграмме x, t":
У нас здесь точный гидравлический аналог работы "ударной трубы". Достаточно заменить шлюз "камерой высокого давления". Перегородка шлюза, управляемая вручную, будет медной диафрагмой, которая откроется, когда давление достигнет достаточного уровня (используется камера сгорания). Канал испытаний становится испытательной трубой постоянного сечения, изначально заполненной аргоном при низком давлении (13 мм рт. ст.). Что касается расширительного резервуара, то это просто вакуумная ёмкость произвольной формы. Перегородка из бумаги заменяется мембраной из майлара, которая разрывается, когда ударная волна достигнет её. Ниже — схематическое изображение установки:
Длина камеры высокого давления: 1,4 метра. Диаметр (тот же, что и у испытательной струи): 5,6 см. Длина испытательной струи: 6 метров. Внизу — красная медная мембрана, ослабленная насечками, и способ её открытия, образующий четыре лепестка, позволяя свободно пройти горячим газам. Камера высокого давления заполняется смесью H2 + 1/2 O2 с добавлением гелия как разбавителя. Расширительный резервуар — просто прочная ёмкость, способная выдерживать вакуум. Установка дополняется различными вакуумными насосами с лопастями, которые легко найти б/у и обеспечивают вакуум ниже 10-2 мм рт. ст. (10-2 торр), а также герметичными вакуумными клапанами. Добавляем батарею баллонов с водородом, кислородом, гелием и, разумеется, аргоном.
Смесь газов, пригодная для горения, воспламеняется системой свечей, подключённых к источнику высокого напряжения. Поскольку эта система является источником электромагнитных помех, вся высоконапорная часть заключена в камеру Фарадея (деревянные стойки и медная сетка с ячейкой 1 мм). Просто, но эффективно. Шесть метров аргона при низком давлении превращаются в сжатый газовый "столбик" (1 бар) и горячий (10 000 К), длиной около 20 сантиметров. За ним немедленно следует "сгоревший газ", то есть смесь водяного пара и гелия.
Вот так выглядит "горячая вспышка" в установке.
В той части, где будут проводиться измерения и сам эксперимент (МГД), сечение имеет квадратную форму (5 см на 5 см). Поэтому необходимо вставить деталь, сложную в изготовлении, позволяющую перейти от круглого сечения к квадратному:
МГД-сопла могут быть изготовлены из акрила (с приклеенными частями) или из слоистого пластика (высокая прочность), оснащённые окном хорошего оптического качества. Хотя температура аргона высока, она не повреждает детали сопла, поскольку продолжительность вспышки очень мала (восемь десятимиллионных секунды).
Для создания поперечного магнитного поля будут использованы два соленоида, установленных следующим образом:
На следующем рисунке один из соленоидов снят, чтобы показать расположение модели (линзовидного профиля крыла):
Объём МГД-сопла с учётом габаритов составляет около одного литра, а создаваемое магнитное поле должно достигать 20 000 гаусс (2 тесла), поэтому в обмотках соленоидов должен протекать очень сильный ток (50 000 ампер). Такой ток стремится разорвать соленоиды не из-за эффекта Джоуля, а из-за сил J × B, действующих непосредственно в обмотках. Необходимо оснастить медные обмотки своего рода "корсетом", например, из стекловолокна, закреплённого в аралдите.
Поскольку сам эксперимент (взаимодействие МГД) длится очень короткое время, экономичным решением для создания таких токов является использование батареи конденсаторов, которые разряжаются в катушку индуктивности (осциллирующий разряд). Достаточно синхронизировать всё таким образом, чтобы эксперимент (в момент прохождения горячей аргоновой вспышки) происходил в момент, когда магнитное поле B почти стационарно (период разряда — 5 миллисекунд).
Следующий рисунок: ударная труба, оснащённая для экспериментов МГД, такой, как она была в моей лаборатории в 60-е годы.
Конденсаторы заряжались до 5 кВ. Меньшая батарея конденсаторов служит для питания электродов модели испытаний.
Проблема: как переключать 50 000 ампер. Ответ: используя старый искровой пробойник от электровоза (рассчитанный на коммутацию 2000 ампер, но достаточно прочный, чтобы выдержать сотни испытаний при токе, в 25 раз превышающем номинальный). Искровой пробойник хорошо известен специалистам по электротехнике высокой мощности.