Ignitron 和 MHD6 触发系统

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 该文本描述了一项利用整流管在汞池中产生电弧的磁流体动力学(MHD)实验。
  • 测量使用示波器和电离探针进行,记录了气体动力学参数。
  • 尽管具有潜在的科学价值,但由于行政和技术上的困难,实验最终被放弃。

MHD6实验开始

……其大小相当于一个厨房用桶,内部包含一个阳极和一个阴极,阴极以汞池形式存在。阳极与阴极之间为真空状态,即充满在环境温度下饱和的汞蒸气,其电导率极低,无法导通电流,而电极则处于5千伏的高压下。一个“触发电极”位于汞表面附近。当在该电极与汞阴极之间产生放电时,汞被汽化,蒸气随即充满腔体,从而允许电弧通过。这相当于一个封闭空间内的闪电。一旦放电被引燃,电弧将持续存在,直到电容器储存的能量通过铜导体的焦耳效应完全耗尽。随后,汞蒸气冷凝,整流器便准备好进行下一次试验。另一个大小如啤酒罐的整流器,就足以在恰当的时机,触发试验模型电极中的电流通过。

……以下是操作控制的示意图:

……1965年,这类实验的主要成本在于电子设备与数据记录。当然,当时尚未出现微型计算机。当时最先进的示波器(美国Tektronix的电子管型号)带宽仅为1兆赫,如今看来令人发笑。但那时每台价格高达4万法郎。如今,同等性能的设备成本可降低十倍。

示波器屏幕上显示的波形通过偏振胶片进行拍照记录。如今,所有实验参数的采集完全可由一台低端微型计算机配合专用数据卡完成。

……风洞参数的记录极为简单。只需在壁面安装一对小针状电极,施加低电压即可。电极间距为1毫米,电压足够低,使电流无法在稀薄氩气中通过。但当激波经过时,电极在激波后方立即暴露于10000℃的氩气中,即可产生信号。通过使用双踪示波器,记录两支电离探针(相距10至20厘米,位于喷管上游)发出的信号,即可测量激波速度,进而计算出所有气体动力学参数:温度、压力、电离度、电导率。此外,还需其他示波器进行补充测量。为防止高压室放电装置及所有电气开关元件产生的强电磁干扰,这些示波器通过屏蔽同轴电缆与探针连接,并被安置在法拉第笼内,实验人员也一同位于其中。

……因此,这就是我们于1975至1980年间所发展的理论——关于在气体中以超音速飞行物体无需产生激波的可行性——所对应的实验装置描述。接下来需要说明的是如何验证这些激波的消除。可采用一种经典且经过验证的方法:通过使两束光(一束穿过试验气流,另一束在外部)发生干涉,形成水平条纹。激波代表气体密度的突然跃变,从而引起折射率的变化。因此,激波通常通过此方法被清晰显现。下图左侧为典型斜激波在机翼前缘处引起的“条纹跳跃”图像;右侧为激波被消除后的相同图像。

……10000℃的氩等离子体本身已相当明亮,因此应使用输出光强高于等离子体的氦氖小激光器作为光源。

……到了80年代末,我和Lebrun计算了该实验的所有参数,作为其博士论文的一部分,由法国国家科学研究中心(CNRS)资助。我坚信,这项实验定能一次成功,正如我此前在激波管实验室中尝试的所有MHD实验一样。我尤其记得1966年的一次实验(将在未来文档中详述),其目标是实现“双温”MHD发电机,即电子温度(10000℃)显著高于试验气体温度(6000℃)。当时的主要障碍是“维利科夫不稳定性”(该问题曾使全球众多国家的MHD研究付诸东流)。我们采用了一种巧妙方法规避了这一难题,实验首次即成功。1967年,我在华沙举行的国际会议上展示了这项工作。但当时实验室恶劣的氛围迫使我离开,并转而从事天体物理学研究。我的学生Jean-Paul Caressa接手了这一研究方向,尽管他显然并未理解维利科夫电离不稳定性这一微妙机制(其消除正是实验的关键),但他仍完成了博士论文,荣获沃思顿奖,并最终成为梅多恩空气热力学实验室主任,后又担任普罗旺斯-阿尔卑斯-蔚蓝海岸地区CNRS区域主任。

这一项目最终的结局

……20世纪80年代中期,我成功引起了CNRS总干事Pierre Papon对该研究方向的兴趣。他给予了支持,由其副手Michel Combarnous——工程物理科学部负责人——具体推进。当时我已在马赛天文台任职,但该地点并不适合此类实验。Combarnous于是为我们找到了位于鲁昂的Valentin教授实验室作为合作单位。CNRS将资助部分经费,军方则承诺提供补充资金。但很快,军方要求我完全退出该项目,理由与科学无关。随着CNRS管理层变更,我失去了Papon和Combarnous的支持。Lebrun的资助耗尽后,无人再支持他继续研究。

……鲁昂团队在MHD领域毫无经验(尽管拥有一个老旧的激波管),接连犯下诸多错误。最终资金被浪费殆尽(这些业余人员建造的MHD喷管与高压电力装置接连爆炸)。

……这一切实在令人遗憾。在不久的将来,我将把所有理论与实验资料整理成光盘,供有兴趣的实验室参考,以开展这种相对简单的实验。尽管本文描述较为简略,但已足以说明:由于电子设备成本大幅下降,此类研究如今已可由一所工程师学院或一所二流海外大学的物理系轻松开展。但我怀疑,这类研究在法国难以发展,因为民用科研在这些领域往往受军方控制。

……有人或许认为军方希望独占此类技术。但事实并非如此。经调查发现,14年后(即我在1986年被迫退出后),所谓的“军事MHD”仍完全不存在。

……如果该实验成功,我们接下来将尝试在冷气体(大气空气)中进行实验。一个有趣但1979年图卢兹团队(GEPAN)在“人为不愉快”的条件下彻底失败的实验,是消除圆柱体尾流中的湍流。我们早在1975年就已在水力实验中成功实现了这一点。

……回到前文提到的圆柱形MHD装置示意图。

……我们之前已说明,如何利用该装置消除物体前方的船首波。但若将相互作用参数限制在较低水平,则可在静止流体中产生相当有趣的诱导流动。

……当时,我们通过彩色丝线成功观察到了这种流动(顺便一提:这些丝线是在同事兼好友Maurice Viton——空间天文学实验室天文学家——的厨房里拍摄的,他当时用一台16毫米的优质摄像机记录了影像)。

……当该模型置于中等速度的流体中时,可完全消除传统情况下在垂直于流动方向的圆柱体后方形成的强烈湍流尾流。因此,我自1979年起便设想,通过在壁面安装一个普通麦克风,来检测亚音速条件下大气压空气中实验中湍流(噪音)的消失。该实验原理极为简单:两个侧向螺线管可提供数千高斯的连续磁场,完全足够。唯一难题是模型附近气体的电离问题。

……1979年,我在提交给GEPAN的一份题为《磁流体动力学的前景》的报告中,描述了该实验的基本原理。我建议使用3吉赫兹微波来实现所需电离。然而,他们未告知我,擅自搭建了如下实验装置,使用了高功率射频源(脉冲频率500赫兹,峰值功率1兆瓦)。

……微波通过一个10厘米×10厘米的大波导从侧面引入喷管,末端连接聚四氟乙烯窗口。

……该项目工程师Bernard Zappoli直接向当时GEPAN负责人Alain Esterle汇报,他误以为通过横向注入微波,可在模型附近实现整个气流的电离。由于他完全不了解射频电离现象,结果令他大为困惑:虽然确实产生了电离,但仅局限于紧贴聚四氟乙烯窗口的几毫米气体区域。

……电离即产生等离子体。众所周知,等离子体对电磁波具有极强的屏蔽作用——否则,当宇航员再入大气层时,我们无法与他们进行无线电通信。

……遗憾的是,这位年轻人当时并未求助于我。若他能采纳我的建议,只需轻而易举地解决此问题。关键在于:应在模型周围电离。正确做法应是将射频信号从一个空心模型内部引入(例如一个普通水管,如水管工所用的PVC管)。再从附近药店购买两根铁吸管,即可实现微波的优良扩散。这些微波作用于紧贴模型表面的空气,从而在模型周围形成均匀的电离气体包层。

……该实验极有可能一次成功,正如我职业生涯中所有尝试的实验一样。

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