磁流体推进与透镜状空气动力推进

science/mhd MHD

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

  • 该文本解释了磁流体动力学(MHD)推进原理,利用洛伦兹力在空气中推动物体。
  • 它描述了使用螺线管和旋转磁场来产生空气动力学运动的实验。
  • 提出了气体电离技术,以提高MHD推进的效率。

MHD7 开始

MHD 推进技术

……此前的一个图示展示了由洛伦兹力作用在圆柱体周围产生的流动,表明这些力可用于飞行器或航行器的推进。然而,圆柱形结构似乎并非最合适的形状。因此,很容易转向球形,只需在该物体上配备一个电极环即可。

……一个旋转开关系统可依次为两个相对的电极供电,其中一个作为阳极,另一个作为阴极。此时,只需将该装置与一个旋转磁场系统耦合即可。在这种情况下,无需在模型内部安装固定在轴上的磁铁(尽管我们在1976年进行液压实验时曾这样做过,将一个旋转磁铁置于乒乓球内部)。所有物理专业的学生都知道,若将三个螺线管以120度夹角布置,并用适当相位差的电流供电,即可产生等效于旋转磁偶极子的效果。其结果如下:

……如果此前在透镜形剖面周围进行的激波湮灭实验成功,我们原计划尝试使用这种多电极、旋转磁场的模型,通过经适当同步的电容器放电来供电。

……在低温气体中进行该实验同样具有吸引力。只需将模型用作高频天线即可。早在1978年,我们就已就此做过非常有趣的实验。同样,电离现象将仅局限于物体附近的区域。

透镜形MHD飞行器

……但最有趣的实验将围绕MHD透镜形飞行器展开(1975年发表于《法国科学院院刊》,题为“一种新型MHD转换器”)。此时,该装置无需电极。

……考虑一个通有交流电流的螺线管。它在周围空气中产生感应磁场,可能伴随感应电流的流动,而该感应电流又会产生一个与原磁场变化方向相反的次级磁场(楞次定律)。

……感应电流(i)形成闭合回路,与感应磁场B(t)相互作用,产生径向的洛伦兹力,交替表现为离心力和向心力。例如,在上图所示时刻t₀,磁场B(激励场)与电流密度J(感应场,流经气态介质)的方向将产生向心的径向力。

在时刻t₁,该力则变为离心力。

……如果紧贴螺线管内嵌圆盘的气体未被电离,则不会发生明显现象。一旦对该气体进行电离,它将受到交替的离心力与向心力作用,如同被摇晃的摇杯。

……基于此,可设计一种推进系统,通过在上下表面周期性地调制电离,使得当力为离心时,飞行器上方的气体成为导电体:

而当力为向心时,飞行器下方的气体则成为导电体:

……由此可形成一组合力,强力推动空气围绕飞行器流动:

……(1975年《巴黎科学院院刊》中的公式)极具吸引力。但关键在于必须找到一种方法,在靠近壁面处实现脉冲电离。问题较为复杂,因为使空气导电的时间必须远小于气体绕物体流动的穿越时间。若考虑物体以3000米/秒的速度飞行,特征长度为10米(即飞行器直径),则所需时间约为毫秒量级,这通过在3吉赫兹频率下发射脉冲微波是完全可行的。因此,飞行器的上下壁面应覆盖微型速调管,交替发射,并从空气分子中剥离出自由电子。

……另一种方案从理论上更具吸引力。众所周知,若用能量精确匹配的电子轰击分子,可引发电子附着现象。某些分子因此获得一个额外电子,成为寿命极短的负离子,这在我们当前的研究中具有重要意义。

……壁面电子枪将采用微型“捕兽夹”结构。原理简单:一个螺线管产生如下配置的磁场:

……该磁场垂直于壁面,其强度随距壁面距离增加而减小。同时伴随磁压:

……如右图所示,当中心电极与环形电极之间发生电火花放电时,电子将被推向磁压较低的区域,即远离壁面,其能量取决于B值的大小。若B值调节得当,这些电子射流将在空气中引发负离子的形成,这些负离子可高效传导由环形螺线管产生的感应磁场B的变化所引起的感应电流(参见上文)。最大气动效率在于在紧贴壁面的气层(即“边界层”)中施加作用。但随之而来的是等离子体约束问题,该问题在低压实验中已得到快速解决。

……由赤道螺线管产生的磁场B本身也伴随磁压。该磁压随远离对称平面而减小。因此,任何电火花放电都倾向于远离壁面,变得难以控制。

……解决方案是不使用单一螺线管,而是使用三个螺线管,其中两个较小直径的次级螺线管充当约束螺线管。

……在某一时刻,电流:

……- 流经赤道螺线管

……- 流经两个约束螺线管

方向相反。这种几何结构可使凹壁附近产生一个磁压梯度,将电火花放电“压”在壁面上,并使其保持在气态边界层内(具体而言,对于直径约十米的装置,该边界层厚度约为几厘米)。

……这些壁面约束实验是我们于20世纪70年代末用简陋设备完成的最引人注目的实验之一。

……总体而言,此时飞行器的外形呈现出……