MHD推进。

此前的一幅图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。此时,很容易转向球形,只需在该物体上安装一个电极环即可。

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一个固定在轴上的磁铁(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度间隔排列,并通以适当相位差的电流,便可产生等效于旋转磁偶极子的效果。结果如下:

如果在透镜形模型周围进行的激波湮灭实验成功,我们计划尝试使用这种多电极、旋转磁场的模型,由经过适当同步的电容器放电供电。

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。我们早在1978年就做过与此相关的非常有趣的实验。同样,电离现象将仅局限于物体附近的区域。
透镜形飞行器。

但最有趣的实验将涉及MHD透镜形飞行器(1975年发表于《法国科学院院刊》,题为“一种新型MHD转换器”)。这种装置没有电极。

考虑一个通有交流电流的螺线管。它在周围空气中产生一个感应磁场,可能伴随有电流的流动,该电流会产生一个次级磁场,根据楞次定律,该次级磁场会阻碍原磁场的变化。

感应电流(i)形成闭合曲线,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,流经气体质量)的方向将产生一个向心的径向力。
在时刻t₁,该力则为离心力。

如果紧贴带有内部螺线管的圆盘的气体未被电离,则不会发生显著现象。若对气体进行电离,该气体将受到交替的离心力和向心力作用,如同在摇动器中一样。

基于此,可设计一种推进系统,通过在上下表面有规律地周期性电离,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,飞行器下方的气体成为导电体:

由此可产生一组合力,强力推动空气环绕飞行器流动:

(1975年巴黎科学院《报告》中的公式颇具吸引力。但关键在于如何在壁面附近实现这种脉冲电离。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通过时间。若考虑一个以每秒3000米速度飞行的物体,特征长度为10米(即飞行器直径),则时间量级约为毫秒,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,机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,若用能量精确调整的电子轰击分子,会发生电子附着现象。某些分子因此获得一个额外电子,变成寿命极短的负离子,这在我们所讨论的情形中非常有用。
壁面电子枪将呈微型捕鼠夹形状。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,其强度随距离壁面的距离而减小。同时伴随有磁压:
在右图中,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,即远离壁面的位置,其能量取决于B值。若B值调整得当,这些电子束将在空气中引发负离子的形成,这些负离子可高效传导与螺线管产生的感应磁场B变化相关的感应电流(见上文)。最大气动效率在于在紧贴壁面的气层(即“边界层”)中发挥作用。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研究,并迅速解决。
由赤道螺线管产生的磁场B本身也伴随有磁压。该磁压随着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。
解决方案是使用不止一个螺线管,而是三个,其中两个较小直径的螺线管作为约束螺线管。
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,使其保持在气体边界层内(具体而言,对于直径约十米的机器,该边界层厚度约为几厘米)。
这些壁面约束实验是我们在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,该飞行器外形类似两个盘子对接,这可能是军方极为反感的原因。
人们不禁会问:一个看似如此非空气动力学的装置,如何能以高达十倍音速的速度沿轴向运动?这意味着在飞行器赤道边缘,气体必须经历极其剧烈的绕行。为此,气体必须完全听从电磁力的指令,这似乎超出了常人的想象。
但人们往往低估了电磁力的威力。我们来计算一下:
m₀ = 4π × 10⁻⁷
根据上述公式,当磁场为10特斯拉时,磁压的值为:
大气压的四百倍
MHD导致一种与传统流体力学截然不同的流体力学,无论在亚音速、超音速还是高超音速条件下,气体都别无选择,只能服从其内部强大的作用力。
参考文献:
(1) J.P. Petit:《超音速飞行是否可能?》第八届国际MHD发电会议,莫斯科,1983年。
(2) J.P. Petit 与 B. Lebrun:《洛伦兹力作用下气体中激波的抵消》第九届国际MHD发电会议,日本筑波,1986年。
(3) B. Lebrun 与 J.P. Petit:《MHD作用下超音速流中激波的湮灭:准一维稳态分析与热堵塞》《欧洲力学杂志,流体B》,8卷,第2期,第163-178页,1989年。
(4) B. Lebrun 与 J.P. Petit:《MHD作用下超音速流中激波的湮灭:二维稳态非等熵分析,反激波准则,以及等熵流的激波管模拟》《欧洲力学杂志,流体B》,8卷,第307-326页,1989年。
(5) B. Lebrun:《对离子化氩气流中尖锐障碍物周围形成的激波抑制的理论研究》波尔多大学能源学博士论文第233号,法国,1990年。
(6) B. Lebrun 与 J.P. Petit:《洛伦兹力场抑制激波的理论分析》国际MHD研讨会,北京,1990年。
未完待续
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