Magnetoaerodynamikk

De magnetoaerodynamics (MAD) er et bestemt område av den magneto hydrodynamiske (MHD), derav navnet annen av MHD-gass . Dens mål er å styre gass- strømningen av elektromagnetiske krefter som kalles Lorentz-krefter for å gjøre atmosfærisk uren mulig ved hypersonisk hastighet .

Introduksjon

MAD eller MHD-gass er en vitenskap i veikrysset mellom flere fagområder: væskemekanikk , aerodynamikk , elektromagnetisme og plasmafysikk .

Plasmafysikk er kjernen i MAD: luft er en isolator . For å bruke Lorentz-krefter på den og for at disse skal virke på gassen, må denne luften først gjøres til en leder av elektrisitet ved å ionisere den , noe som kan oppnås på forskjellige måter ( mikrobølgeovn ved 3 GHz , THT , elektron- eller laserstråler , ioniserende stråling ). En ionisert gass kalles et plasma .

Disse svakt ioniserte gassene er i dette tilfellet kalde plasmaer , plassert i nærvær av intense magnetfelt . Studien av disse interaksjonene gjelder en gren av det såkalte lavmagnetiske Reynolds-tallet MHD (mindre dokumentert og fundamentalt mer komplekst enn "hot plasma MHD" med høyt magnetisk Reynolds-antall, på jobb for eksempel i astrofysikk og i termonukleære plasmaer ). Dermed er et "dobbelt-temperatur-plasma" under en høy Hall-parameter (når magnetfeltet er intenst) i en MHD-omformer stedet for fenomenet elektrotermisk ustabilitet som er vanskelig å kontrollere.

MHD-gass var gjenstand for veldig aktiv forskning i industrialiserte land fra 1960 til 1970, men ble deretter forlatt i møte med tekniske hindringer som denne elektrotermiske ustabiliteten eller den overdrevne massen av elektromagnetene som skulle bæres (unntatt bemerkelsesverdige i USA Stater og Russland , som har hatt verdens eneste fungerende MHD-gassgenerator siden 1970-tallet ).

Entusiasmen generert av denne begynnende teknologien var opphavet til på 1960-tallet for militære forsknings- og utviklingsprogrammer knyttet til mulige luftfartsapplikasjoner: strømningskontroll, kraftproduksjon, etc. Denne innsatsen opprettholder et lavt synlighet til i dag. Men siden begynnelsen av XXI th  århundre, takket være den dyktige tekniske fremskritt innen materialer og numerisk simulering av komplekse fenomener, forskning på romfart anvendelser av plasmaer som magnetoaerodynamics del (ikke begrenset til fremdrifts programmer) er aktivt gjenoppta i flere land, inkludert Russland, USA, Kina, Japan, Tyskland og Frankrike, takket være den økte kraften til datasystemer som tillater avansert modellering av involverte mikroskopiske og makroskopiske fenomener, samt tilgjengeligheten av stadig mer effektive superledende elektromagneter .

applikasjoner

MAD tilbyr flere løsninger for atmosfærisk flyging med supersoniske og hypersoniske hastigheter , primært for å beskytte mot lydbarrieren og varmebarrieren . Denne teoretiske og eksperimentelle forskningen er gruppert under det engelske begrepet " MHD flow-control " (aktiv kontroll av gassstrømning ved lokaliserte MHD-akselerasjoner eller bremsing ):

• MHD-skjold  : progressiv bremsing av romkapsler og beskyttelse av veggen mot oppvarming under atmosfærisk gjeninnføring .

• MHD-energiproduksjon  : en MHD-dyse er integrert i det aerobe fremdriftssystemet til et fly og omdanner den kinetiske energien (hastigheten) til den ioniserte arten som forlater forbrenningskammeret til elektrisitet. Den ioniserte strømmen kan være subsonisk, supersonisk eller hypersonisk. Idesember 2006, General Atomics testet på Mach 8 den første hypersoniske MHD generator demonstratoren, plassert ved utløpet av superstatorreaktorkammeret. Dette eksperimentet ble utført innenfor rammen av HVEPS-programmet (Hypersonic Vehicle Electric Power System) initiert av US Air Force i 2001. Demonstranten gjorde det mulig å oppnå en maksimal effekt på 15 kW, lavere enn målet 67 ganger. opprinnelig målrettet satt til 1 MW.

• MHD-bypass ( MHD-bypass ): enhet integrert i det aerobe fremdriftssystemet som består av en MHD-generator, et forbrenningskammer (eller ionisering) og en MHD-akselerator. Det lar et fly utvikle seg i veldig høy hastighet under drivkraften til et konvensjonelt fremdriftssystem assistert av MHD. Denne typen enhet fungerer i tre trinn. Opprinnelig blir luften gradvis redusert, komprimert og forvarmet til jetmotorer kommer inn (en prosess som også genererer energi ved MHD-konvertering ). Den således behandlede strømmen forenkler forbrenningsfenomenene (andre trinn). For det tredje akselereres de varme og ioniserte gassene som kommer fra forbrenningen på nytt ved dysens utløp. Dette forskningstemaet er en av de mange komplekse aspektene ved det russiske Ajax hypersoniske flykonseptet og utviklingen av reversible MHD-fliser i astronautikkfeltet ).

• Kontroll av eksterne strømninger  : reduksjon eller eliminering av sjokkbølger, friksjon, våkne- og bølgebaner, ved MHD-akselerasjon eller bremsing på hele eller deler av overflaten til et fly i kontakt med luften ( våt overflate ).

• Ekstern flytkraft fremdrift  : utnyttelse av MHD-skyvekraft som hoveddrivkraft for fremtidige luftfartøyer (krever en veldig kraftig energikilde). Om dette emnet, se de foreløpige studiene som ble utført på 1970- og 1980-tallet av fysikeren Jean-Pierre Petit fra CNRS ( MHD aerodynes ) og siden begynnelsen av 1980-tallet av fysikeren Leik Myrabo fra RPI ( MHD slipstream accelerator ), også involvert i Lightcraft Project med laser- og mikrobølgestråling.

Se også

Relaterte artikler

• Laplace-kraft
• Lorentz styrke
• Elektromagnetisk kraft
• MHD-omformer
• MHD-akselerator
• Magnetohydrodynamikk
• Supercavitation

Eksterne linker

• MHD, state of the art og første sannsynlige eksperimenter med drivmiddelapplikasjon , teknisk note nr. 19 / 0273CT / GEPAN, CNES ,17. november 1981.
• Nettverk "Cold plasmas" av CNRS opprettet i 2001.
• DMPH  : Fysiske måleavdeling for ONERA i Palaiseau , designer luftioniseringsenheter .
• DAFE  : Fundamental and Experimental Aerodynamics Department of ONERA ligger i Chalais-Meudon , studerer samspillet mellom plasmaer i supersoniske strømmer.
• Licorn-prosjekt: www.3d-spirit-paris.com

Merknader og referanser

1. I tillegg til de engelske begrepene: MFD ( magneto-fluid-dynamics ); MPD ( magnetoplasmadynamikk ) eller til og med MGD ( magnetogasdynamikk ).
2. Les artikkelen Russere på randen til å vinne slaget ved MHD "Archived copy" (versjon av 8. november 2018 på Internet Archive ) , Science & Vie , nr. 685, oktober 1974.
3. (in) Vyacheslav Chernyshev, "  Internasjonalt samarbeid i MHD elektrisk kraftproduksjon  ," s.  42-53 , IAEA Bulletin , vol. 20, nr. 1, februar 1978 [PDF] .
4. I juni 2002 tilegnet Frankrike seg for eksempel igjen ferdigheter innen kalde plasmas uten magnetfelt (foreløpige studier fra 2003 til 2007) og MAD (fra 2008) ved å lage en spesialisert konkurranseklynge som samlet rundt førti laboratorier som arbeider i synergi. Se artiklene publisert i tidsskriftet Air & Cosmos om denne omorganiseringen i nasjonal skala:
   • AD Szames, Frankrike antennes for kalde plasmaer , Air & Cosmos, n ° 1885, s. 16.-17., 11. april 2003.
   • Fransk forskning på MHD-fremdrift , Air & Cosmos, n ° 1886, s. 18-19, 18. april 2003.
5. Se de første rapportene fra NASA om atmosfærisk MHD-tilbakeføring:
   • (en) AR Kantrowitz, Flight Magnetohydrodynamics , AVCO Research Report n ° 51, March 1959
   • (en) PO Jarvinen, Om bruk av magnetohydrodynamikk under høyhastighetsinnføring , NASA CR-206, AVCO Contract Report, April 1965
   og nyere utvikling om dette emnet:
   • AD Szames, La Darpa vil ha en MHD-gjenopptaksdemonstrator , Air & Cosmos, nr. 1904, s. 20-21, 19. september 2003
   • AD Szames, Three Darpa-kontrakter for MHD-re-entry , Air & Cosmos, nr. 1930, s. 40-41, 2. april 2004
   • AD Szames, MHD Back to School: Europas svar , Air & Cosmos, n ° 1932, s. 32-39, 16. april 2004
   • AD Szames, MHD-gjeninntreden: når Mars forbereder seg på krig , Air & Cosmos, nr. 1974, s. 34-35, 11. mars 2005
   • AD Szames, MHD Back to School: Europe is committed , Air & Cosmos, n ° 1984, pp. 40-41, 20. mai 2005
6. En kort oversikt over HVEPS-programmet, hvis detaljer ikke er offentliggjort, ble presentert av den franske spesialpressen.
   • AD Szames, Hypersonique: MHD får fart , Air & Cosmos, nr. 2081, s. 22-24, 8. juni 2007
   • AD Szames, MHD-generator: hvorfor hypersonisk endrer spillereglene , Air & Cosmos, nr. 2081, s.24, 8. juni 2007
7. . Se populære artikler på fransk om Ajax- prosjektet  :
   • AD Szames, Investigation into an enigma: the hypersonic airplane Ajax , Air & Cosmos, n ° 1777, pp. 22-24, januar 2001
   • AD Szames, Thermochemical reactors under study , Air & Cosmos, n ° 1815, pp. 14-15, 26 oktober 2001
   • AD Szames, eksotisk forbrenning: plasmaet forfører hypersonisk , Air & Cosmos, n ° 1829, pp. 16. - 17. februar, 2002
   og noen av de første publikasjonene som beskriver lederne som ble fulgt i det tidligere Sovjetunionen om emnet, og ingeniørinnsatsen som ble utført i USA på samme felt:
   • (no) EP Gurijanov, PT Harsha, AJAX: New Directions in Hypersonic Technology , AIAA-1996-4609, 7. Aerospace Planes and Hypersonic Technology Meeting, 1996
   • (en) VA Bityurin, VA Zeigarnik, AL Kuranov, Med et perspektiv på MHD-teknologi i luftfartsapplikasjoner , AIAA-1996-2355, Plasmadynamics and Lasers Conference, 27., New Orleans, LA, 17.-20. juni 1996
   • (en) VA Bityurin, JT Lineberry, VG Potebnia, VI Alferov, AL Kuranov, EG Sheikin, Assessment of Hypersonic MHD Concepts , AIAA-1997-2323, Plasmadynamics and Lasers Conference, 28., Atlanta, GA, 23.-25. juni 1997
   • (en) VL Fraishtadt, AL Kuranov, EG Sheikin, Bruk av MHD-systemer i Hypersonic Aircraft , Technical Physics, Vol. 43, nr. 11, s. 1309-1313, 1998
8. AD Szames, mot et første reversibelt MHD-system , Air & Cosmos, nr. 1977, s. 24-25, 1 st april 2005
9. Les artikkelen publisert i Science & Vie n ° 702 "Archived copy" (versjon av 8. november 2018 på Internet Archive ) (1975); den CRAS 1976