La propulsion MHD.
...Un dessin précédent, montrant l'écoulement induit par l'action des forces de Laplace, autour d'un cylindre, démontre que celles-ci peuvent être utilisées pour la propulsion de machines volantes, ou navigantes. Néanmoins la forme cylindrique ne semble pas la plus adéquate. Il est alors facile de passer à la sphère, en munissant un tel objet d'une couronne d'électrodes.
...Un système de commutateur tournant permet d'alimenter séquentiellement deux électrodes diamétralement opposées, l'une formant anode et l'autre cathode. Le tout est alors de coupler ce dispositif avec un système de champ magnétique tournant. Point n'est besoin, dans ce cas, de disposer à l'intérieur de la maquette, un aimant monté sur un axe (bien que ce soit ce qui nous avions fait, lors de manips d'hydraulique, en 76, en logeant un aimant rotatif à l'intérieur d'une balle de ping-pong). Tous les étudiants de physique savent qu'en disposant trois solénoïdes à 120° et en les alimentant par des courants convenablement déphasés, on obtient alors l'équivalent d'un dipôle magnétique tournant. Le résultant étant :
...Si l'expérience d'annihilation d'onde de choc avait marché, autour du profil lenticulaire, nous avions prévu de tenter de rééditer l'opération avec une maquette de ce genre, multi-électrodes et à champ tournant, le tout étant alimenté par des décharges de condensateurs, dûment synchronisées.
...L'expérience, en gaz froid, aurait été également intéressante. Il aurait suffit d'utiliser la maquette comme antenne HF. Nous avions fait, dès 78, des expériences fort intéressantes à ce sujet. Encore une fois l'ionisation se serait sagement localisée au voisinage immédiat de l'objet.
Les aérodynes lenticulaires.
...Mais l'expérience la plus intéressante aurait porté sur le thème de l'aérodyne MHD lenticulaire (publication aux CRAS, 1975, sous le titre "Convertisseurs MHD d'un genre nouveau"). Il s'agit alors d'une machine dépourvue d'électrodes.
...Considérons un solénoïde parcouru par un courant alternatif. Il crée dans l'air environnant un champ induit, pouvant s'accompagner de circulation d'un courant, auquel s'associerait un champ secondaire s'opposant (loi de Lenz) à la variation du champ inducteur.
...Le courant induit (i) qui forme des courbes fermées, réagit avec la champ inducteur B(t) en donnant des forces de Laplace radiales, alternativement centrifuges et centripètes. Par exemple, sur la figure ci-dessus, à l'intant to les directions des champs B (excitateur) et de la densité de courant J (champ induit, circulant dans la masse gazeuse) donneraient une force radiale centripète.
A l'instant t1 cette force serait centrifuge.
...Si le gaz jouxtant le disque muni de son solénoïde interne n'est pas ionisé, il ne se passera rien de notable. Si on ionise ce gaz, celui-ci va être secoué par un système de forces alternativement centrifuges et centripètes, comme dans un shaker.
...On peut concevoir sur cette base un système de propulsion en s'arrangeant pour créer une ionisation modulée dans le temps, sur les faces supérieures et inférieures, de manière que la partie du gaz située sur le dessus de l'engin soit conductrice de l'électricité lorsque les forces sont centrifuges :
et qu'au contraire celle située au dessous de l'engin le soit quand ces forces sont centripètes :
...On obtiendrait ainsi un système de forces combinées tendant à faire puissamment circuler l'air autour de l'engin :
...La formule (Compte Rendu à l'Académie des Sciences de Paris, 1975) est séduisante. Encore faut-il trouver un moyen de créer cette ionisation pulsée, près de la paroi. Le problème est délicat, car il est nécessaire que le temps pendant lequel on rend l'air conducteur de l'électricité soit d'un ordre de grandeur inférieur au temps de transit de la masse gazeuse autour de l'objet. Si on considère un objet croisant à 3000 mètres par seconde, et une longueur caractéristique de dix mètres (le diamètre de l'engin) ceci conduit à des temps de l'ordre de la milliseconde, ce qui n'est pas inenvisageable avec une émission de micro-ondes pulsées, en 3 gigahertz. Les parois supérieures et inférieures de la machine devraient donc être tapissées de mini-klystrons, émettant en alternance, et arrachant des électrons libres aux molécules d'air.
...Une autre solution est a priori plus intéressante. On sait que si on bombarde des molécules à l'aide d'électrons ayant une énergie bien ajustée il se produit des attachements électroniques. Certaines molécules acquièrent ainsi un électron surnuméraire et deviennent des ions négatifs, d'une durée de vie très brève,ce qui, dans le cas qui nous occupe, est intéressant.
...Les canons à l'électrons pariétaux auront la forme de mini-pièges à loup. Le principe est simple. Un solénoïde cré un champ magnétique ayant la configuration ci-après :
...Ce champ, perpendiculaire à la paroi, voit son intensité décroître en fonction de la distance à celle-ci. On lui associe une pression magnétique :
...Sur la figure de droite, une décharge électrique éclatant entre une électrode centrale et l'autre annulaire verra ses électrons expulsés vers des régions où la pression magnétique est moins intense, donc loin de la paroi, avec une énergie qui dépendra de la valeur de B. Si celle-ci est convenablement ajustée, ces jets d'électrons entraîneront la formation, dans l'air, d'ions négatifs, véhicules efficaces du courant induit lié à la variation du champ inducteur B, créé par le solénoïde annulaire (voir plus haut). L'efficacité aérodynamique maximale consiste à agir dans la couche gazeuse située immédiatement au contact de la paroi (ce qu'on appelle la "couche limite"). Mais se pose alors un problème de confinement de plasma, étudié expérimentalement lors d'expérience menées en basse pression, qui fut vite résolues.
...Le champ magnétique B créé par un solénoïde équatorial est lui-même associé à une pression magnétique. Celle-ci décroît au fur et à mesure que l'on l'éloigne du plan de symétrique. Toute décharge électrique avait alors tendance à l'éloigner sensiblement de la paroi, en devenant incontrôlable.
...La solution consista à utiliser non un seul solénoïde, mais trois, deux solénïdes secondaires, de plus petits diamètres, jouant le rôle de solénoïdes de confinement.
...A un instant donné, les courants passant
...- Dans le solénoïde équatorial
...- Dans les deux solénoïdes de confinement
sont de sens inverse. La géométrie permet donc de créer au voisinage d'une paroi concave un gradient de pression magnétique capable de plaquer la décharge électrique contre la paroi, en la maintenant dans la couche limite gazeuse (concrètement, pour une machine d'une dizaine de mètres de diamètre, dans une couche de quelques centimètres d'épaisseur).
...Ces expériences de confinement pariétal furent parmi les plus spectaculaires que nous réalisâmes, à la din des années soixante-dix, avec des moyens de fortune.
...Globalement, l'engin avait alors l'allure de deux assiettes accolées, et c'est probablement ce qui déplut tant aux militaires.
...On peut se demander comment une machine apparemment aussi anti-aérodynamique pourrait se déplacer à des nombres de Mach atteignant dix, son vecteur vitesse étant dirigé selon son axe, ce qui impliquerait un contournement extrêmement brutal du gaz à la périphérie équatoriale de l'engin. Il faudrait pour ce faire que le gaz obéisse au doigt et à l'il aux injonctions issues des forces électromagnétiques, ce qui semble défier quelque peu l'imagination.
...C'est qu'on n'imagine guère leur puissance. Calculons, avec mo = 4p 10-7 la valeur de la pression magnétique (donnée par la formule ci-dessus), pour un champ magnétique de 10 teslas. Résultat de ce calcul :
quatre cent fois la valeur de la pression atmosphérique
...La MHD débouche sur une mécanique des fluides complètement différente de la discipline conventionnelle, à la fois en subsonique, en supersonique ou en hypersonique, où le gaz n'a pas d'autre issue que d'obéir aux puissantes forces qui s'exercent en son sein.
Bibliographie :
(1) J.P.Petit : "Is supersonic flight possible ?" Eigth Inter. Conf. on MHD Electr. Power Generation. Moscow 1983.
(2) J.P.Petit & B.Lebrun : "Shock wave cancellation in a gas by Lorentz force action". Ninth Inter. Conf. On MHD Electr. Power Generation. Tsukuba, Japan, 1986
(3) B.Lebrun & J.P.Petit : "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Quasi-one dimensional steady analysis and thermal blockage". European Journal of Mechanics; B/Fluids, 8 , n°2, pp.163-178, 1989
(4) B.Lebrun & J.P.Petit : "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion, and shock tube simulations for isentropic flows". European Journal of Mechanics, B/Fluids, 8 , pp.307-326, 1989
(5) B.Lebrun : "Approche théorique de la suppression des ondes de choc se formant autour d'un obstacle effilé placé dans un écoulement d'argon ionisé. Thèse d'Energétique n° 233. Université de Poitiers, France, 1990.
(6) B.Lebrun & J.P.Petit : "Theoretical analysis of shock wave anihilation by lorentz force field". International MHD symposium, Pékin 1990.
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