Utilisateur:Tokamac/Aérodyne MHD bis

Un aérodyne MHD (magnétohydrodynamique) est un type d'accélérateur MHD particulier inventé en 1975 par le physicien Jean-Pierre Petit. C'est un concept expérimental basé sur l'idée que dans le futur, des aéronefs utilisant ces principes pourraient se propulser en agissant sur l'air atmosphérique à l'aide de forces électromagnétiques (dites forces de Lorentz), en présentant les caractéristiques suivantes :

• Pas de pièce mécanique mobile
• Formes cylindrique, sphérique, discoïdale
• Écoulement externe du fluide (par opposition à l'écoulement interne dans la tuyère des moteurs à réaction classiques et des accélérateurs MHD habituels)
• Ionisation de l'air pour le rendre conducteur de l'électricité (gaz ionisé appelé plasma)
• Rapidité et silence (possibilité théorique d'évoluer à vitesses supersonique et hypersonique sans bang en air dense)
  

Le problème de l'expérimentation

Aucun aérodyne MHD autonome n'a encore été officiellement construit, toute réalisation effective faisant face à des difficultés technico-scientifiques à la limite de nos connaissances :

• Capacités technologiques d'une part, avec la nécessité de générer de très forts champs magnétiques à l'aide d'électroaimants supraconducteurs à haute température, à la fois résistants et légers (une dizaine de teslas) ; de rendre l'air suffisamment conducteur de l'électricité à l'aide de dispositifs d'ionisation efficaces ; et d'embarquer une source d'énergie à la fois compacte et puissante (une centaine de mégawatts) ; le tout dans un engin ayant un diamètre typique de dix mètres pour une masse totale n'excédant pas vingt tonnes.
• Savoir scientifique d'autre part, car la magnétohydrodynamique en milieu gazeux, dite "MHD-gaz à faible nombre de Reynolds magnétique", associée à de forts champs magnétiques, est une branche de la physique des plasmas où officient très peu de spécialistes. Cet enseignement particulier de la MHD, qui concerne les plasmas froids hors d'équilibre (gaz "bitempérature") à paramètre de Hall élevé, a en effet été abandonné à la fin des années 1970 presque partout dans le monde (à l'exception de la Russie et des États-Unis), notamment parce que le rendement des convertisseurs MHD gazeux était ruiné à cause de l'instabilité électrothermique que l'on jugeait inévitable à l'époque.

Ne disposant pas des crédits pour mener de coûteuses recherches en air dense sur ces appareils (mise à disposition d'une soufflerie et de systèmes d'ionisation HF à 3 GHz), Jean-Pierre Petit a contourné ce problème financier en expérimentant ces accélérateurs MHD :

• En milieu aqueux, avec de l'eau acidulée conductrice (voir hydrodyne MHD) dont une particularité est justement la capacité à simuler les conditions de vol aérien supersonique (visualisation des ondes de choc par "analogie hydraulique").
• Dans de l'air à basse pression, sous des cloches en pyrex à l'aide de pompes à vide à palettes. L'air est en effet isolant à la pression atmosphérique standard (l'arc électrique survient pour un champ électrique de claquage de 1000 à 3000 volts par millimètre) mais plus la pression diminue et moins l'air est isolant, et au "minimum de Paschen" le courant électrique se décharge de manière optimale dans le gaz. Ainsi, à un millième de fois la pression atmosphérique, un générateur débitant un millier de volts suffit amplement, et une simple bobine de Ruhmkorff ionise cet air en HF sous 1 mégahertz seulement. De plus à cette pression, de simples aimants permanents font l'affaire pour simuler le comportement en air dense d'un plasma sous fort champ magnétique.

Typologie

Jean-Pierre Petit a expérimenté des aérodynes MHD de différents types : aérodynes MHD cylindrique, sphérique, à électrodes pariétales, discoïdal à effet Hall fort, discoïdal à induction.

Aérodyne MHD cylindrique

L'aérodyne MHD cylindrique est une variante en milieu gazeux de l'hydrodyne MHD cylindrique (milieu liquide).

Le corps du dispositif est constitué d'un barreau aimanté selon sa longueur, ou alternativement d'un solénoïde long. Les deux extrémités du cylindre sont donc les pôles nord et sud du champ magnétique. Le cylindre est disposé horizontalement, à plat. De multiples électrodes sont disposées en deux rangées selon des génératrices opposées du cylindre, anodes d'un côté, cathodes de l'autre. Voici l'allure des lignes de champ magnétique :

Fichier:Cylindre 1.gif

Les électrodes sont segmentées pour uniformiser les décharges de courant, sinon la décharge électrique part d'un point de la cathode et prend la forme d'un arc électrique instable. Voici, de face, les lignes de courant électrique I :

Fichier:Cylindre 2.gif

L'interaction MHD a lieu dans les zones de retour des lignes de champ magnétique, le long du cylindre. L'intensité du champ de forces est maximale à proximité immédiate des électrodes, là où la densité de courant est la plus forte. Le champ de forces est le suivant :

Fichier:Cylindre 3.gif

Ces forces on tendance à écarter les molécules du fluide sur le dessus du cylindre, puis à les accélérer de chaque côté vers le bas, pour enfin les regrouper, recoller l'écoulement sous le cylindre. Il en résulte l'écoulement global suivant :

Fichier:Cylindre 4.gif

Aérodyne MHD sphérique

L'aérodyne MHD sphérique est une variante simplifiée de l'aérodyne MHD cylindrique. Le champ magnétique bipolaire est généré dans l'environnement de la sphère par un solénoïde plat situé à l'intérieur. Une seule paire d'électrodes est utilisée :

Fichier:Aerodyne MHD spherique 1.gif

Le champ de forces et l'écoulement fluide induit sont similaires à ceux de l'aérodyne MHD cylindrique.

À noter la possibilité d'utiliser alternativement une ceinture à électrodes multiples, avec un solénoïde interne en rotation autour d'un axe vertical. À tout instant t, deux électrodes opposées sont commutées afin de suivre de façon synchronisée la rotation des lignes de champ magnétique.

Aérodyne MHD à électrodes pariétales

Dans un accélérateur MHD, plus la distance entre les électrodes est grande et plus la tension électrique doit être élevée, ce qui peut conduire à un échauffement localisé du gaz et créer un blocage thermique, analogue au phénomène d'électrolyse dans l'eau.

On peut contrecarrer cet effet indésirable si le gaz ionisé est suffisamment conducteur de l'électricité (si le plasma possède suffisamment d'électrons libres). Mais il existe aussi un moyen de travailler en basse tension : l'accélérateur pariétal.

On dispose cet accélérateur pariétal selon les méridiens d'une sphère, ou radialement autour d'un disque ovoïdal :

Fichier:Aerodyne parietal.gif

Les Forces de Lorentz sont centrifuges sur le dessus et centripètes sur le dessous, elles créent ce champ de forces :

Fichier:Aerodyne parietal forces.gif

Voici l'écoulement gazeux qui en résulte :

Fichier:Ecoulement-pressions.gif

Le fluide s'écoule du haut vers le bas radialement autour du profil, propulsé par réaction. La forme aplatie permet d'exploiter au mieux la dépression créée au dessus et la surpression en dessous.

Rendement

pression magnétique, newtons croissance comme le carré du champ magnétique

$P_{m}\ =\ {\frac {B\,^{2}}{2\ \mu _{0}}}\,$

P est la pression en pascal (Pa)
B est l'intensité de champ magnétique en tesla (T)
µ₀ est la constante magnétique qui vaut $4\pi 10^{-7}$ henry par mètre (H.m^-1)

VOL SUPERSONIQUE SANS ONDE DE CHOC

Analogie hydraulique

Hydrodyne MHD

Implications stratégiques

Le GEPAN L'Armée général "missile de croisière du futur"

EXPÉRIMENTATION : PROBLÈMES ET SOLUTIONS

Limites technico-scientifiques

• Limites technologiques : source d'énergie, champs magnétiques (supraconducteurs), ionisateurs, résistance des matériaux

• Limites théoriques : physique des plasmas "froids" à gaz bitempérature : MHD à faible nombre de Reynolds magnétique.

Expériences en basse pression

Cloche à vide et pompe à palettes

Pression magnétique et confinement du plasma

Les particules chargées fuient les régions où le champ magnétique est élevé. Dans un accélérateur MHD, le champ est maximal à la paroi. La pression magnétique au voisinage de celle-ci a donc tendance à "souffler" la décharge électrique et à l'établir à distance, là où le champ magnétique est plus faible. Les expériences en air sous basse pression ont bien établi ce fait. Les maquettes d'aérodynes munies de cathodes segmentées présentent ainsi des décharges électriques s'épanouissant en corolle similaires à des "baleines de parapluie" :

[Image:Image manquante.svg|200px|center]] Décharge électrique soufflée par la pression magnétique

Or, dans le cas d'un accélérateur MHD à fort effet Hall, le paramètre de Hall ne peut être élevé que là où le champ magnétique est lui-même intense. Mais comment faire pour contraindre la décharge à s'établir près de la paroi de l'aérodyne, dans la zone où l'intensité du champ magnétique est justement très importante ?

La solution, dont l'idée initiale date de 1976 et revient à Maurice Viton, collaborateur de Jean-Pierre Petit (cf. #Bibliographie) passe par une géométrie à plusieurs solénoïdes. Ces multiples solénoïdes créent une pression magnétique qui est non plus maximale à la paroi, mais au voisinage de celle-ci.

Expériences à pression atmosphérique

Projet Rouen

Contrôle d'ionisation

- ionisation par faisceaux d'électrons

canon à électrons. ionisateur pariétal. dispositif à lasers