Utilisateur:Tokamac/Aérodyne MHD bis

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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 :


Le problème de l'expérimentation[modifier | modifier le code]

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 :


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 :

Typologie[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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.

Aérodyne MHD discoïdal à effet Hall fort[modifier | modifier le code]

Aérodyne MHD discoïdal à induction[modifier | modifier le code]

Rendement[modifier | modifier le code]

pression magnétique, newtons croissance comme le carré du champ magnétique

P est la pression en pascal (Pa)
B est l'intensité de champ magnétique en tesla (T)
µ0 est la constante magnétique qui vaut henry par mètre (H.m-1)


VOL SUPERSONIQUE SANS ONDE DE CHOC[modifier | modifier le code]

Analogie hydraulique[modifier | modifier le code]

Hydrodyne MHD

Simulations numériques[modifier | modifier le code]

Implications stratégiques[modifier | modifier le code]

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

EXPÉRIMENTATION : PROBLÈMES ET SOLUTIONS[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Cloche à vide et pompe à palettes

Pression magnétique et confinement du plasma[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

Projet Rouen

Plasma bitempérature et instabilité de Velikhov[modifier | modifier le code]

Contrôle d'ionisation[modifier | modifier le code]

- Ionisation alcaline[modifier | modifier le code]

- Ionisation HF[modifier | modifier le code]

- ionisation par faisceaux d'électrons[modifier | modifier le code]

canon à électrons. ionisateur pariétal. dispositif à lasers

  1. À noter la volonté de la France de se doter à nouveau des compétences en la matière, avec la création en 2003 d'un pôle de compétitivité "plasmas froids" (voir par exemple le site web "réseau plasmas froids" du CNRS).