MHD hızlandırıcı

Bir MHD ( manyetohidrodinamik ) hızlandırıcı , birleşik elektrik ve manyetik alan sayesinde iletken bir sıvıyı harekete geçiren bir MHD dönüştürücüdür .

Temel prensip bir elektrik motorununkiyle aynıdır . Her ikisi de bir bilgisi indüktör ( elektro ) bir üreten bir manyetik alan bir in armatür .

Bu nedenle MHD hızlandırıcılar, geleneksel elektrik motorlarının aksine hareketli bir mekanik parça kullanmazlar, elektromanyetik enerjiyi doğrudan kinetik enerjiye dönüştürürler . Bir sıvı, sıvıya batırılmış elektrotların uçlarına bir elektrik akımı sağlayan bir elektrik alanı tarafından manyetik bir alanda harekete geçirilir .

Prensip

Elektrik alanındaki yüklü bir parçacığın hareketi (Coulomb yasası)

Bir manyetik alan olmadan, bir elektrik (varlığı elektrostatik ) alan hızlandırır yüklü parçacıklar ile iletken bir sıvının elektrostatik kuvvet (Coulomb kanununa göre):

  • F e olan elektrostatik kuvvet de, newton
  • q , parçacığın kulomb cinsinden yüküdür
  • E , volt / metre cinsinden elektrik alanıdır

Bu kuvvetin yönü, pozitif parçacıklar (+ 'dan -' ye hızlandırılmış) ve negatif parçacıklar (- 'den +' ya hızlandırılmış) için tersidir. Akışkan (örneğin iyonize bir gaz veya plazma) bu durumda genellikle nötrdür ve statik kalır. Tek bir yüklü türün bir plazmadan (örneğin elektronlar) ekstrakte edildiği ve geçici olarak depolandığı özel durumda, plazma artık nötr değildir ve kalan pozitif iyonlar, sıvının geri kalanı oyun boyunca elektrostatik olarak hızlandırılabilir. iyon ve iyon-nötr çarpışmalar: iyon motorunun prensibi budur .

Elektrik ve manyetik alanlarda yüklü bir parçacığın hareketi (Lorentz kuvveti)

Bir manyetik alanın mevcut olduğu durumda, bu manyetik alan içinde bir elektrik alan tarafından hızlandırılan yüklü parçacıklar , denkleme göre Lorentz kuvveti adı verilen bir elektromanyetik kuvvete maruz kalır:

Bu kuvvetin yönü q yüküne bağlıdır , dolayısıyla pozitif ve negatif parçacıklar için tersidir.

Katı iletken durumu (Laplace kuvveti)

Bu Lorentz kuvveti, elektrik teli gibi katı bir elektrik iletkeni durumunda Laplace kuvvetine genellikle basitleştirilir  :

Vektörleri F , I ve B olan dik birbirlerine ve bir formu trihedron göre uzayda sağ el kuralına (doğrudan trihedron =).

Akışkan iletkeni durumu (MHD)

İletken bir sıvı (sıvı veya iyonize gaz), içinde farklı işaretlere sahip yük taşıyıcılarına sahiptir : pozitif iyonlar ve negatif iyonlar ile plazma durumunda serbest (negatif) elektronlar .

Bir MHD etkileşimindeki Lorentz kuvveti, yalıtılmış yüklü bir parçacık üzerinde veya iletken bir metalin atomik kafesi boyunca hareket eden serbest elektronlar üzerinde etki etmez. Bu bir kuvvet yoğunluğu ya da hareket eden bir sıvı hacmindeki yükün homojen bir yoğunluğuna etki eden "ses gücü" (birim hacim başına bir kuvvet):

Elektrik alan , yüklü parçacıkları yüklerine göre ters yönde elektrotlara doğru hızlandırır ve manyetik alan bu yüklü parçacıkları ivmelenme sırasında da yüklerine göre ters yönde saptırır . Bu çift ters çevirme , elektriksel ivme ve ardından manyetik sapma, Lorentz kuvvetlerinin tümü paralel ve aynı yönde . Akışkan tekdüze harekete geçirilir, çünkü yükleri ne olursa olsun (pozitif ve negatif, çarpışma oyunuyla nötr partiküller) tüm partiküller aynı yönde taşınır .

MHD generator.png

Tipoloji

Elektromanyetik alanlar

MHD hızlandırıcıları arasında bir ayrım yapılır:

Sıvı akışı

Sıvı MHD etkileşimi konsantre edildiği bir kanal içinde hızlanır, bu gaz bir MHD olan iç akış (tarzında akış memeleri arasında jet motoru ).

Elektromanyetik alanlar, bir cihazın dış duvarını çevreleyen sıvıya etki ederse, harici akışa sahip bir MHD hızlandırıcıdır ( paramecium gibi siliyer mikroorganizmalar gibi akış ).

Geometriler

MHD dönüştürücüler hareketli bir mekanik parça olmadan çalıştıkları için çok çeşitli biçimler alabilirler:

Başvurular

MHD hızlandırıcılar, endüstride elektromanyetik pompalar şeklinde ve ayrıca ileri teknoloji araçların tahrik yönlerinde kullanılır; ve belirli askeri silah türleri için .

Elektromanyetik pompalar

Elektromanyetik pompalar dört ana kategoriye ayrılır:

DC iletimi pompaları yakın tekerlek Barlow . İki elektrot doğru akımı enjekte ederken, bir elektromıknatıs (veya kalıcı bir mıknatıs) manyetik alanı oluşturur. Bunların büyük dezavantajı, çok düşük voltajlar için çok yüksek akımların kullanılması gerekliliğidir, bu da yoğunluğun karesiyle orantılı Joule etkisiyle (pompada, mevcut beslemede ve doğrultucu sistemde) çok büyük kayıplara neden olur. İki temel avantajı, kompaktlıkları ve soğutmadan yüksek sıcaklıklara dayanabilmeleridir. Küçük pompaların bazı özel durumlarında, gümüş sargılar 600  ° C'ye kadar sıcaklıklarda çalışmayı mümkün kılmıştır .

AC iletim pompaları iletim ve indüksiyon iki fenomen hitap. Çalışmaları, belirli hava boşluğu transformatörlerini anımsatmaktadır . Verimlerinin çok düşük olması dışında temel kusurları kavitasyondur . Bu nedenle, pompanın girişindeki basınç her zaman yeterli olmalıdır (genellikle bir bar'dan büyük).

İndüksiyon pompaları benzer asenkron motorlar . Bu makinelerin verimliliği% 15 ila 45 arasındadır. Verimliliğin sınırlandırılmasının birkaç nedeni vardır: Sıvı metaller çoğunlukla, indüklenen parazitik elektrik akımlarının ve yassı pompalarda baypas akımlarının yeri olan metalik borularla taşınır ve birlikte çok önemli kayıplara neden olur. Joule etkisi. Son etkiler (pompanın girişinde ve çıkışında), bir pompanın gücünü ve dolayısıyla verimliliğini% 15 ila% 35 oranında azaltan parazitik akımlar oluşturur. Hava boşluğunun kalınlığı, bir yandan kanalın kalınlığı diğer yandan kullanılacak ısı izolatörlerinin ( sodyum , alüminyum , magnezyum , çinko vb.) Kalınlığından dolayı çok önemlidir . Bu fiziksel boşluğa, indüktör diş etkilerine bağlı, Carter boşluğu adı verilen ek bir manyetik boşluk eklenir. Bu santimetrik hava boşlukları manyetik sızıntılara neden olur. Çoğu durumda, bu sızıntı manyetik alanları, yararlı manyetik alanlardan daha büyüktür. İndükleyici manyetik alanları üretmek zorunda olan sargılar bu nedenle çok hantaldır ve önemli Joule kayıplarının yeridir . Bu nedenle güçlü havalandırma sistemleriyle soğutulmaları gerekir.

Tüm bu tip pompalar, sıvı sodyumu dolaştırmak için Superphénix nükleer reaktörünün ikincil ve acil durum devrelerinde ve ayrıca sıvı alüminyumu dozlamak veya transfer etmek için bazı alüminyum dökümhanelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır .

Uzay itiş gücü

Alan MHD hızlandırıcılar yaygın olarak ifade edilir elektromanyetik plazma iticileri ( plazma , bir olan iyonize gaz ). Onlar yakın gelecekte sığacak uzay keşfi de XXI inci  yüzyılın.

Lorentz kuvvetleri , bu gazdan yayılan elektrik akımlarının doğrudan bu akımlar tarafından indüklenen ( kendi kendine alan hızlandırıcılar ) veya harici solenoidler ( uygulamalı alan hızlandırıcılar ) tarafından üretilen manyetik alanlarla etkileşimi sayesinde iyonize bir gaz hızlandırılabilir . Solenoidlerle donatılmış iticiler ayrıca, endüksiyonla gazda elektrik boşalması olmadan (ve dolayısıyla bir elektrot olmadan) çalışacak şekilde tasarlanabilir . Bu durumda, iki Lorentz kuvvetinin birleşimi olan gazda elektrik akımlarını indükleyen, hızla değişen bir manyetik alandır. Elektromanyetik tahrik, elektrikli itişin en gelişmiş alt kategorisidir ve üçü vardır:

  1. Elektrotermal tahrik . Bu gibi etkileşimler için, bir birinci yaklaşımda, kullanılabilir sıkıştırmak , sırayla, bu gazın ısıtılması ve bir ıraksak meme boyunca genişleme çıkarmak için hidrojen kolonu büyük şiddette bir elektrik arkı: Bir sonra söz . Elektro-itici , bunlardan biri arcjet .
  2. Elektrostatik iyon tahrik . Daha sonra, bu kuvvetlerin, yalnızca iyonların çıkarıldığı , bir elektrik alanıyla hızlandırıldığı bir odanın içinde bir plazmayı manyetik olarak sınırlandırmak veya odadan çıktıktan sonra bu iyonların difüzyon yönünü manyetik olarak kontrol etmek için kullanılması öngörülür . bir olan iyonik motoru ile ( elektrostatik kuvvetler , manyetik alan, bir çalış) sınırlayıcı bir rol . Bu elektrostatik iyon motorları, yüksek fırlatma hızlarına (ortalama 40 km / s ) izin verir, ancak düşük itme kuvvetleri oluşturur (iyonik akının düşük yoğunluğu nedeniyle) ve uyduların yörüngesinin hassas kontrolü ve seyahat eden uzay sondalarının itme gücü için kullanılır. zaman kritik değil. 
  3. Elektromanyetik plazma itme gücü . Son olarak, bu kuvvetlerin kendileri plazmayı doğrudan hızlandırarak itici nitelikte olabilir. Daha sonra elektromanyetik plazma iticilerinden bahsediyoruz .


İşte gücü artıran ana elektromanyetik plazma motorları:

Denizde sevk

Okyanus ortamlarında MHD tahrik sistemi ile ilgili ilk çalışmalar, Amerika Birleşik Devletleri'nde 1950'lerin sonlarından kalmadır. 1958 yılında bir Stewart Way mühendisi Ar-Ge departmanı en Westinghouse içinde Pittsburgh , konuyla ilgili ilk resmi rapor yayınladı. 1961'de Warren A. Rice , Amerikalı James B. Friauf ve OM Phillips'in çalışmalarına paralel olarak ilk patenti verdi. İkinci bir Stewart Way raporu, 1964'te Amerikan Makine Mühendisleri Derneği (ASME) tarafından yayınlandı . 1966'da S. Way , California , Santa Barbara koyunda , 3 metre uzunluğunda ve 400 kg ağırlığında iki elektrotlu ilk MHD ile çalışan dalgıç modeli başarıyla test etti  . Doğru bir MHD verimliliği için gerekli olan çok güçlü manyetik alanlar üreten bobinlerin üretilmesinin imkansızlığı nedeniyle bu araştırma sonraki on yılda durduruldu . Ancak Sovyetler, denizaltıları sessiz ve dolayısıyla gizli kılmak için MHD'nin itici gücü üzerine askeri araştırmalara devam etti .

Gerekli manyetik alanları (birkaç Tesla ) üretebilen süper iletken elektromıknatısların mevcudiyeti , daha sonra bu çalışmaları canlandırıyor. Amerika Birleşik Devletleri'nde, bunlar öncelikle ABD Donanması denizaltıları için tasarlanmıştır . 1990'larda, Pennsylvania Üniversitesi, MIT'nin ( Massachusetts Teknoloji Enstitüsü ) FBNML'de ( Francis Bitter Ulusal Mıknatıs Laboratuvarı ) sarmal bir konfigürasyonda deneyler yaptı ve saniyede 3,7 metre akış hızları ve 10'luk bir verimlilik elde etti. 8 tesla manyetik alan ile%. Bu üniversite araştırmasına paralel olarak, ABD Donanması herhangi bir gerçek başarı hakkında yorum yapmamakta, ancak aynı zamanda, MHD tahrikli denizaltıları ve kıç tarafındaki sınır katmanını kontrol ederek azaltılmış sürüklemeyi tanımlayan birkaç patent yayınlamıştır .

Japonlar, 1970'lerden beri MHD tahrik sistemi üzerine sivil araştırmalar yürütüyorlar . Kobe Deniz Ticaret Üniversitesi, 1976'da fizikçi Yoshiro Saji'nin yönetiminde, ilk modeli, ardından 1979'da 700 kg ağırlığında ikinci bir 3.6 metre uzunluğunda ikinci bir model üretti  ve o sırada MHD ile güçlendirilmiş pervanesiz bir buz kırıcının gelecekteki yapısını öngördü. . İlk gerçek MHD ile çalışan gemi olan Yamato 1 (12 Faraday lineer hızlandırıcı kullanan) ilk olarak 1992'de yelken açtı.

Çin ayrıca geç test ediyor 1990'larda bir mıknatıs 5 Tesla, bir tekne prototip MHD tahrik bobin HEMS-1 ve büyük şiddette (15 tesla) manyetik alanlarla MHD tahrik laboratuvar test etmek için Japonya ile bir ortaklık başladı.

Gelen Fransa , fizikçi Jean-Pierre Petit bölgesinin CNRS 1976, Institut de Mécanique des FLUIDES Marsilya (IMFM) de, gerçekleştirilen yay dalga ve imha uyandırma türbülans akımı içine daldırılmış olan bir profil silindir çevresinde, Dış akışta Lorentz kuvvetleri tarafından 4 Tesla manyetik alanda asitlenmiş su. Gelen 1990'larda , Fransız Donanması ile sözleşme imzaladı Université Grenoble-1 LEGI (jeofizik ve endüstriyel akışının Laboratuvarı) de MHD sevk üzerine bir teknolojik izlemek yürütmek amacıyla,. Teorik seyir hızını laboratuvarda çok çeşitli parametreler için ölçülen hızlarla başarılı bir şekilde karşılaştıran, MHD ile çalışan model bir teknenin deneysel bir çalışması 2017'de yayınlandı.

Atmosferik tahrik

Hava üzerinde MHD etkisi, bu hava onu plazmaya dönüştüren iyonlaşma yoluyla bir elektrik iletkeni yapılırsa da mümkündür .

Atmosferik ortamlarda MHD gazının itici uygulamaları , hipersonik hızda ısı duvarının üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır . Teknik zorluğun artması için çeşitli çalışmalar söz konusudur:

Atmosferik ortama uygulanan bu özel manyetohidrodinamik durumu manyetoaerodinamiktir (MAD).

Plazma topları

Bazı elektromanyetik tabancalar , ya yüklü parçacıkların göreceli hızda doğrudan itilmesi için ya da bir malzeme kabuğunun itmesi için Lorentz kuvvetleri ile bir plazmayı hızlandırır :

Ayrıca görün

İlgili Makaleler

Dış bağlantılar

Notlar ve referanslar

  1. (inç) HR Frisbee, "  XXI. Yüzyıl için gelişmiş tahrik  ", JPL , AIAA-2003-2589, Temmuz 2003.
  2. Bu konuda elektrik tahrikiyle ilgili referans çalışmayı okuyun:
    (in) RG Jahn, Physics of Electric Propulsion , McGraw-Hill Books Co, NY, 1968
    ve son gelişmeler:
    (in) RG Jahn, EY Choueiri, "  Electric Propulsion  ", s.  125-141 yılında Fiziksel Bilim ve Teknoloji Ansiklopedisi , Princeton Üniversitesi, Academic Press, vol. 5, III Baskı 2002; JM Sankovic, " Elektrik Tahrikinde  NASA Teknoloji Yatırımları: Yeni Milenyumda Yeni Yönler  ", Glenn Araştırma Merkezi, NASA, 2002.
  3. (inç) Darbeli Plazma İticileri , NASA Glenn Araştırma Merkezi, 2004.
  4. (inç) PIT MkV Darbeli Endüktif İtici , CL. Dailey, RH Lovberg, Lewis Araştırma Merkezi , Sözleşme NAS 1-19291, NASA-CR-191155, 13 Temmuz 1993.
  5. (inç) Plazmanın potansiyeli  ; Egzozla Modüle Edilmiş Plazma Tahrikli Hızlı Mars Transitleri , FR Chang-Díaz, MM Hsu, E. Braden, I. Johnson, T. Fang Yang, NASA Technical Paper 3539, Mart 1995
  6. (inç) Yayılan Manyetik Dalgalı Plazmoid Hızlandırıcı , Washington Üniversitesi, Havacılık ve Uzay Bilimleri Bölümü, Plazma Dinamikleri Laboratuvarı, Seattle
  7. (inç) Endüktif Plazma Hızlandırıcı (IPA) , Plazma Dinamikleri Laboratuvarı, Washington Üniversitesi, Seattle
  8. (in) İnsanlı Derin Uzay Görevleri Çoğaltım Dalga Manyetik Accelerator (PMWAC)
  9. (fr) Jean-François Augereau, "Kızıl Ekim'in Sessizliği", Le Monde , 24 Haziran 1992; denizde MHD tahrikinin tarihini detaylandıran makale.
  10. (in) Denizaltı Tahrik için Bipolar Elektrik ve Manyetik Alanların S. Way Muayenesi, ABD Donanması Gemi Bürosu'na İletişim Ön Memorandumu , 15 Ekim 1958.
  11. (in) system Engine , WA Rice, ABD Patent No. 2,997,013, 22 Ağustos 1961; ABD Patenti No. 3.106.058, 8 Ekim 1963.
  12. (in) JB Friauf, "Electromagnetic Propulsion Ship", Journal of the American Society of Naval Engineers , Şubat 1961, s.  139-142 .
  13. (inç) OM Phillips, "Manyetohidro-dinamik gemi itme olasılıkları, " Gemi Araştırmaları Dergisi , cilt 5, n o  4, s.  43-51 , Mart 1962.
  14. (inç) Çevredeki denizde Lorentz kuvveti tarafından denizaltıların itilmesi , S. Way, ASME Paper 64-WA / ENER7, 29 Kasım - 4 Aralık 1964.
  15. Araştırma ARL (en önemlisi yürütülen Uygulamalı Araştırma Laboratuvarı at) Pennsylvania Üniversitesi'nde ANL (en, Argonne National Laboratory olarak) Chicago ve en Donanma Sualtı Sistemi Merkezi'nde de Newport (şimdi Donanma Denizaltı Savaş Merkezi, Newport "dedi NUWC-N ")
  16. (in) Tesla'daki Helisel Manyetohidrodinamik Deniz Suyu Akış Alanlarının On ikiye Kadar Çalışmaları (TF Lin, JB Gilbert), Journal of Propulsion and Power, cilt 11, n o  6, s.  1349-1355 , Kasım-Aralık 1995.
  17. (inç) Süperiletken Elektromanyetik İtici , JCS Meng, ABD Donanması, ABD Patent No. 5,333,444, 2 Ağustos 1994; Deniz suyu manyetohidrodinamik test cihazı ], JCS Meng, NUWC-N, ABD Patenti No. 5,369,992, 11 Şubat 1993; Kabarcık yakalama elektrot konfigürasyonu , AM Aaron, SC Dickinson, ABD Donanması, ABD Patent No. 5,685,966, 20 Ekim 1995.
  18. (fr) "  " MHD ": motorsuz ve pervanesiz hız  ", Science et Vie , n o  883, s.  80-87 , Nisan 1991.
  19. (tr) Süper iletken sarmal bir MHDP deney gemisi (HEMS-1) .
  20. (inç) 14 Tesla , AIAA 2002-2173, Çin Bilimler Akademisi, 33. Plasmadynamics ve Lazerler Konferansı, Maui, Hawaii, 20-23 Mayıs 2002'de sarmal MHD pervanesinin performans analizi .
  21. (tr) Jean-Pierre Petit, "  Şok dalgası olmadan süpersonik uçuş mümkün müdür? (hidrolikte analojik sonuçlar) ”, VIII Uluslararası MHD Elektrik Enerjisi Üretimi Konferansı , Moskova, 1983. Plazma fizikçisi Bernard Zappoli tarafından 1981'de yazılan bu CNES teknik notunun 29 ila 39. sayfalarına da bakın .
  22. (in) Manyetohidrodinamik Gemi Modellerinin Deneysel ve Teorik Çalışması , PLoS ONE, 12 (6): e0178599, 2017.
  23. (en) Andreï Sakharov, Scientific Works , Paris, ed. Anthropos, 1984.