導入
MHD (磁気流体力学) 加速器は、電場と磁場の組み合わせを使用して導電性流体を動かす MHD コンバーターです。
基本原理は電動機と同じです。どちらも、アーマチュア内に磁界を生成するインダクタ(電磁石) を備えています。
- 従来のモーターの場合、このアーマチュアは固体であり、金属線の巻線で構成されるコイルです。
- MHD 加速器の場合、このアーマチュアは流体です。導電性液体(塩水、液体金属) またはイオン化ガス(プラズマと呼ばれます) です。
したがって、MHD 加速器は、従来の電気モーターとは異なり、可動機械部品を使用せず、電磁エネルギーを運動エネルギーに直接変換します。流体は、流体に浸された電極の端子に電流を流す電場によって、磁場内で動き始めます。
原理
磁場が存在しない場合、電場 (静電場) が存在すると、流体の荷電粒子が電気力によって加速されます(クーロンの法則に従って)。
この力の方向は、正の粒子 (+ から – に加速) と負の粒子 (- から + に加速) では反対になります。流体は通常は不活性のままです。
電場によって加速され磁場中を移動する荷電粒子は、次の方程式に従ってローレンツ力と呼ばれる電磁力を受けます。
多くの場合、次のように簡略化されます。
ベクトルF 、 I 、 B は互いに垂直であり、右手の法則に従って空間内に三面体 (= 直接三面体) を形成します。
この力の方向は電荷qに依存するため、正の粒子と負の粒子では逆になります。
導電性流体には、その中に中性原子のほか、正電荷 (正イオン) と負電荷 (負イオン、さらにプラズマの場合は自由電子) が含まれています。電場は、荷電粒子をその電荷に応じて反対方向に電極に向かって加速します。そして磁場はこれらの荷電粒子を加速中に偏向させ、その電荷に応じて反対方向にも偏向させます。この二重反転「電気加速度 + 磁気偏差」により、ローレンツ力がすべて平行かつ同じ方向に分布します。
流体は、その電荷 (正と負、および衝突による中性粒子) に関係なく、すべての粒子が同じ方向に駆動されるため、均一な動きに設定されます。
アプリケーション
MHD 加速器は、主に電磁ポンプの形で産業やハイテク車両の推進面で使用されています。特定の種類の軍事兵器の場合も同様です。
電磁ポンプ
電磁ポンプは 4 つの主要なカテゴリに分類されます。
- 伝導ポンプ
- 多相電流誘導ポンプ
- フラット（短絡バー付き、英語でFLIP）
- 環状（円筒状とも呼ばれ、英語ではALIP）
直流伝導ポンプは、バーローホイールに似ています。 2 つの電極が直流電流を注入し、電磁石(または永久磁石) が磁場を生成します。それらの大きな欠点は、非常に低い電圧で非常に高い強度を使用する必要があるため、強度の二乗に比例するジュール効果による莫大な損失(ポンプ、電流供給、整流器システム)であることです。これらの 2 つの基本的な利点は、コンパクトであることと、冷却せずに高温に耐えられることです。小型ポンプの特定のケースでは、銀巻線により最大 600°C の温度での動作が可能になりました。
交流伝導ポンプは、伝導と誘導という 2 つの現象を利用します。それらの動作は、特定のエアギャップ変圧器を思い出させます。効率が非常に低いこと以外に、主な欠点はキャビテーションです。したがって、ポンプ入口の圧力は常に十分である必要があります (ほとんどの場合、 1 bar 以上)。
誘導ポンプは非同期モーターに似ています。これらの機械の効率は約 15 ～ 45% です。性能の制限にはいくつかの原因があります。液体金属は、ほとんどの場合、それ自体が金属である導管によって運ばれます。フラット ポンプの場合、導管が寄生電流とバイパス電流の発生源となり、これらが合わさってジュール単位の非常に大きな損失を引き起こします。効果。エンドエフェクト (ポンプの入口と出口) により寄生電流が生成され、ポンプの出力が低下し、その効率が 15% ～ 35% 低下します。エアギャップの厚さは、導管の厚さ、および使用する断熱材 (ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム、亜鉛など) の厚さによって非常に重要です。この物理的エア ギャップに、インダクタの歯が生える効果に関連するカーター エア ギャップと呼ばれる追加の磁気エア ギャップが追加されます。この数センチメートルの隙間により磁気漏れが発生します。ほとんどの場合、これらの漏れ磁場は有効磁場よりも大きくなります。したがって、誘導磁界を生成する必要がある巻線は非常に大きくなり、重大なジュール効果損失が発生します。したがって、強力な換気システムによって冷却する必要があります。
これらのタイプのポンプはすべて、液体ナトリウムを循環させるためにスーパーフェニックス原子炉の二次回路および緊急回路で、また特定のアルミニウム鋳造工場で液体アルミニウムを注入または移送するために広く使用されました。
宇宙推進
宇宙の MHD 加速器は一般に電磁プラズマスラスターと呼ばれます (プラズマはイオン化したガスです)。これらは 21世紀の近い将来の宇宙探査の一部です。
イオン化ガスは、ローレンツ力、このガスを通して放出される電流と、これらの電流によって直接誘導される磁場 (自己磁場加速器) または外部ソレノイドによって生成される磁場 (印加磁場加速器) との相互作用によって加速できます。ソレノイドを備えたスラスターは、誘導によってガス中での放電なしで (したがって電極なしで) 動作するように設計することもできます。この場合、ガス内に電流を誘導するのは急速に変化する磁場であり、この 2 つの組み合わせによってローレンツ力が発生します。電磁推進は電気推進の最も先進的なサブカテゴリであり、次の 3 つがあります。
- 電熱推進。このような相互作用は、最初のアプローチで、水素の柱内の高強度電気アークを圧縮するために使用され、このガスを加熱し、発散ノズルを通して膨張させて放出することができます。次に、電熱推進剤について話します。そのうちの 1 つはアークジェットです。
- 静電イオン推進。次に、これらの力を使用して、イオンのみが抽出され、電場によって加速される筐体内にプラズマを磁気的に拘束するか、筐体から出たイオンの拡散方向を磁気的に制御することを想定しています。磁場が閉じ込めの役割を果たすイオン エンジン(静電気力を使用)。これらの静電イオン エンジンは、高い放出速度 (平均40 km/s) を可能にしますが、生成する推力は (イオン束の密度が低いため) 低く、衛星の軌道や宇宙探査機の推進の精密な制御に使用されます。移動時間は重要ではありません。
- 電磁プラズマ推進。これらの力は最終的にはそれ自体が推進力となり、プラズマを直接加速します。次に、電磁プラズマスラスターについて説明します。
出力を増加させた主な電磁プラズマ モーターは次のとおりです。
- PPT :パルス プラズマ スラスターは、電気エネルギーを使用してアブレーション固体材料(通常はテフロン) を剥離し、イオン化するプロセスです。このまばらなプラズマは、ソレノイドによって生成される超短磁気パルスによって電磁的に加速され、誘導磁場に逆らってプラズマ内に電流を誘導し、最終的にはレンツの法則に従って誘導による相互反発が生じます。推力は非常に短くて弱い (数マイクロニュートン) ため、精密なポインティングや軌道の上昇に使用されます。
- PIT (パルス誘導スラスター): フラット ソレノイド (通常は直径 1メートル) と高速バルブ ガスインジェクターを使用し、数ミリグラムの推進剤をコイルの中央に噴射します。コンデンサのバンクは 30 kV で 10 マイクロ秒以内にソレノイドに放電し、ガス内に軸方向の誘導磁場の短いパルスを生成し、ガスをイオン化します。その後、ガスは、レンツの法則に従って、誘導電流の影響で出口に向かって押し出されます。このタイプの誘導スラスタの主な利点は、プラズマが壁から離れたところに閉じ込められること、また電極や電気アークがないため浸食がなくなることです。 PIT のもう 1 つの利点は、アルゴンだけでなく、ヒドラジン、アンモニア、二酸化炭素などのさまざまな推進剤を使用して動作できる多用途性です。最大比推力 6000 秒、効率 60 % で、1 MW PIT は 60 % で動作します。 200Hz。
- MPD またはLFAスラスタ: 1960 年代以来最も研究されてきた高出力電磁モータ (スラスタあたり数百キロワットから数メガワットの電力) は、改良版の LFA (ローレンツ力加速器) とも呼ばれる MPD (磁気プラズマ力学) スラスタです。最も効率的な MPD スラスターは、非常に強力な推力 (最大 200 ニュートン) と高い噴射速度 (比推力約 10,000 秒で秒速100キロメートルに達する) の両方を可能にします。 「磁気プラズマ力学スラスター」の記事を参照してください。
- VASIMR :可変比推力マグネトプラズマ ロケットは、水素またはイオン化ヘリウムを射出する電磁力を使用するコンポーネントを備えた、主に電熱起源の連続推進力を使用します。この装置は、一連のいくつかの「磁気セル」を通じて、可変電磁場 (電極なし) を集中的に利用します。最高速度(惑星の重力から逃れるための脱出モード) では、VASIMR は 6,000 秒の比推力で 500 ニュートンの継続的 (一時的ではあるが) 推力を保証できなければなりません。巡航速度(巡航モード、2 つの惑星間) では、VASIMR は 30,000 秒の記録的な比推力で 50 ニュートンの推力を継続的に与える必要があります。 VASIMR の記事を参照してください。
- PMWAC (伝播電磁波プラズマ加速器) またはIDA (誘導プラズマ加速器):電磁波誘導スラスタ (電極なし)。複数のソレノイドが円筒形のノズルの周りに次々と直列に配置され、その内部に軸方向の磁場を生成します。この磁場は最初は均一であり、プラズマを磁化させ、偶然壁から遠く離れたところに閉じ込められていることに気づきます。その後、ソレノイドは個別に、ソレノイドを流れる電流のインパルス上昇を受けます。この電気パルスは同じ振幅で各ソレノイドに分配されますが、前のソレノイドとは位相が異なるため、蠕動磁気波がチューブの内部を通過し始めます。プラズマはこの波に従って加速され、局所的な磁力の増加を生成する磁力線の挟み込みによって駆動され (プラズマは反磁性であり、磁場が高い領域から逃げます)、次の相互作用によって生成されるローレンツ力によって排出されます。軸方向の磁場とその強度の急速な上昇によりプラズマ内に誘導される方位角電流。これらのローレンツ力には、求心性 (拘束) 成分と軸方向 (推進性) 成分の両方があります。長さ 5 メートル、出力 2 MW の磁気波推進器は、速度 300 km/s (I sp = 30,000 秒)、記録的な推力 4,000 ニュートンでプラズマを推進します。同じ推力を備えた 25 メートル、20 MW バージョンは、1,000 km/s (I sp 100万秒) の記録的な放出速度を提供します。
船舶推進
海洋環境における MHD 推進に関する最初の研究は、1950 年代後半に米国で行われました。 1958 年、ピッツバーグのウェスティングハウスの研究開発部門のエンジニア、スチュワート ウェイが、このテーマに関する最初の公式報告書を発表しました。 1961 年、ウォーレン A. ライスは、アメリカ人のジェームス B. フリアウフと OM フィリップスの研究と並行して、最初の特許を申請しました。 2 番目のスチュワート ウェイ報告書は 1964 年に ASME (米国機械学会) によって発行されました。 1966 年、S. Way は、長さ 3 メートル、重さ 400 キロの 2 つの電極を備えた最初の MHD 駆動水中モデルをカリフォルニア州のサンタバーバラ湾でテストすることに成功しました。この研究は、MHD の正しい性能に必要な非常に強い磁場を生成するコイルの製造が不可能だったため、その後10 年間中止されました。しかし、ソ連は潜水艦を静かにしてステルス性を高めるために、潜水艦の MHD 推進に関する軍事研究を続けている。
必要な磁場（数テスラ）を生成できる超伝導電磁石が利用可能になったことで、これらの研究が再開されました。米国では、これらは主に米海軍の潜水艦を対象としています。 1990年代、ペンシルベニア大学はMIT（マサチューセッツ工科大学）のフランシス・ビッター国立磁石研究所（FBNML）で閉ループ螺旋構成で実験を実施し、毎秒3.7メートルの流速と10の効率を得た。 % 8 テスラの磁場で。この学術研究と並行して、米海軍は実際の成果の可能性についてはコメントしなかったが、MHD推進を備えた潜水艦と、船尾の境界層を制御することによる抗力低減を記載した複数の特許を同時に公開した。
日本は1970年代からMHD推進の民間研究を実施しており、神戸商船大学は物理学者の佐治吉郎氏の指導のもと、1976年に最初のモデルを製作し、続いて1979年に全長3.6メートル、重さ700キロの2番目のモデルを製作した。 、そして当時、MHDを動力源とするプロペラのない砕氷船の将来の建設を構想していました。最初の真の MHD 動力船であるやまと 1 号 (12 個のファラデー線形加速器を使用) は 1992 年に初航行しました。
1990 年代の終わりには、中国も 5 テスラの電磁石を備えたヘリカル MHD プロペラを備えたプロトタイプボート、 HEMS-1 をテストし、高強度の磁場を使用した実験室で MHD 推進をテストするために日本と提携しました。 (15テスラ)。
フランスでは、 CNRSの物理学者ジャン・ピエール・プティが1976 年に IMFM (マルセイユ流体機械研究所) で、海流に浸された円筒形プロファイルの周りの船首波と伴流乱流の消滅を実施しました。外部の流れのローレンツ力による、4 テスラの磁場内の酸性水。 1990 年代にフランス海軍は、LEGI (地球物理学および産業流研究所) で MHD 推進に関する技術モニタリングを実施するために、グルノーブル第一大学と契約を締結しました。
大気圏推進
この空気をプラズマに変えるイオン化によって電気伝導体にすると、空気に対する MHD 作用も可能です。
大気環境における MHD ガスの推進用途は、極超音速で熱壁を克服することを目的としています。技術的な難易度が高い順に、さまざまな研究が関係しています。
大気環境に適用される磁気流体力学のこの特定のケースは、磁気空気力学(MAD) です。
兵器
プラズマキャノン
特定の電磁銃は、相対論的速度で荷電粒子を直接推進するため、または材料シェルの推力のために、ローレンツ力によってプラズマを加速します。
- 電流が流れるとアルミニウムのシートが昇華してプラズマに変化するレールガン。
- 磁場を圧縮する爆薬の力を利用した自己閉じ込め型プラズモイド砲 (1950 年代にアンドレイ・サハロフによって作成) (磁気蓄積発電機)。
物議を醸す
MHDの専門家であるジャン・ピエール・プティ氏（CNRSの研究部長、現在は退役）は、米軍（そして程度は低いがロシア軍）が1980年代以降、潜水艇や超高速度でMHD液体を利用する装置を保有しているという未確認の説を擁護している。 MHD魚雷。 1990 年代以降の MHD ガスは、秘密の極超音速航空機で使用されました。オーロラ偵察機(頭頂部 MHDバイパスを備えた従来のターボジェットを備えた)、B-2 計画の対蹠爆撃機(MHD 流量制御を備えた)、MHD 推進力を備えた円盤状ドローンです。ロシア当局が MHD 推進力を使用した Ajax という名前の試作機に言及したことは、この説を裏付けるものとなるでしょう。