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Aérodyne MHD

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Un aérodyne MHD (magnétohydrodynamique) est le nom donné par le physicien Jean-Pierre Petit à un type d'accélérateur MHD particulier, qu'il expérimenta dès 1975 dans diverses configurations (cylindrique, sphérique, discoïdale) aux spécificités suivantes :

Les travaux qu'il mène à cette époque en laboratoire découlent de l'idée controversée, émise par divers scientifiques depuis la fin des années 1960, que des aéronefs pourront dans le futur se propulser en agissant sur l'air atmosphérique à l'aide de forces électromagnétiques (dites forces de Lorentz). Ces vols pouvant alors théoriquement s'effectuer silencieusement et à très grande vitesse sans mur du son ni mur de la chaleur en air dense. En effet, l'idée principale qui sous-tend toutes ces recherches est le contrôle total de l'écoulement gazeux en tout point de la paroi (flow-control MHD) et la suppression des ondes de choc à vitesse supersonique.

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 :


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

Jean-Pierre Petit a expérimenté sous basse pression des aérodynes MHD de différents types :

  • Aérodyne MHD cylindrique
  • Aérodyne MHD sphérique
  • Aérodyne MHD à électrodes pariétales
  • Aérodyne MHD discoïdal à effet Hall fort
  • Aérodyne MHD discoïdal à induction

Ainsi que des expériences en milieu aqueux sur la simulation des ondes de choc en vol supersonique (analogie hydraulique) :

  • Hydrodyne MHD cylindrique

Travaux d'autres chercheurs

Idées préliminaires

« Une étude de la littérature et une extrapolation de la technologie existante suggèrent que, moyennant un effort considérable, une approche électromagnétique entièrement nouvelle pourrait être développée pour le vol hypersonique qui, par bien des aspects, dupliquerait les caractéristiques des ovnis ».

Il réitère cette idée publiquement en juillet 1968 lors du symposium sur les objet volants non identifiés organisé à l'initiative du congrès américain, dans un discours publié par l'imprimerie nationale :

« Il y a un nombre considérable de travaux disponibles concernant la magnétoaérodynamique. J'ai reçu une bibliographie de la NASA avec plus de 3000 références. La référence 39 contient le résumé de plus de 300 publications traitant des interactions entre véhicules et plasmas. Une bonne partie de ce travail est secrète car le nez des ICBM est entouré de plasma. En tous cas, il y a un corpus technologique que j'ai étudié et qui me conduit à croire qu'une approche entièrement nouvelle pour la propulsion à grande vitesse dans l'air et dans l'espace pourrait être développée, en utilisant les interactions entre les champs électriques et magnétiques avec des fluides conducteurs adjacents aux véhicules pour produire une poussée ou une sustentation, et réduire ou éliminer d'autres problèmes du vol hypersonique tels que la traînée, le bang supersonique, l'échauffement, etc. Ces notions sont fondées sur la technologie existante, telle que celle figurant dans les références 40 à 49, bien que l'on puisse s'attendre à ce qu'un effort considérable de développement soit nécessaire. »

Ce physicien américain aborde les idées développées ultérieurement par Jean-Pierre Petit avec les aérodynes MHD. Cependant en dehors de ce témoignage, S. Friedman n'entreprit lui-même aucune recherche et ne publia pas de développement technique sur thème.

  • En 1973, le physicien belge Auguste Meessen, professeur de physique à l'Université catholique de Louvain, émet l'hypothèse que les ovnis puissent être propulsés par MHD à l'aide de champs magnétiques variables (principe de base identique à l'aérodyne MHD discoïdal à induction de Petit), approche qu'il nomme PEMP (Propulsion EM Pulsée), parfois également appelée PEP. Cette idée théorique est alors évoquée dans les colonnes du magazine ufologique Inforespace[2] de la SOBEPS, sans toutefois donner lieu à des développement expérimentaux.
  • En 1998, l'ingénieur canadien Gilles Primeau, de la société Aerocorp Technologies, Inc. basée à Pierrefonds, publie une communication[3], dans laquelle il déclare :
« La magnétohydrodynamique (MHD), et plus spécifiquement la magnétoaérodynamique (MAD), permet d'envisager de nouveaux aéronefs, moyennant la disponibilité de systèmes efficaces d'ionisation de l'air, d'une source d'énergie puissante, légère et compacte, ainsi que des supraconducteurs à haute température. Ces techniques offrent alors des avantages supplémentaires tels que le vol supersonique et hypersonique sans génération d'ondes de choc, consommatrices d'énergie. Un panorama des expériences et des simulations effectuées en propulsion MAD, accompagné des références bibliographiques, est détaillé. Les développements passés et le savoir-faire actuel, mis en perspective avec notre futur technologique raisonnablement extrapolé, amènent à la suggestion provocatrice, mais techniquement correcte, que la configuration MAD idéale serait un véhicule de forme discoïdale, capable de performances extrêmement impressionnantes selon les critères actuellement en vigueur. »

Recherches similaires

  • Dans les années 1960, des expériences furent conduites sur l'accélération MHD, en écoulement gazeux interne, dans des tuyères linéaires (magnetic driven plasma rockets)[4]. À la même époque, sont également entreprises des recherches théoriques sur le freinage MHD, cette fois à écoulement externe, pour les capsules spatiales en phase de rentrée atmosphérique[5] : il s'agissait alors d'étudier l'action d'un champ magnétique seul, colinéaire à l'écoulement, ce dernier étant à faible nombre de Reynolds et naturellement ionisé par l'augmentation de température consécutive à la présence de l'onde de choc autour d'un obstacle sphérique. Les courants électriques sont dans ce cas non imposés mais simplement induits par la vitesse du plasma chaud relativement au corps de rentrée. Les forces de Lorentz ainsi créées tendent à s'opposer au mouvement, provoquant une importante augmentation de la traînée sans augmentation de la température à la paroi (car l'onde de choc est détachée en amont dans le plasma) et donc un ralentissement de la capsule[6].
  • En 1974, le physicien Charles Vivès, du Laboratoire de Magnétohydrodynamique de la Faculté des Sciences d'Avignon, réalise ces expérimentations dans du mercure, en les étendant aux formes sphériques et cylindriques, avec un nombre de Reynolds élevé (supérieur à 100, ce qui permet de nombreuses mesures précises des pressions) et dans un champ magnétique uniforme perpendiculaire à la vitesse d'écoulement, mais toujours sans champ électromoteur. Ces travaux sont publiés aux Comptes Rendus de l'Académie des sciences de Paris[7].
  • Concernant les études en MHD sur la suppression des ondes de choc par des forces de Lorentz JxB, combinant courant électrique et champ magnétique, le physicien des plasmas Bernard Zappoli écrit en 1981, dans un rapport à destination du CNES[8] :
« Actuellement, JP. PETIT propose un dispositif MHD en vue de supprimer l'onde de choc accompagnant un objet matériel se déplaçant à une vitesse supersonique. Ce dispositif consiste à combiner de manière adéquate (PETIT et al, 1980) les champs électriques et magnétiques autour d'un profil de façon à produire sur le fluide une action centrifuge à l'amont et centripète à l'aval de celui-ci. Ce procédé, utilisant les effets ralentisseur et accélérateur des forces de Laplace, se trouve au carrefour des deux applications citées plus haut (freinage et accélération MHD), et n'a pas, à notre connaissance, d'équivalent qui puisse être cité en référence. »
Ainsi, sous la supervisation de B. Zappoli, une équipe de SUPAERO réplique avec succès en 1980 l'expérience hydraulique de suppression MHD de l'onde de choc d'un obstacle cylindrique[9] effectuée précédemment par JP Petit en 1976, y apportant certains prolongements tels que la visualisation des lignes de courant électrique dans le fluide en mouvement, et la réalisation d'un film vidéo enregistré de l'expérience.
  • Ces recherches n'ont cependant pas donné lieu à des développements supplémentaires dans les années suivantes. Mais en juin 2002, la France décide de se doter à nouveau des compétences sur les plasmas froids et l'aéro-MHD, en créant un pôle de compétitivité dédié, regroupant une quarantaine de laboratoires[10] financés à partir de 2003 par la DGA (Délégation générale pour l'armement) avec des contrats SREA (Service de recherches et études amont) de la DSP (Direction des systèmes de force et de la prospective). Ce pôle devra entre autres travailler sur le contrôle de l'écoulement gazeux en aérodynamique subsonique et hypersonique.
    Selon le scientifique de l'ONERA Paul Kuentzmann[10], qui supervise ces projets, c'est un plan divisé en deux grandes étapes :
  • 2003 à 2007 - Première série de projets concernant la compréhension des plasmas froids et l'étude de l'interaction "passive" plasma/onde de choc :
  1. Conception de dispositifs servant à créer et entretenir des plasmas froids en air dense, par THT sans champ magnétique, et performances comparées des générateurs à décharge continue ou pulsée. Ces dispositifs sont conçus par l'ONERA/DMPH (Département Mesures Physiques)[11] de Palaiseau.
  2. Études sur le comportement des ondes de choc en présence de plasmas froids dans le cadre d'un PRF (Plan recherche fédérateur) de quatre ans : expérimentations sur des décharges en pointe cathodique, et sur des corps à surface polarisée (maquette ogivo-conique montée sur un dard) à la soufflerie R1Ch du centre aérostatique militaire de Chalais-Meudon) de l'ONERA/DAFE (Département Aérodynamique fondamentale et expérimentale)[12].
  • À partir de 2008 ou 2009 - Intégration de l'électromagnétisme dans les plasmas pour une modification "active" de l'écoulement :
  1. Expérimentations étendues en EAD péristaltique (champs électriques variables)
  2. Accélération MHD (magnétohydrodynamique), appelée aussi dans ce cas particulier MAD (magnétoaérodynamique). Études sur l'action de forces de Lorentz dans les plasmas (issues da la combinaison JxB de champs électriques et magnétiques). Manipulation de l'écoulement supersonique, réduction des ondes de choc, et contrôle actif des traînées de frottements, de sillage et d'onde.
  3. Études de la faisabilité théorique et technique d'une telle propulsion MHD en trois vérifications : études sur les matériaux résistants à la chaleur pour les électrodes (ce problème aurait été résolu par les scientifiques russes) ; disponibilité d'électroaimants supraconducteurs embarqués de 10 à 100 MW ; annihilation de l'instabilité électrothermique sous paramètre de Hall élevé (telle que réalisée par Jean-Pierre Petit sur les générateurs MHD en 1966[13] et sur les accélérateurs MHD à champ externe en 1980[14]).

Projet Lightcraft et MHD

En 1976, le physicien américain Leik Myrabo cite pour la première fois la faisabilité du vol hypersonique dans l'atmosphère grâce à un "accélérateur MHD à champ excité externe" (externally-excited-field MHD accelerator)[15]. Il indiquera par la suite que le but de son projet Lightcraft d'engin à propulsion par laser, initié en 1978[16], est la concrétisation à l'horizon 2025[17] d'un appareil volant militaire satellisable, de forme discoïdale, pouvant embarquer jusqu'à 20 passagers et mû par une source d'énergie non embarquée, convertie après réception sous forme de rayonnement électromagnétique émis à distance par un réseau de satellites. Cet appareil doit décoller, atterrir et manoeuvrer à l'aide de PDE pour les gammes de vitesses modérées, et croiser dans l'atmosphère à vitesse hypersonique à des allures comprises entre Mach 10 et 25, grâce à une ionisation de l'air par micro-ondes et une propulsion MHD externe à conduction assurant le contrôle de l'écoulement gazeux et la suppression du mur de la chaleur.

En 1999, le RPI (Rensselaer Polytechnic Institute) initie les premiers tests expérimentaux[18], en soufflerie hypersonique, de cet accélérateur MHD à conduction permettant le contrôle de l'écoulement gazeux externe (similaire à l'aérodyne MHD discoïdal à électrodes pariétales mais avec une configuration des champs magnétiques assurant un champ de forces identique à celui des aérodynes MHD cylindrique et sphérique) sous le nom de MHD slipstream accelerator (cf. Travaux de Leik Myrabo dans Travaux scientifiques).

Bibliographie

Travaux scientifiques

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

  • Le Mur du Silence, BD de JP Petit sur la propulsion MHD
  • Cent microsondes pour changer notre vision de l'univers, cours de MHD, par JP Petit
  • Un moteur à plasma pour ovnis, JP Petit, Science & Vie n°702 : vulgarisation du CRAS 1975 "Convertisseurs MHD d'un genre nouveau"
  • Pour construire et comprendre un accélérateur MHD (http://www.juliengeffray.fr/mhd/pdf/PLS31mai1980.pdf), JP Petit, Pour la Science n°31
  • Note technique N°9 (http://www.juliengeffray.fr/mhd/pdf/nt9.pdf) du GEPAN sur la MHD, Bernard Zappoli, N°273 CT/GEPAN, CNES, Toulouse, 17 novembre 1981. Voir plus particulièrement les parties consacrées à la propulsion au chapitre 1, section 4 "La propulsion MHD et les applications aéronautiques", tout le chapitre 2 "Action MHD sur l'onde d'étrave d'un cylindre", ainsi que les annexes scientifiques.
  • (en) MHD Research at RPI (http://www.eng.rpi.edu/mane/lightcraft/Research/MHD/mhd.html)
  • (en) The Lightcraft - Quick Tour (http://www.eng.rpi.edu/mane/lightcraft/Curriculum/TAVD/tour/intro.html)
  • (en) Magnetohydrodynamic propulsion in hypervelocity mode (http://www.electrofluidsystems.com/news/DGLR-2003-257.pdf#search=%22Myrabo%20MHD%20apollo%22) (partie 3)

Notes

  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" (http://www.mrct.cnrs.fr/PF/) du CNRS).
  2. A. Meessen, Réflexions sur la propulsion des OVNI, Inforespace (SOBEPS), n° 8, 9 et 10, 1973.
  3. G. Primeau, Magnetoaerodynamic (MAD) propulsion for exploration of atmosphere-bearing planetary bodies (http://pdf.aiaa.org/preview/1998/PV1998_3408.pdf), AIAA-1998-3408, 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, Cleveland, OH, 13-15 juillet 1998.
  4. D. E. Gonzalez, G. R. Karr, Superconducting applications in propulsion systems. Magnetic insulation for plasma propulsion devices. Final report (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19930002825_1993002825.pdf), NASA-CR-184401, Alabama University, Huntsville, 1990.
  5. A. R. Kantrowitz, Flight Magnetohydrodynamics, AVCO Research Report, 51, mars 1959 ; P. O. Jarvinen, On the use of magnetohydrodynamics during high speed re-entry (http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19650010875_1965010875.pdf), NASA CR-206, AVCO Contract Report, n°NASw-748, avril 1965. Voir aussi R. H. Levy, Journal de Mécanique, pp. 529-545, 6, 1967 ; H. Cabannes, Magnétodynamique des Fluides, Centre de Documentation Universitaire, 1969.
  6. Voir pour les développements récents sur ce thème de rentrée atmosphérique assistée par MHD:
    • Trois contrats Darpa pour la rentrée MHD, Air & Cosmos, n°1930, pp. 40-41, 2 avril 2004.
    • Rentrée MHD : la riposte de l'Europe, Air & Cosmos, n°1932, pp. 32-39, 16 avril 2004.
    • Rentrée MHD : quand Mars prépare la guerre, Air & Cosmos, n°1974, pp. 34-35, 11 mars 2005.
    • Rentrée MHD : l'Europe s'engage, Air & Cosmos, n°1984, pp. 40-41, 20 mai 2005.
  7. Travaux de Charles Vivès (Laboratoire de Magnétohydrodynamique de la Faculté des Sciences d'Avignon) publiés à l'Académie des Sciences de Paris :
    • Sur le coefficient de traînée de pression d'un obstacle sphérique isolant en magnétodynamique des liquides, CRAS de Paris, Série B, t. 279, pp. 203-206, 26 août 1974.
    • Études d'écoulements autour d'obstacles cylindriques isolants et électroconducteurs en présence d'un champ magnétique transversal, CRAS de Paris, Série B, t. 280, pp. 677-680, 9 juin 1975.
    • Sur le coefficient de traînée de pression des cylindres ferromagnétiques en magnétodynamique des liquides, CRAS de Paris, Série B, t. 288, pp. 233-236, 23 avril 1979.
  8. B. Zappoli, La MHD, état de l'art et premières expériences probatoires d'application propulsive (http://www.juliengeffray.fr/mhd/pdf/nt9.pdf), Note technique n°19, 0273 CT/GEPAN, CNES, 17 novembre 1981 (cf. chap. 2, p. 29).
  9. Expérience effectuée par Valérie Denis-Masse, Marc Bello, Alain Estibals et Hervé Payan, sous l'encadrement de Bernard Zappoli, ENSAE, 1980.
  10. 10,0 et 10,1 Voir par exemple le site web [http://www.mrct.cnrs.fr/PF/ "réseau plasmas froids" du CNRS, et les articles parus dans la revue Air & Cosmos :
    • La France s'enflamme pour les plasmas froids, Air & Cosmos, n°1885, p. 16-17, 11 avril 2003
    • Recherches françaises sur la propulsion MHD, Air & Cosmos, n°1886, p. 18-19, 18 avril 2003
  11. Voir Plasmas pour l'aérodynamique supersonique (http://www.onera.fr/dmph/plasmas/aerodynamique-supersonique.php), DMPH, ONERA.
  12. Voir Action d'un plasma en écoulement supersonique - Extinction de l'instationnarité de choc au moyen d'un plasma (http://www.onera.fr/dafe/plasma-supersonique/index.php), DAFE, ONERA, 2005.
  13. JP Petit, J. Valensi, JP Caressa, Caractéristiques électriques d"un convertisseur utilisant comme fluide de conversion un mélange binaire de gaz rares, avec ionisation hors d'équilibre, 7th International Conference on MHD Electrical Power Generation, Varsovie, 1967.
  14. Jean-Pierre Petit, Michel Billiotte, Méthode pour supprimer l'instabilité de Velikhov, CRAS de Paris, pages 158-161, 27 avril 1981.
  15. L. N. Myrabo, MHD propulsion by absorption of laser radiation (http://pdf.aiaa.org/GetFileGoogle.cfm?gID=52538&gTable=mtgpaper#search=%22%22MHD%20propulsion%20by%20absorption%20of%20laser%20radiation%22%22), AIAA-1976-706, American Institute of Aeronautics and Astronautics and Society of Automotive Engineers, Propulsion Conference, 12th, Palo Alto, Calif., AIAA 11 p., 26-29 juillet 1976 ; et dans Journal of Spacecraft and Rockets, 0022-4650, vol.13 n°8 (466-472), août 1976.
  16. L. N. Myrabo, Solar-Powered Global Air Transportation (http://www.aiaa.org/content.cfm?pageid=406&gTable=mtgpaper&gID=85563), article 78-698, AIAA/DGLR 13e Conférence Internationale sur la Propulsion Électrique, San Diego, CA, 25-27, avril 1978.
  17. L. N. Myrabo, 'Horizon Mission': 2025 Space Command's Ultra-Energetic Lightcraft with Super-Pressure Airship Structure (http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000766000001000086000001&idtype=cvips&gifs=Yes), 3° International Symposium on Beamed Energy Propulsion. AIP Conference Proceedings, Volume 766, pp. 86-99, avril 2005.
  18. J. M. Kerl, L. N. Myrabo, H. T. Nagamatsu, M. A. S. Minucci, and E. D. Meloney, MHD slipstream accelerator investigation in the RPI hypersonic shock tunnel (http://pdf.aiaa.org/preview/1999/PV1999_2842.pdf), AIAA-1999-2842, AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 35th, Los Angeles, CA, 20-24 juin 1999.
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