자기유체역학 드라이브

Magnetohydrodynamic drive
일본 고베에서 전시 중인 야마토 1호.최초의 실물 크기의 MHD 선박입니다.

자기유체역학 드라이브(MHD Accelerator)는 움직이는 부품이 없는 전기장과 자기장만을 사용하여 전기전도성 추진제(액체 또는 기체)를 자기유체역학으로 가속하는 방식이다.오일은 후방으로 유도되고, 그 반작용으로 차량이 [1][2]전진합니다.

해양 추진 분야에서 MHD를 조사하는 첫 번째 연구는 1960년대 [3][4][5][6][7][8][9][10][11][12]초로 거슬러 올라간다.

해양 MHD 추진은 바닷물의 낮은 전기 전도성으로 인해 효율이 낮아 실용적이지 못하기 때문에 대규모 작업 시제품이 거의 제작되지 않았습니다.전류 밀도의 증가는 전극 근처의 줄 가열 및 물 전기 분해에 의해 제한되며, 자기장 강도의 증가는 전자석의 비용, 크기 및 무게(및 기술적 한계) 및 [13][14]공급 가능한 전력에 의해 제한됩니다.

더 강력한 기술적 제한은 여전히 [15][16][17]이론적인 개념과 초기 실험에만 국한된 공기 호흡 MHD 추진(주변 공기가 이온화되는 곳)에 적용됩니다.

우주 탐사에 자기유체역학을 이용한 플라즈마 추진 엔진도 전자기 추진이 높은 추진력과 높은 비충동을 동시에 제공하며, 추진체가 화학 [18]로켓보다 훨씬 오래 지속된다는 점에서 활발하게 연구되어 왔다.

원칙

주요 기사: 로렌츠력
참고 항목: 자기 유체 다이내믹 컨버터
전류와 자기장의 교차곱인 로렌츠 힘에 대한 오른쪽 법칙의 그림입니다.

작동 원리는 로런츠 힘에 의해 전기 전도성 유체(플라즈마라고 불리는 액체 또는 이온화 가스일 수 있음)가 가속되는 것을 포함하며, 이는 전류(두 전극 사이에 인가되는 전계에 의해 가속되는 전하 캐리어의 움직임)의 교차 산물에 의해 발생합니다.로렌츠 힘은 모든 하전 입자, 양 및 음의 종(반대 방향)을 가속합니다.양 또는 음의 종이 우세할 경우 차량은 순 전하와 반대 방향으로 움직입니다.

이는 MHD 구동에서 고체 이동 로터가 추진제 역할을 하는 유체로 대체된다는 점을 제외하면 전기 모터(더 정확히는 선형 모터)와 동일한 작동 원리입니다.모든 전자기 장치와 마찬가지로 MHD 가속기는 가역적입니다. 주변 작동 유체가 상대적으로 자기장에 따라 움직이면 전하 분리가 전극과 함께 사용될 수 있는 전위차를 유도합니다. 그러면 장치가 움직이는 부품이 없는 전원으로 작동하여 인신의 운동 에너지를 변환합니다.G 유체를 전기로 변환합니다. MHD 발전기라고 합니다.

크로스필드 자기유체역학 변환기(세그먼트 전극이 있는 선형 패러데이 유형).A: MHD 제너레이터 모드.MHD 액셀러레이터 모드

MHD 변환기의 로렌츠 힘은 단일 절연 하전 입자 또는 고체 전선의 전자에 작용하지 않고 이동 중인 연속 전하 분포에 작용하므로 단위 부피당 힘인 "볼륨 측정" 힘입니다.

여기서 f는 힘 밀도(단위 부피당 힘), θ 전하 밀도(단위 부피당 전하), E는 전기장,[clarification needed] J는 전류 밀도(단위 면적당 전류) 및 B는 자기장입니다.

타이폴로지

MHD 스러스터는 전자기장의 작동 방식에 따라 두 가지 범주로 분류된다.

  • 한 쌍의 전극 사이에 전압이 인가되어 유체 내에 직류가 흐를 때 자기장이 일정할 때 전도 소자.
  • 교류시 유도장치는 와전류로서 급변하는 자기장에 의해 유도된다.이 경우 전극은 필요하지 않습니다.

유도 MHD 가속기는 무전극이기 때문에 전도 시스템(특히 줄 가열, 기포 및 전기 분해의 산화 환원)과 관련된 일반적인 문제를 나타내지 않지만 작동하려면 훨씬 더 강력한 피크 자기장이 필요합니다.이러한 스러스터의 가장 큰 문제 중 하나는 기내에서 사용할 수 있는 에너지가 한정되어 있기 때문에, 유도 MHD 드라이브는 연구소에서 개발되지 않았습니다.

두 시스템 모두 두 가지 주요 설계에 따라 작동 유체를 작동시킬 수 있습니다.

  • 오일이 튜브형 또는 링 모양의 단면으로 이루어진 노즐에서 가속되고 역추진될 때 내부 흐름으로, MHD 상호작용이 파이프 내에 집중됩니다(로켓 또는 제트 엔진과 유사).
  • 오일이 차량의 전체 습윤 영역 주변에서 가속될 때 외부 흐름, 차체를 중심으로 확장되는 전자장.추진력은 껍데기의 압력 분포에서 비롯됩니다(날개의 양력이나 파라메슘과 같은 섬모성 미생물이 어떻게 물을 주위로 이동시키는지).

내부 흐름 시스템은 제한된 볼륨으로 MHD 상호작용을 집중시켜 스텔스 특성을 보존합니다.반대로 외부 현장 시스템은 매우 넓은 주변 수량에 보다 높은 효율로 작용하고 항력을 감소시켜 효율성을 더욱 [11]높입니다.

해상 추진

도쿄의 선박 과학 박물관에서 야마토 1세의 추력 튜브를 통해 본 풍경.전극 플레이트는 위와 아래에 표시됩니다.
도쿄의 선박 과학 박물관의 야마토 I에서 본 스러스터 유닛의 끝 모습.

MHD에는 움직이는 부품이 없기 때문에 좋은 디자인은 조용하고 안정적이며 효율적일 수 있습니다.또한 MHD 설계는 엔진에 의해 직접 구동되는 프로펠러를 통해 드라이브트레인의 마모 및 마찰 부분을 대부분 제거합니다.현재 기술의 문제점으로는 [13][14]엔진으로 구동되는 프로펠러에 비해 비용과 느린 속도가 있습니다.추가 비용은 엔진으로 구동해야 하는 대형 발전기에서 나옵니다.엔진이 직접 프로펠러를 구동하는 경우에는 이러한 대형 발전기가 필요하지 않습니다.

EMS-1이라고 불리는 길이 3미터(10피트)의 잠수함인 최초의 시제품은 1966년 캘리포니아 대학 산타 바바라 기계공학과 교수인 스튜어트 웨이에 의해 설계되고 테스트되었다.웨이스팅하우스 일렉트릭에서 근무하던 중 휴학 중 4학년 학부생들에게 운영부서를 짓도록 배정했습니다.이 MHD 잠수함은 전극과 전자석에 전력을 전달하는 배터리로 작동해 0.015테슬라 자기장을 생성했다.이론적 [19][20][10][11]예측에 따르면 캘리포니아 주 산타바바라 만에서 테스트하는 동안 순항 속도는 초당 약 0.4m였다.

이후 1979년 [21]길이 3.6m의 일본 시제품인 "ST-500"이 최고 0.6m/s의 속도를 달성했다.

1991년, 일본 선박해양재단(현 해양정책연구재단)이 6년간의 연구개발(R&D)을 거쳐 세계 최초의 실물 크기 시제품인 야마토 1호가 완성되었다.이 [2][22]배는 1992년 6월 고베 항에서 최고 시속 15km(8.1kn)의 속도로 10명 이상의 승무원을 성공적으로 태웠다.

소규모 선박 모델은 나중에 실험실에서 광범위하게 제작되고 연구되었으며, 이는 [13][14]선박 터미널 속도의 이론적인 예측과 측정 간의 성공적인 비교로 이어졌다.

수중 MHD 추진에 대한 군사 연구에는 고속 어뢰, 원격 작동 수중 차량(ROV), 자율 수중 차량(AUV), 잠수함 [23]같은 대형 어뢰가 포함되었다.

항공기 추진

다음 항목도 참조하십시오.흐름 제어(유체)

수동 흐름 제어

플라즈마와 차량 주변의 극초음속 흐름의 상호작용에 대한 최초의 연구는 1950년대 후반으로 거슬러 올라가며, 고속 재진입 시 우주 캡슐을 위한 새로운 종류의 열 보호 시스템의 개념을 가지고 있다.저압 공기는 매우 빠른 속도와 고도에서 자연적으로 이온화되기 때문에 전자석에 의해 생성된 자기장의 효과를 이용하여 열융착 차폐를 "자기 실드"로 대체하는 것으로 생각되었다.극초음속 이온화 흐름은 자기장과 상호작용하여 플라즈마에서 와전류를 유발합니다.전류는 자기장과 결합되어 흐름을 거스르는 로렌츠 힘을 주고 차량 전방에서 활 충격파를 분리하여 정체 지점 뒤의 공기의 잔혹한 재압축으로 인한 열 유속을 낮춥니다.이러한 수동 흐름 제어 연구는 아직 진행 중이지만, 대규모 시연기는 아직 [24][25]구축되지 않았다.

액티브 플로우 제어

반대로 MHD 힘장에 의한 능동 흐름 제어는 기류를 국소적으로 가속 또는 감속하는 힘의 직접적이고 명령적인 작용을 수반하며, 기류의 속도, 방향, 압력, 마찰, 열유속 매개변수를 수정하여 재료와 엔진을 응력으로부터 보존하고 극초음속 비행을 가능하게 합니다.그것은 자기유체역학, 자기유체역학 또는 자기유체역학이라고도 불리는 자기유체역학 분야이다. 작동유체는 전기전도성이 되도록 이온화된 공기이기 때문이다.

공기 이온화는 고압 전기 아크 방전, RF(마이크로웨이브) 전자 글로우 방전, 레이저, e-빔 또는 베타트론, 저이온화 포트의 시드 여부와 관계없이 다양한 기술을 사용하여 높은 고도에서 달성됩니다.([26][27]세슘과 같은) 알칼리성 물질이 흐름으로 유입됩니다.

항공학에 적용된 MHD 연구는 극초음속 평면의 영역을 더 높은 마하 체제로 확장하려고 시도한다.

  • 층류 난류를 방지하기 위한 경계층 작용
  • 열제어용 충격파 완화 및 파형 드래그 및 형상 드래그 감소일부 이론적인 연구는 항공기의 습윤 영역에서 유속을 제어할 수 있기 때문에 충분한 [28][29][30]전력을 사용할 경우 충격파가 완전히 취소될 수 있다는 것을 시사한다.
  • 흡기 흐름 [27][31][32]제어
  • MHD 바이패스 [33][34][35][36]시스템을 통해 발전기에 의해 구동되는 배기 노즐의 MHD 가속기 다운스트림과 결합된 MHD 발전기 섹션을 사용하여 스크램젯을 공급하기 위한 기류 속도 감소.

러시아 프로젝트 Ayaks(Ajax)는 MHD 제어 극초음속 항공기 개념의 한 예이다.[17]극초음속 MHD 바이패스 시스템인 극초음속 차량 전력 시스템(HVEPS)을 설계하기 위한 미국 프로그램도 존재합니다.2017년 제너럴 아토믹스(General Atomics)와 테네시 대학 우주 연구소가 미국 공군 [37][38][39]연구소의 후원을 받아 개발 중인 시제품이 완성되었습니다.이 프로젝트들은 차세대 고속 차량에 MHD 가속기를 공급하는 MHD 발전기를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.이러한 MHD 바이패스 시스템은 종종 스크램젯 엔진을 중심으로 설계되지만 터보젯과 아음속 램젯을 [43]함께 설계하는 것도 [40][41][42]고려됩니다.

이러한 연구는 비열약 이온화 가스를 사용하는 자기 레이놀즈 수 ≤ 1의 저항성 MHD 분야를 다루어 액체 중의 MHD보다 시연자의 개발을 훨씬 더 어렵게 한다.자기장이 있는 '콜드 플라스마'는 임계 홀 파라미터에서 발생하는 전열 불안정성을 띠기 때문에 본격적인 개발이 어렵습니다.[44]

전망

MHD 추진은 (부력에 의한) 물이나 (무중력 때문에) 우주에서 지구의 중력에 대항하기 위한 양력을 생산할 필요가 없기 때문에 해양과 우주선의 주요 추진 시스템으로 여겨져 왔다.

그럼에도 불구하고 해결된 전력원의 현재 문제를 고려할 때(예를 들어 아직 누락된 다중 메가와트 소형 핵융합로의 가용성과 함께), MHD 가속기에 의해 소리 없이 구동되는 새로운 종류의 미래 항공기가 이온화되고 수 톤을 끌어올리기에 충분한 공기를 아래로 유도할 수 있다고 상상할 수 있다.외부 흐름 시스템은 습윤 영역 전체의 흐름을 제어하여 고속에서의 열 문제를 제한할 수 있기 때문에 전체 기체가 엔진인 축대칭 차체(실린더, 원뿔, 구체 등) 주위의 로렌츠 힘에 의해 외부 공기가 이온화되고 방사상으로 가속됩니다.상승과 추력은 코안더 [45][46]효과에 의해 유발되는 상부 표면과 하부 표면 사이의 압력 차이의 결과로 발생한다.이러한 반대쪽의 압력차를 극대화하기 위해, 그리고 가장 효율적인 MHD 변환기(높은 홀 효과)는 디스크 모양이기 때문에, 그러한 MHD 항공기는 쌍볼록 렌즈 모양을 취하도록 평탄하게 하는 것이 바람직하다.날개도 없고 공기 흡입식 제트엔진도 없어 기존 항공기와는 전혀 유사하지 않지만 회전날개가 움직이는 부분이 없는 순수 전자기 로터로 대체돼 공기를 아래로 빨아들이는 헬리콥터처럼 움직인다.비행 MHD 디스크의 그러한 개념은 주로 라이트크래프트의 [47][48][49][50][51]Leik Myrabo와 윙리스 전자기 항공기의 Subrata Roy에 [52][53][54]의해 1970년대 중반부터 안전 점검 문헌에서 개발되었다.

이러한 미래 지향적인 비전은 여전히 현대 [55][15][56]기술의 범위를 벗어나 있지만 언론에 광고되고 있다.

우주선 추진

주요 기사 : 플라즈마 추진 엔진
참고 항목: 자기 플라스마나믹 스러스터 및 펄스 유도 스러스터

우주선 추진의 많은 실험 방법들은 자기유체역학에 기초하고 있다.이러한 종류의 MHD 추진은 플라스마(이온화 가스) 형태의 압축성 유체를 포함하므로 자기 가스 역학 또는 자기 플라스마 역학이라고도 합니다.

이러한 전자기 스러스터에서 작동 유체는 대부분 이온화된 히드라진, 제논 또는 리튬입니다.사용하는 추진제에 따라 칼륨이나 세슘 등의 알칼리를 뿌려 전기전도성을 향상시킬 수 있다.플라즈마 내의 모든 대전된 종(양과 음이온에서 자유 전자, 충돌의 영향에 의한 중성 원자)은 로렌츠 힘에 의해 같은 방향으로 가속된다. 로렌츠 "체" 힘은 자기장과 직교 전기장의 결합에서 비롯된다(따라서 "크로스 필드 가속기"라는 이름).ese 필드가 가속 방향에 있지 않습니다.이는 고전압 전장을 따라 쿨롱력을 사용하여 정전기학에 의존하여 양의 이온만을 가속하는 이온 스러스터와의 근본적인 차이입니다.

크로스필드 플라즈마 가속기(사각형 채널 및 로켓 노즐)와 관련된 첫 번째 실험 연구는 1950년대 후반으로 거슬러 올라간다.이러한 시스템은 더 높은 에너지 [57][58][59][60][61][62]밀도를 희생하면서 기존의 화학 로켓과 심지어 현대적인 이온 구동 장치보다 더 큰 추력과 더 높은 특정 임펄스를 제공합니다.

오늘날 크로스필드 가속기 외에도 연구되고 있는 일부 장치에는 로렌츠 힘 가속기(LFA)라고 불리는 자기 플라스마나믹 스러스터와 무전극 펄스 유도 스러스터(PIT)가 포함된다.

오늘날에도 이러한 시스템은 전력 욕구가 많은 전자석, 특히 펄스 유도 전자석을 공급하기에 충분한 에너지 밀도(가설 핵융합로 등)를 제공하는 적절한 소형 동력원이 아직 없기 때문에 우주에서 발사할 준비가 되어 있지 않다.심한 열 흐름에서 전극이 빠르게 제거되는 것도 문제입니다.이러한 이유로, 이러한 종류의 추진기에 대한 첫 번째 연구 이후 60년 이상이 지났지만, 연구는 대부분 이론적인 상태로 남아있고, 실험은 여전히 실험실에서 행해지고 있다.

픽션

작가 클라이브 커슬러가 쓴 오리건 파일 시리즈의 배인 오리건에는 자기유체역학 드라이브가 있습니다.이것은 배가 몇 마일 동안 미끄러지는 대신 매우 빠르게 방향을 틀고 즉시 브레이크를 밟을 수 있게 해준다.발할라 라이징에서 클라이브 커슬러는 니모 선장의 노틸러스의 힘에 같은 드라이브를 씁니다.

The Hunt for Red October의 영화 각색은 자기유체역학 드라이브를 잠수함용 "캐터필러 드라이브"로 대중화시켰는데, 이는 잠수함 전쟁에서 은밀함을 얻기 위한 거의 탐지할 수 없는 "침묵 드라이브"이다.실제로, 물 속을 흐르는 전류는 가스와 소음을 발생시키고, 자기장은 감지 가능한 자기 신호를 유도합니다.영화에서는 이 소리가 지질활동과 혼동될 수 있다는 의견이 나왔다.영화가 각색된 소설에서 레드 옥토버가 사용한 애벌레는 사실 소위 "터널 드라이브" 타입의 펌프 제트였다. (터널은 프로펠러로부터의 캐비테이션에 음향 위장을 제공했다).

벤 보바의 소설 "The Success"에서, 소행성 벨트의 탐사와 채굴이 실현 가능하고 잠재적으로 이익이 된다는 것을 증명하기 위해 만들어진 스타파워 1호는 핵융합 발전소에 자기유체역학 드라이브를 결합시켰다.

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레퍼런스

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