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La magnétoaérodynamique (MAD) est un domaine particulier de la magnétohydrodynamique (MHD) dont le but est le contrôle de l'écoulement gazeux par des forces électromagnétiques (dites forces de Lorentz) afin de rendre possible le vol atmosphérique à vitesse hypersonique. On trouve aussi parfois le terme synonyme MHD-gaz[1].
Introduction[modifier | modifier le code]
La MAD ou MHD-gaz est une science à la croisée de plusieurs disciplines : mécanique des fluides, aérodynamique, électromagnétisme et physique des plasmas.
La physique des plasmas est au coeur de la MAD : l'air est un isolant. Pour y appliquer des forces de Lorentz et que celles-ci puissent agir sur le gaz, il faut préalablement rendre cet air conducteur de l'électricité en le ionisant, ce qui peut être réalisé par différents moyens (micro-ondes à 3 GHz, THT, faisceaux d'électrons ou laser, rayonnement ionisant). Un gaz ionisé est appelé un plasma.
Ces gaz faiblement ionisés sont dans ce cas des plasmas froids, placés en présence de champs magnétiques intenses. L'étude de ces interactions concerne une branche de la MHD dite à faible nombre de Reynolds magnétique (moins documentée et fondamentalement plus complexe que la "MHD des plasmas chauds" à fort nombre de Reynolds magnétique, à l'oeuvre par exemple en astrophysique et dans les plasmas thermonucléaires). Ainsi un "plasma bitempérature" sous paramètre de Hall élevé (quand le champ magnétique est intense) dans un convertisseur MHD est le siège du phénomène d'instabilité électrothermique difficile à maîtriser.
La MHD-gaz a fait l'objet de recherches très actives dans les pays industrialisés des années 1960 à 1970, mais a été ensuite abandonnée face aux obstacles techniques tels cette instabilité électrothermique ou la masse trop importante des électroaimants à embarquer (à l'exception notable des États-Unis et de la Russie, qui dispose depuis les années 1970 du seul générateur MHD-gaz fonctionnel au monde[2]).
Néanmoins, depuis le début du XXIe siècle, les recherches sur la magnétoaérodynamique liées aux applications propulsives reprennent activement dans plusieurs pays, dont la France[3], grâce à la puissance accrue des systèmes de calcul informatique permettant des modélisations pointues des phénomènes microscopiques et macroscopiques en jeu, ainsi que la disponibilité d'électroaimants supraconducteurs de plus en plus performants.
Applications[modifier | modifier le code]
La MAD offre plusieurs solutions pour le vol atmosphérique à vitesses supersonique et hypersonique, principalement pour se prémunir contre le mur du son et le mur de la chaleur. Ces recherches théoriques et expérimentales sont regroupées sous le terme anglais de "flow-control MHD" (contrôle actif de l'écoulement gazeux par accélérations ou freinages MHD localisés) :
- Bouclier MHD : ralentissement progressif des capsules spatiales et protection de la paroi contre l'échauffement en phase de rentrée atmosphérique[4].
- Pontage MHD (MHD-bypass) : propulsion conventionnelle assistée par MHD, où l'air est progressivement ralenti jusqu'à l'entrée de moteurs à réaction (processus qui génère également de l'énergie, par conversion MHD) ; et réaccélération des gaz en sortie de tuyère (thème de l'avion hypersonique russe Ajax).
- Écoulement externe : réduction ou suppression des ondes de choc, des traînées de frottement, de sillage et d'onde, par accélération ou freinage MHD sur toute ou partie des surfaces en contact avec l'air.
Voir aussi[modifier | modifier le code]
Articles connexes[modifier | modifier le code]
Liens externes[modifier | modifier le code]
- La MHD, état de l'art et premières expériences probatoires d'application propulsive, Note technique n°19/0273CT/GEPAN, CNES, 17 novembre 1981.
- Réseau "Plasmas Froids" du CNRS créé en 2001.
- DMPH : Département mesures physiques de l'ONERA situé à Palaiseau, conçoit les dispositifs d'ionisation de l'air.
- DAFE : Département aérodynamique fondamentale et expérimentale de l'ONERA situé à Chalais-Meudon, étudie les interactions des plasmas en écoulements supersoniques.
Notes[modifier | modifier le code]
- Ainsi que les termes anglais : MHD (magnetohydrodynamics) ; MAD (magnetoaerodynamics) ; MFD (magneto-fluid-dynamics) ; MPD (magnetoplasmadynamics) ou encore MGD (magnetogasdynamics).
- Lire l'article Les Russes sur le point de gagner le bataille de la MHD paru dans Science & Vie n° 685 en octobre 1974.
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En juin 2002, la France se dote à nouveau des compétences sur les plasmas froids sans champ magnétique (études préliminaires de 2003 à 2007) et la MAD (à partir de 2008) en créant un pôle de compétitivité dédié regroupant une quarantaine de laboratoires travaillant en synergie. Voir les articles parus dans la revue Air & Cosmos sur cette réorganisation à l'échelle nationale :
- 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.
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Voir les premiers rapports de la NASA sur la rentrée atmosphérique MHD :
- (en) Flight Magnetohydrodynamics, A. R. Kantrowitz, AVCO Research Report, 51, mars 1959 ; et On the use of magnetohydrodynamics during high speed re-entry, P. O. Jarvinen, NASA CR-206, AVCO Contract Report, avril 1965.
- La Darpa veut un démonstrateur de rentrée MHD, Air & Cosmos, n°1904, pp. 20-21, 19 septembre 2003.
- 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.
- (en) Flight Magnetohydrodynamics, A. R. Kantrowitz, AVCO Research Report, 51, mars 1959 ; et On the use of magnetohydrodynamics during high speed re-entry, P. O. Jarvinen, NASA CR-206, AVCO Contract Report, avril 1965.