Data: 21/11/2010Local: Relatório preparado para a Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA
DIA, 2010: estudo do AAWSAP avalia motores e energia por plasma e MHD e vê uso próximo só na reentrada e no espaço
O DIRD de 21 de novembro de 2010 revisa propulsão e geração de energia por plasma e magnetohidrodinâmica para veículos aeroespaciais. Conclui que o MHD em ar frio, abaixo de Mach 12, é impraticável, e vê aplicações próximas na reentrada, em planadores hipersônicos e na propulsão elétrica de espaçonaves.
- Data do evento
- 21/11/2010
- Local
- Relatório preparado para a Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) da DIA, Washington, D.C., EUA
- Tema
- História da investigação
- Órgãos das fontes
- DOW
- Documentos
- 1 documento · 32 páginas
- Leitura
- 79 min
Figura técnicaPágina física 20FONTES DOCUMENTAIS · DOW
O que os registros contam
Este é um estudo técnico de engenharia, não um relato de avistamento. O Documento de Referência de Inteligência de Defesa DIA-08-1011-006, intitulado “MHD Air Breathing Propulsion and Power for Aerospace Applications” (propulsão e energia aspirantes de ar por MHD para aplicações aeroespaciais), tem data de 21 de novembro de 2010 e data de corte (ICOD) de 20 de julho de 2010. Foi preparado pela Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa dos EUA (DIA), na série Defense Futures. Os dois autores aparecem como “AAP Person 86” e “AAP Person 87”, pseudônimos que substituem os nomes.
A folha de expediente diz que o texto é um dos relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2010 no programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados, o AAWSA (AAWSAP), e que fornece informação de referência “não substantiva, porém autorizada”. O próprio documento não traz a justificativa da encomenda além de situá-lo nessa série e de apontar, no resumo e na conclusão, o interesse para a defesa nacional e o risco de que China, Japão e Rússia desenvolvam as mesmas tecnologias. O texto não menciona UFOs, UAPs nem engenharia reversa.
O estudo revisa o uso de plasmas fracamente ionizados e da magnetohidrodinâmica (MHD), isto é, da interação de um gás eletricamente condutor com campos elétricos e magnéticos, para gerar energia e propulsão. Primeiro compara foguetes químicos, limitados pela energia dos reagentes, com propulsores elétricos, limitados pela potência disponível, e descreve os propulsores eletrotérmicos, eletrostáticos e eletromagnéticos. A seguir, trata de motores aspirantes de ar de alta velocidade, em que o gás ionizado poderia aquecer o escoamento, criar superfícies “virtuais” para reduzir o arrasto e fornecer eletricidade sem partes móveis.
A avaliação dos autores é sóbria. Em números de Mach abaixo de cerca de 12, o ar é frio demais para conduzir eletricidade e precisaria ser ionizado de forma contínua e artificial, com feixes de elétrons ou pulsos de alta tensão, a um custo de energia, peso e complexidade que, segundo eles, tornaria os sistemas MHD de propulsão praticamente impossíveis. O conceito russo Ajax, de bypass de energia por MHD, é julgado “sem significado” abaixo de Mach 12, com ganho de poucos por cento que desapareceria em análise realista. Como alternativa, apresentam o “bypass reverso de energia” com cowl virtual, que estimam poder elevar o empuxo em 20% a 30% em certas condições.
Os usos considerados promissores no futuro próximo são a reentrada, planadores hipersônicos de ataque global e manobras orbitais aeroassistidas, em que o ar já está quente o bastante para ionizar-se e um campo magnético modesto bastaria. Os autores estimam que Rússia, China e Japão poderiam desenvolver tais tecnologias em alguns anos e implantá-las em cerca de dez. Para espaçonaves, preveem que a propulsão elétrica se torne padrão e que potências altas levem a rever reatores nucleares de fissão no espaço. Essas são avaliações dos autores, com o conhecimento de 2010, e as figuras de motores e satélites são ilustrações e fotografias de laboratórios e empresas citadas nas legendas.
No conjunto do AAWSAP, este DIRD pertence ao grupo de estudos de propulsão avançada que partem de física conhecida, ao lado de relatórios mais especulativos do mesmo programa. Aqui o horizonte é o de tecnologias de plasma e MHD ainda em pesquisa, com aplicações aeronáuticas em Mach alto e espaciais de eletropropulsão, e não o de física de ruptura. O documento termina com 55 notas finais de artigos científicos e relatórios técnicos, sobretudo de pesquisadores de universidades americanas, da NASA e de grupos russos, que sustentam as conclusões.
LEITURA DIRETA DO ARQUIVO
O documento, em português
Todas as 32 páginas do documento foram traduzidas na íntegra, em blocos de uma página, incluindo capa, expediente, sumário e figuras. As fórmulas e equações foram reproduzidas na notação original. Nas notas finais (páginas 30 a 32), foram traduzidos só os elementos descritivos; os títulos de obras em inglês aparecem como “[referências bibliográficas no original]”. Os rótulos de figuras aparecem entre colchetes.
TRECHO 1 · PÁGINA FÍSICA 1
página inteira
21 de novembro de 2010
ICOD: 20 de julho de 2010
DIA-08-1011-006
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
Documento de Referência de Inteligência de Defesa
Defense Futures
Propulsão e Energia Aspirantes de Ar por MHD para Aplicações Aeroespaciais
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)Nota editorial: Capa do Documento de Referência de Inteligência de Defesa da DIA, de 21 de novembro de 2010, sobre propulsão e geração de energia por magnetohidrodinâmica.
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21 November 2010
ICOD: 20 July 2010
DIA -08-1011-006
UNCLASSIFIED/ /FOR 0551~1.ltk WO& 8HL'f
Defense
Intelligence
Reference
Document
Defense Futures
MHD Air Breathing Propulsion
and Power for Aerospace
Applications
UNCLASSIFIED/ /FQR 8FFl@IJltt tJ9~ 814LiConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 1, contando a capa.
TRECHO 2 · PÁGINA FÍSICA 10
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
empuxo (F_th) é produzido a partir de cada unidade de massa de propelente. A eficiência de empuxo (η) é uma medida de quanto da potência/energia disponível resulta em energia cinética dirigida (potência de empuxo) no escoamento. A densidade de empuxo é uma medida de quanto empuxo é produzido por unidade de área da seção transversal, A_c (área perpendicular à direção do escoamento). Embora a densidade de empuxo seja uma questão de acondicionamento para espaçonaves, ela é crítica para veículos aéreos, nos quais há arrasto. A razão empuxo-potência mede a eficiência de aceleração. Tradicionalmente existe uma troca entre a eficiência do combustível/propelente e a razão empuxo-potência (velocidade versus economia). O parâmetro final é a razão massa (ou peso) específica por potência. Na maioria dos casos as eficiências melhoram com o tamanho do sistema (economia de escala).
As medidas de desempenho são fundamentalmente diferentes entre sistemas aspirantes de ar e foguetes, em razão da entrada de ar do sistema aspirante de ar.
Foguete
F_TH = ṁ_e u_e + A_e (P_e − P_amb)
= ṁ_e [ u_e + (P_e − P_amb) A_e / ṁ_e ]
= ṁ_e u_eq
I_SP ≡ Empuxo / vazão em peso do propelente
= F_th / (ṁ_e g_0) = u_eq / g_0
P_jet = 1/2 ṁ_e u_eq² = 1/2 F_th I_SP g_0
η ≡ P_jet / P_elect = F_th I_SP g_0 / (2 P_elect) = 1/2 ṁ_e u_eq² / P_elect
Aspirante de ar
F_TH = ṁ_e u_e − ṁ_a u + A_e (P_e − P_amb)
= ṁ_a [ (1 + f) u_e − u ] + A_e (P_e − P_amb)
ṁ_e = ṁ_f + ṁ_a ; f = ṁ_f / ṁ_a
I_SP ≡ Empuxo / vazão em peso do combustível = F_th / (ṁ_f g_0)
TSFC ≡ vazão em massa de combustível / Empuxo = ṁ_f / F_th
P_jet = 1/2 ( ṁ_e u_eq² − ṁ_a u² )
η ≡ P_jet / P_elect = 1/2 ( ṁ_e u_eq² − ṁ_a u² ) / P_elect
Acima, ṁ_a é a vazão em massa do ar, ṁ_f é a vazão em massa do combustível, ṁ_e é a vazão em massa de saída, g_0 é a aceleração da gravidade (ponto de referência, Terra), u_e é a velocidade de saída do bocal, u é a velocidade de voo/do veículo, u_eq é a velocidade de saída equivalente, A_e é a área da seção transversal de saída do bocal, P_e é a pressão de saída do bocal
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
6Nota editorial: Página de fórmulas que comparam empuxo, impulso específico, potência do jato e eficiência de foguetes e de sistemas aspirantes de ar.
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UNCLASSIFIED/ /FAR OFFICI CIs. W&i e .. tv
thrust (Fth) is produced from each mass unit of propellant. The thrust efficiency
(ll ) is a measure of how much of the power/energy tha t is available results in
directed kinet ic energy (thrust power) in the flow. The thrust density is a
measure of how much thrust is produced per unit cross-sectional area, Ac (area
perpendicular to the flow direct ion). Although the thrust density is a packaging
issue for spacecraft, it is critical for air vehicles where drag is present. The
thrust -to-power measures the accelerat ion efficiency. Traditiona lly a trade exists
between fuel/propellant efficiency and thrust-to-power (speed vs. economy). The
fina l parameter is the specific mass or weight (mass)-to-power ratio. In most
cases the efficiencies improve with the size of the system (economy of scale).
Measures of performance are fundamenta lly d ifferent between air-breathing and
rocket systems due to the inlet on the air-breathing system .
Rocket Air-Breathing
FIB = m, ue - m(/ u + A e (Pe - panil )
= ,,;J(l +f)u.- u] + A. (P. - P anti )
= Thrust I = _ F....=lh'--Thrust l sp - ---------- SP -
fuel weight flow rate pro peJlant weight flo w r ate
F,h u cq
= =
0
m, go o o fuel mass flow rate __ mJTSFC = ------
Thrust F111
.
p jel = 1/2 m, u;q = 1/2 F,1, ISP 8 0
. p 1/2 ( ,,;, u;q _,,;au2)
1] = ½ ·er = F,h l sp 8 0 _ 112 m, u;q 1] =___!!!_ = ---'----- -'--
P,,/ect 2 P,,, ,cr P ,/ec, P e,ec/ P,,,c,
Above, m0 is the mass flow rate of the air, mI is the mass flow rate of the fuel,
m, is the exit flow rate, go is the accelerat ion of gravity (reference point, Earth),
Ue is the nozzle exit velocity, u is the flight/vehicle velocity, Ueq is the equivalent
exit velocity, Ae is the nozzle exit cross-sectional area, Pe is the nozzle exit
UNCLASSIFIED/Peft. err1e1111t ~9E 8,.L?/
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TRECHO 3 · PÁGINA FÍSICA 11
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
P_amb é a pressão ambiente, P_jet é a potência cinética do jato (potência de empuxo) produzida pelo motor, e P_elect é a potência elétrica (ou de outra fonte externa) fornecida ao sistema de propulsão. Nos sistemas aspirantes de ar, a vazão em massa do combustível é muito pequena em relação à vazão em massa do ar.
Note-se que um sistema aspirante de ar nunca pode voar mais rápido que sua velocidade de exaustão. Os foguetes, por levarem um oxidante a bordo, não têm essa restrição e, portanto, não têm limites de velocidade de voo. A potência do jato dos motores aspirantes de ar de alta velocidade é maior que a potência equivalente do jato de um foguete por causa da entrada de ar, e é a diferença de dois números grandes.
São exigidos grandes níveis de potência em aeronaves e veículos de lançamento. Por exemplo, um SR-71 em cruzeiro a Mach 3,2 produz um empuxo de 24.700 lbf (110 kN) e uma potência de jato de 104 MW. O empuxo na subida e em manobras é muito maior. De modo semelhante, um motor-foguete RL10 produz 15.000 lbf (66,7 kN) de empuxo com Isp de 433 segundos e tem potência de jato de 142 MW. Em comparação, o sistema de propulsão de um porta-aviões nuclear da classe Nimitz é de 194 MW, e a represa Hoover produz cerca de 2.000 MW. Portanto, qualquer sistema elétrico que substitua essas aplicações precisa ser capaz de processar muita potência.
Os sistemas de propulsão de espaçonaves são tipicamente de centenas de watts a dezenas de kW. Isso, somado a questões de peso do grupo gerador, é uma razão primária pela qual sistemas de propulsão elétrica são hoje usados em espaçonaves e não em aeronaves. Historicamente, os propulsores elétricos para espaçonaves estavam disponíveis para voo décadas antes dos sistemas de energia.12
Figura 1. Propulsor arcjet eletrotérmico. Fotografia de um propulsor arcjet de 30 kW sendo testado no Jet Propulsion Laboratory.13
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7Nota editorial: Fecha as fórmulas, compara potências de aeronaves, foguetes e usinas e traz a Figura 1, fotografia de um propulsor arcjet de 30 kW em teste no JPL.
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UNCLASSIFIED/ /POI\ orr1e1At WSE 8Ptk¥
pressure, Pamb is the ambient/environmental pressure, Pj et is the jet-kinetic
power (thrust power) produced by the engine, and Peiect is the electrical (or other
external source) power supplied to the propulsion system. For air-breathing
systems the mass flow rate of the fuel is very small relative to the mass flow
rate of the air.
Note that an air-breathing system can never fly faster than its exhaust velocity.
Rockets, because they carry an onboard oxidizer, do not have this restrict ion
and, therefore, have no flight-speed limits. The jet power for high-speed air
breathing engines is larger than the equivalent jet power for a rocket due to the
inlet and is the difference of two large numbers.
Large power levels are required for aircraft and launch vehicles . For example, an
SR-71 cruising at Mach 3.2 produces a thrust of 24,700 lbf (110 kN) and a jet
power of 104 MW. Climb and maneuver thrust is much higher. Similarly, an RL10
rocket engine produces 15,000 lbf (66.7 kN) thrust at an l sp of 433 seconds, and
has a jet power of 142 MW. By comparison, a Nimitz class nuclear aircraft carr ier
propulsion system is 194 MW, and the Hoover
dam produces about 2000 MW. Therefore, any
electric system replacing these applicat ions must
be capable of processing a lot of power.
Spacecraft propulsion systems are typically
hundreds of watts to tens of kW. This, in addition
to powerplant weight issues, is a primary reason
why electric propulsion systems are currently
being used on spacecraft and not on aircraft.
Historically, electr ic thrusters for spacecraft were
available for flight decades before the power
systems. 12
Figure 1. Electrothermal Arcjet
Thruster. Photograph of a 30-kW
arcjet thruster being tested at the
Jet Propulsion Laboratory .13
UNCLASSIFIED/f8R 8ffl@lsld:. WSE 8Ptklf
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TRECHO 4 · PÁGINA FÍSICA 12
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Os propulsores eletrotérmicos usam energia elétrica para aquecer o propelente e adicionar entalpia. Isso pode ser feito por simples aquecimento resistivo ou fazendo o gás propelente passar por uma descarga de arco de plasma. O plasma pode ser gerado por uma descarga de alta corrente ou pela absorção de micro-ondas. O gás quente pressurizado é então acelerado para fora do propulsor por um bocal gasodinâmico convencional convergente-divergente. Um exemplo de propulsor aquecido por arco elétrico, ou propulsor arcjet, é mostrado na Figura 1.
Os propulsores eletrostáticos usam um campo elétrico estático aplicado para acelerar íons do propelente. Campos elétricos intensos são criados no motor e então aceleram os íons (positivos) a altas velocidades. O campo acelerador pode ser aplicado por grades físicas, como as usadas em motores iônicos, ou por "grades virtuais" geradas por um campo magnético aplicado que aprisiona os elétrons, como nos propulsores de efeito Hall. Uma fotografia do motor iônico da NASA usado na espaçonave Deep Space One é mostrada na Figura 2. Embora propulsores eletrostáticos com grades, como os iônicos, sejam capazes de valores muito altos de Isp (1.000 a >20.000 segundos), eles têm densidades de empuxo muito baixas (1-5 N/m²) por causa do limite de corrente de carga espacial no sistema acelerador. Os propulsores de efeito Hall não têm esse limite de carga espacial, mas também têm limites de densidade de empuxo devido à geometria anular (dezenas de N/m²). Os níveis típicos de potência vão de watts a 50 kW.
Na orientação de campo Hall, o campo elétrico faz os elétrons fluírem a montante e os íons derivarem em direção à exaustão, como mostrado na Figura 3.15 Elétrons e íons transferem quantidades iguais e opostas de momento ao ar, resultando em empuxo nulo quando não há campo magnético. No entanto, com a aplicação de um campo magnético transversal, o fluxo de elétrons para a frente é retardado, enquanto o fluxo de íons para trás é quase inalterado. Em consequência, há uma transferência líquida de momento que resulta em empuxo sobre o veículo.
Figura 2. Propulsores iônicos eletrostáticos com grades. Fotografia de um propulsor iônico com grades de 30 cm de diâmetro sendo testado no Jet Propulsion Laboratory.14
[esquema com a indicação do campo E e o rótulo "Orientação de campo Hall"]
Figura 3. Orientação de campos para sistemas de campo Hall e propulsor Hall PS. Esquerda: a figura mostra a orientação de campo Hall. Direita: propulsor de efeito Hall PS sendo testado na Universidade de Michigan.
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8Nota editorial: Descreve os propulsores eletrotérmicos, eletrostáticos e de efeito Hall; traz fotografias de um propulsor iônico com grades e de um propulsor Hall (Figuras 2 e 3).
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UNCLASSIFIED/ /FOR 055iliCl.t.k WSE 8HL'f
Electrothermal thrusters use electric energy to
heat the propellant and add additional enthalpy.
This can be done with simple resistive heating or
by passing the propellant gas through an arc
plasma discharge. The plasma can be generated
through a high-current discharge or by
absorption of microwaves. The hot pressurized
gas is then accelerated out of the thruster using
a conventional converging-diverging gas-dynamic
nozzle. An example of an electric arc heated
thruster or arcjet thruster is shown in Figure 1.
Electrostatic thrusters use an applied static
electric field to accelerate propellant ions. Strong
electric fields are created in the engine which
then accelerate the (positive) ions to high velo
cities. The accelerating field can be applied using physical grids such as those
used in ion engines or using "virtual grids" generated by an applied magnetic
field that traps the electrons as is done in Hall-effect thrusters. A photograph of
the NASA ion engine used on the Deep Space One spacecrah is shown in Figure
2. While gridded electrostatic thrusters like ion thrusters are cap-
able of very high l sp (1,000 to >20,000 seconds) values they have very low
thrust densities ( 1-5 N/m 2) due to the space-charge current limit in the
accelerator system. Hall-effect thrusters do not have this space-charge limit but
also have thrust density limits due to the annular geometry (tens of N/m 2).
Typical power levels are from watts to 50 kW.
In the Hall field orientation, the electric field causes electrons to flow upstream
and the ions to drih toward the exhaust as shown in Figure 3.15 The electrons
and ions transfer equal and opposite amounts of momentum to the air, resulting
in zero thrust when no magnetic field is present. However, with the application of
a transverse magnetic field, the forward flow of electrons is slowed while the ah
flow of ions is nearly unaffected. Consequently, there is a net momentum
transfer resulting in thrust on the vehicle.
Figure 2. Electrostatic Gridded
Ion Thrusters. Photo-
graph of a gridded 30 cm diam
eter ion thruster being tested at
the Jet Propulsion Laboratory .14
E
Hall Field
Orientation
Figure 3. Field Orientation for Hall Field Systems and PS Hall Thruster. Left: Figure
shows the Hall field orientation. Right : PS Hall Effect thruster being tested at the University of
Michigan.
UNCLASSIFIEDff8fl 8ffl@IIIIL ~BE 8HLY
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TRECHO 5 · PÁGINA FÍSICA 13
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Os propulsores eletromagnéticos usam forças de corpo eletromagnéticas (ExB), ou força de Lorentz, para acelerar um plasma propelente, como mostrado na Figura 4.16,17 O campo elétrico é aplicado por eletrodos dentro do propulsor. A força de Lorentz, ou ExB, acelera na mesma direção tanto os íons de carga positiva quanto os elétrons ou íons negativos de carga negativa. O campo magnético pode ser aplicado externamente (propulsor de campo aplicado) ou gerado por uma descarga de plasma de corrente muito alta (tipicamente milhares de ampères) (propulsor de campo próprio). A corrente também serve para ionizar o propelente. É a interação dos campos elétrico e magnético que empurra o plasma para fora do propulsor em alta velocidade, por meio da força de Lorentz, que age perpendicularmente aos campos elétrico e magnético. Os propulsores eletromagnéticos de espaçonaves são capazes de processar densidades de potência muito mais altas (50 kW a dezenas de MW) e densidades de empuxo muito mais altas do que os propulsores eletrostáticos (centenas a milhares de N/m²).
[esquema: "Orientação de campo de Faraday"; eixos E, B e ExB]
Figura 4. Configuração de campos do acelerador eletromagnético e propulsores eletromagnéticos espaciais de campo próprio. Esquerda: ilustração da configuração dos campos elétrico e magnético. Centro: fotografia de um propulsor magnetoplasmadinâmico (MPD) pulsado, da classe de MW, sendo testado na Universidade de Princeton. Direita: fotografia de um propulsor MPD de regime permanente de 50 kW sendo testado na Universidade de Princeton.
Um exemplo de sistema acelerador eletromagnético aspirante de ar para voo de alta velocidade e grande altitude é mostrado na Figura 5. O ar entra pela entrada à esquerda. A seção central tanto acelera o escoamento por forças de corpo eletromagnéticas quanto aquece o gás por aquecimento ôhmico. O gás é então acelerado ainda mais por um bocal gasodinâmico divergente.
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9Nota editorial: Descreve os propulsores eletromagnéticos e traz a Figura 4, com esquema de campos e fotografias de dois propulsores magnetoplasmadinâmicos testados em Princeton.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFl&IAk WSE 8HLV
Electromagnetic thrusters use electromagnetic body forces (ExB) of Lorentz
force to accelerate a propellant plasma as shown in Figure 4. 16, 17 The electric
field is applied using electrodes within the thruster. The Lorentz or ExB force
accelerates both positively charged ions and negative ly charged electrons or
negative ions in the same direction. The magnetic field can either be applied
externally (applied field thruster) or generated by a very high current (typically
thousands of amps) plasma discharge (self-field thruster). The current also
serves to ionize the propellant. It is the interaction of the electric and magnetic
fields that pushes the plasma out of the thruster at high velocity via the Lorentz
force that acts mutually perpendicular to the electric and magnetic fields.
Spacecraft electromagnetic thrusters are capable of processing much higher
power densities (SO kW to tens of MW) and much higher thrust densities than
electrostatic thrusters (hundreds to thousands of N/m 2).
U1n
Faraday
Field
Orientation
0..
E
ExB
Figure 4. Electromagnetic Accelerator Field Configuration and Self-Field
Electromagnetic Spacecraft Thrusters. Left: Illustration of the electric and magnetic field
configuration. Center: Photograph of a MW-class pulsed magnetoplasmadynamic (MPD)
thruster being tested at Princeton University . Right: Photograph of a 50-kW steady-state MPD
thruster being tested at Princeton University .
An example of an air-breathing electromagnetic accelerator system for high
speed and high-altitude flig ht is shown in Figure 5. Air enters through the inlet
on the left . The center section both accelerates the flow via electromagnetic body
forces and heats the gas through Ohmic heating. The gas is then further
accelerated using a diverging gas-dynamic nozzle.
UNCLASSIFIED/,50B AFFIGilrAk Wlili 8HLY
9Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 13, contando a capa.
TRECHO 6 · PÁGINA FÍSICA 14
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Figura 5. Motor MHD aspirante de ar. Ilustração de um conceito de motor MHD aspirante de ar de alta velocidade e (no detalhe) fotografia do experimento de prova de conceito em operação, em estudo pela Lockheed Martin Aeronautics.
Notamos aqui que, em sua primeira lista das 10 principais tecnologias aeroespaciais emergentes, divulgada em 2009, o Instituto Americano de Aeronáutica e Astronáutica (AIAA) incluiu duas tecnologias de plasma: atuadores de plasma para controle ativo do escoamento e tecnologias avançadas de propulsão espacial baseadas em plasma.
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10Nota editorial: Figura 5: desenho de um motor MHD aspirante de ar e fotografia de um experimento de prova de conceito da Lockheed Martin; cita a lista de tecnologias emergentes do AIAA.
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UNCLASSIFIED/ /FOA OFFI@IAL ~S!! 8HL I
Figure 5. Air-Breathing MHD Engine. An illustrat ion of a conceptual high-speed air
breath ing MHD engine and (insert) a photograph of the operating proof-of-concept
experiment being investigated by Lockheed Martin Aeronautics .
We note here that in its first-ever list of top 10 emerging aerospace
technologies, released in 2009, the American Institute of Aeronautics and
Astronautics (AIAA) included two plasma technologies: plasma actuators for
active flow control and plasma-based advanced space propulsion technologies.
UNCLASSIFIED/F&R 8FFl@IAL ~!JC 811L I
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TRECHO 7 · PÁGINA FÍSICA 15
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Capítulo 2: Aplicações aeronáuticas - conceitos e questões de sistema
Nesta seção revisaremos as seguintes questões e conceitos:
• Princípios básicos e problemas da propulsão MHD, da geração de energia e do controle do escoamento.
• Controle MHD da entrada de ar.
• Geração de energia MHD no percurso do escoamento de um scramjet.
• Superfícies virtuais geradas por plasma para redução de arrasto, esterçamento e cowl virtual.
• Bypass de energia MHD: o conceito Ajax.
• O conceito de bypass reverso de energia.
• Geração de energia MHD e controle aerodinâmico para veículos de reentrada.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DA MAGNETOHIDRODINÂMICA E REQUISITOS DE DESEMPENHO DE MHD
Os princípios básicos da magnetohidrodinâmica (MHD) são muito bem compreendidos. Quando um fluido eletricamente condutor cruza linhas de campo magnético, uma força eletromotriz (f.e.m. de Faraday, igual ao produto da velocidade do escoamento u pela intensidade do campo magnético B, uB, multiplicado pela largura do canal) é induzida através do fluido e do campo B. Se então um par de eletrodos é posicionado em lados opostos do escoamento do fluido e ligado, por fora, a um resistor de lastro, uma corrente elétrica será induzida no circuito e será gerada potência na carga externa. Essa potência elétrica representará a conversão parcial da entalpia do escoamento (formada pela energia térmica e cinética do escoamento) em eletricidade. Ao mesmo tempo, a corrente que passa pelo fluido de condutividade finita produzirá aquecimento Joule a do fluido, que aumentará tanto a temperatura estática quanto a entropia do fluido.
A razão entre a potência elétrica extraída e a taxa de dissipação Joule é determinada pela razão entre a resistência da carga e a soma das resistências da carga e do fluido; essa razão é chamada de "fator de carga", k, 0<k<1.
A corrente (densidade de corrente j) induzida no fluido, sendo normal tanto ao campo magnético B quanto à direção do escoamento, resulta numa força de corpo por unidade de volume igual a jxB e dirigida contra o escoamento. Essa força de corpo, comumente chamada de "força de Lorentz" (deveria ser chamada propriamente de força de Ampère ou força ponderomotriz), é dirigida contra o escoamento nos geradores MHD, agindo para desacelerar o escoamento e reduzir sua energia total, o que está de acordo com a extração de eletricidade.
a O aquecimento Joule, dado pela expressão Q = I²Rt (Q é o calor gerado por uma corrente constante, I, que flui por um condutor de resistência elétrica R durante um tempo t), é o processo pelo qual a passagem de uma corrente elétrica por um condutor libera calor. Se a corrente, a resistência e o tempo são expressos em ampères, ohms e segundos, respectivamente, a unidade de Q é o joule. O aumento da energia cinética ou colisional vibracional dos íons e elétrons manifesta-se como calor e elevação da temperatura do condutor. Em vez de um fio, o condutor nesta aplicação é um fluido ionizado.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
11Nota editorial: Abre o capítulo 2: lista os temas e explica o gerador MHD, a f.e.m. de Faraday, o fator de carga, o aquecimento Joule e a força que se opõe ao escoamento.
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UNCLASSIFIED/ /FOR Offl@IA:L tt.!l! Dflt I
Chapter 2: Aeronautical Applications - Concepts and
System Issues
In this section we will review the following issues and concepts:
• Basic principles and problems of MHD propulsion, power generation, and flow
control .
• MHD inlet control.
• MHD power generation in scramjet flowpath.
• Plasma-generated virtual surfaces for drag reduction, steering, and virtual
cowl.
• MHD energy bypass: the Ajax concept .
• The reverse energy bypass concept.
• MHD power generation and aerodynamic control for reentry vehicles.
BASIC PRINCIPLES OF MAGNETOHYDRODYNAMICS AND
REQUIREMENTS FOR MHD PERFORMANCE
The basic principles of magnetohydrodynamics (MHD) are understood very well.
When an electrically conducting fluid crosses magnetic field lines, an
electromotive force (Faraday e.m.f., equal to the product of flow velocity u and
the strength of magnetic field B, uB, multiplied by the channel width) is induced
across the fluid and the B field. If then a pair of electrodes is positioned on either
side of the fluid flow and connected via a ballast resistor on the outside, an
electric current will be induced in the circuit, and power will be generated on the
external load. This electric power will represent partial conversion of the flow
enthalpy (consisting of thermal and kinetic energy of the flow) into electricity. At
the same time, the current flowing through the finite -conductivity fluid will
produce Joule heating a of the flu id that will increase both static temperature and
entropy of the fluid.
The ratio of the extracted electrical power to the Joule dissipation rate is
determined by the ratio of the load resistance to the sum of load and fluid
resistances; this ratio is called the "load factor," k, O<k<l.
The current (current density j) induced in the fluid, being normal to both the
magnetic field B and the flow direction, results in the body force per unit volume
equal to jxB and directed against the flow. This body force, commonly called the
"Lorentz force" (it should be properly called the ampere force or the
ponderomotive force), is directed against the flow in MHD generators, acting to
slow the flow down and reduce its total energy, which is in line with the
electricity extrac t ion.
a Joule heating , given by the expression, Q=l 2Rt, (Q is the beat generated by a constant current, l, flowing
through a cond uctor of electrical resistance, R, for a time, t), is the process by wbjch the passage of an
electric current thro ugh a conductor releases heat. If curren t, resistance, and time are expresse d in amperes ,
ohms, and seconds respectively , the unit of Q is the joule. The increase in the kinetic or vibrational
collisional energy of the ions and electro ns manifests itself as heat and a rise in the temperature of the
cond uctor. Rather than a wire, the conductor in this app.lication is an ionized fl uid.
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De modo semelhante, se uma fonte de tensão (por exemplo, uma bateria) é ligada aos eletrodos colocados em lados opostos do escoamento, de modo que a f.e.m. aplicada atue contra a f.e.m. de Faraday induzida, então a corrente fluirá no sentido oposto ao da corrente de Faraday e a força jxB estará no sentido do escoamento. Esse será um acelerador MHD, que converte a energia elétrica fornecida pela bateria em parte em entalpia do escoamento e em parte em dissipação Joule no circuito. O fator de carga correspondente, k, definido como a razão entre o campo elétrico aplicado E e o produto uB, k = E/uB, é maior que 1 nessa configuração de acelerador.
Em dispositivos geradores e aceleradores, a interação entre o movimento induzido de cargas elétricas através do campo B e esse campo resulta numa f.e.m. induzida ao longo do escoamento. Essa f.e.m. secundária é chamada de "f.e.m. de Hall", e a magnitude do efeito Hall aumenta com a razão entre a frequência de cíclotron dos elétrons, ω_c = eB/m, e a frequência de colisão dos elétrons, ν. Essa razão é chamada de parâmetro de Hall dos elétrons, Ω_e. À medida que o parâmetro de Hall se aproxima de 1, a corrente de Hall dirigida ao longo do escoamento aumenta à custa da corrente de Faraday transversal, resultando em redução da força jxB. Para reduzir ou eliminar a corrente de Hall, os eletrodos colocados em lados opostos do escoamento normalmente são segmentados e formam, assim, múltiplos pares. Cada par de eletrodos tem um resistor e/ou uma bateria próprios em seu circuito. Teoricamente, essa configuração de Faraday com eletrodos segmentados permite um desempenho igual ao que se teria sem o efeito Hall parasita. No entanto, à medida que o parâmetro de Hall aumenta, aumenta também a queda de tensão entre segmentos de eletrodos adjacentes, de modo que, por fim, começa a haver arcos entre os segmentos, anulando na prática a vantagem da segmentação.
Uma configuração MHD melhor (e mais "natural") para valores altos do parâmetro de Hall é aquela em que cada par de eletrodos (com os eletrodos em lados opostos do escoamento, bem um em frente ao outro) está em curto-circuito, e a tensão é extraída (no caso do gerador) ou aplicada (no caso do acelerador) ao longo do escoamento, entre o primeiro e o último par de eletrodos. Isso é chamado de "configuração de Hall".
Um parâmetro adimensional útil que reflete a intensidade da interação MHD é chamado de parâmetro de interação MHD, ou número de Stuart, e representa o efeito da força de corpo de Ampère em relação ao fluxo de momento do escoamento:
S = σBL / ρu
Nesta equação, σ é a condutividade elétrica do fluido, B é a intensidade do campo magnético, L é a dimensão linear característica, ρ é a densidade do fluido e u é a velocidade.
Portanto, para um efeito MHD significativo em escoamento de alta velocidade e alta pressão dinâmica (por exemplo, em hipersônica), a condutividade e a intensidade do campo B precisam ser altas. Aí reside o principal problema das aplicações aeronáuticas de MHD. De fato, o ar normal não é um condutor elétrico. O ar se ioniza e, assim, passa a conduzir eletricidade quando é aquecido a temperaturas muito altas (3.000-10.000 K ou mais), como as alcançadas em camadas de choque e camadas limite em torno de veículos de reentrada, em números de Mach M = 12-25 ou por aí. A fração de ionização chega então a 10^-5-10^-2, e resulta uma condutividade de 100 a cerca de 3.000 mho/m. A adição
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12Nota editorial: Define o fator de carga do acelerador, o efeito Hall, as configurações de eletrodos e o número de Stuart (S = σBL/ρu), e mostra por que o ar comum precisa estar muito quente para conduzir.
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Similar ly, if a voltage source (e.g., a battery) is connected to the electrodes
placed on either side of the flow in such a way that the applied e.m .f. acts
against the induced Faraday e.m.f., then the current will flow in the direction
opposite to the Faraday current, and the jxB force will be in the direct ion of the
flow. This will be an MHD accelerator that converts the battery -supplied electr ical
energy partially into entha lpy of the flow and part ially into Joule dissipation in
the circuit . The correspond ing load factor, k, defined as the ratio of the applied
electric field E and the product uB, k= E/uB, is greater than 1 in this accelerator
configurat ion.
In generator and accelerator devices, the interact ion between the induced
motion of electric charges across the B field and that field results in an e.m.f.
induced along the flow. This secondary e.m.f. is called the "Hall e.m.f., " and the
magnitude of Hall effect increases with the ratio of electron-cyclotron frequency,
ws=eB/m , and the electro n collis ion frequency, v . This ratio is called the electron
Hall parameter, ne. As the Hall parameter approaches 1, the Hall current
directed along the flow increases at the expense of the transverse Faraday
current, resulting in reduct ion of the jxB force. To reduce or eliminate the Hall
current, the electrodes placed on either side of the flow are normally segmented
and thus form mult iple pairs. Each electrode pair has a prope r resistor and/or
battery in its circuit. Theoretically, th is segmented -electrode Faraday
configurat ion enables the performance equal to that without the parasitic Hall
effect. However, as the Hall parameter increases, so does the voltage fall
between the adjacent electrode segments, so that eventually arcing between the
segments starts, effectively negat ing the advantage of segmenting.
A better (and more "natural") MHD configuration at high values of the Hall
parameter is the one where each electrode pair (with the electrodes on either
sides of the flow and right across each other) is shorted, and the voltage is
either extracted (in the generator case) or applied (in the accelerator case) along
the flow, between the first and the last electrode pair. This is called the "Hall
configurat ion ."
A usefu l dimensionless parameter reflecting the strength of MHD inte raction is
called the MHD interact ion parameter, or the Stuart number, and it represents
the ampere body force effect relative to the flow momentum flux:
S= aBL
pu
In this equat ion, cr is the electrical conductivity of the fluid, B is the magnet ic
field strength, L is the characteristic linear dimension, p is the fluid density, and
u is the velocity .
Therefore, for a significant MHD effect in h igh-speed, high dynamic pressure flow
(e .g., in hypersonics), the conduct ivity and the B field strength must be high .
Herein lies the principal problem for aeronautica l MHD applications. Indeed,
normal air is not an elect rical conductor . Air does become ionized and thus
electrically conducting as it is heated to very high temperatures (3,000 - 10,000K
or higher), such as those achieved in shock and boundary layers around reentry
vehicles, at Mach numbe rs M= 12-25 or so. The ionizat ion fraction then reaches
10·5-10 ·2, and the conductivity from 100 to about 3,000 mho/m ensues. Seeding
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de uma quantidade modesta de vapor de metal alcalino à camada de choque ou camada limite ajuda a levar a condutividade perto do nível máximo alcançável de ~3.000 mho/m. Nesse nível de condutividade, um campo magnético modesto, B~0,1-0,3 Tesla, é suficiente para efeitos MHD substanciais (geração de energia, aceleração do escoamento ou controle aerodinâmico). No entanto, em temperaturas do gás "apenas" de 1.500-2.000 K, típicas de câmaras de combustão de scramjet, mesmo a adição de vapor alcalino ao escoamento resulta em condutividades não superiores a 10-30 mho/m, caso em que a intensidade de campo magnético necessária para um desempenho MHD substancial com L = 1 metro ou menos é bastante alta: B = 3-10 Tesla. O peso, o volume e a complexidade associados a um campo magnético tão forte, que precisa ser criado em um volume tão grande, tornam essa aplicação muito problemática.
MHD FORA DO EQUILÍBRIO EM FLUXOS DE AR FRIO
A situação piora em ar relativamente frio. De fato, as temperaturas estáticas do gás em números de Mach menores que cerca de 12 são bastante baixas (<1.500 K), mesmo em camadas de choque e camadas limite. Nessas temperaturas, a condutividade elétrica do ar, mesmo com adição de metais alcalinos, é desprezível. Para que dispositivos MHD operem nessas condições, a condutividade (ionização) precisa ser criada de forma não térmica (fora do equilíbrio). Plasmas fora do equilíbrio (isto é, com gás frio e elétrons quentes) são mantidos rotineiramente em descargas luminescentes e de RF, como as de lâmpadas fluorescentes e de dispositivos usados na fabricação de microchips. As principais diferenças entre esses dispositivos e os sistemas MHD para aeronáutica são as seguintes:
• As pressões de interesse na aeronáutica (>10-100 Torr) são muito mais altas que as das descargas luminescentes típicas (1 Torr ou menos), o que resulta em potência muito maior para sustentar os plasmas e em graves problemas de instabilidades de arco.
• A fração de ionização necessária para uma boa condutividade elétrica e um desempenho MHD aceitável é muito maior que a exigida por uma lâmpada fluorescente, resultando novamente em alto orçamento de potência e superaquecimento.
Para plasmas frios fora do equilíbrio, o orçamento de potência é determinado pelo custo médio de energia (geralmente expresso em eV), W_i, da ionização (isto é, de produzir um par elétron-íon) e pela taxa com que os pares elétron-íon precisam ser gerados para compensar as perdas de elétrons por recombinação, captura e outros processos. A recombinação é o mecanismo dominante de perda em densidades de elétrons razoavelmente altas, e sua taxa é proporcional ao produto das densidades numéricas de elétrons e de íons. Como em plasmas quase neutros as densidades numéricas de elétrons e de íons são próximas entre si, a taxa de recombinação (por unidade de volume) é igual a k_dr n_e², em que k_dr é o coeficiente da taxa de recombinação dissociativa e n_e é a densidade numérica de elétrons. Note-se que o tempo característico de decaimento do plasma devido à recombinação é quase sempre muito curto, tipicamente ~1-10 microssegundos, de modo que o escoamento percorre apenas uma distância muito curta (~1 cm) durante o tempo de decaimento. É por isso que esquemas com pré-ionização a montante da região MHD, sem ionização na própria região MHD, não são viáveis; a ionização precisa ser feita continuamente em toda a região MHD.
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13Nota editorial: Mostra que abaixo de Mach 12 o ar exige ionização artificial contínua e campos intensos, com alto custo de energia e recombinação rápida do plasma.
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the shock or boundary layer with a modest amount of alkali metal vapor helps in
getting the conductivity close to the maximum achievable level of ~3,000
mho/m. At this level of conductivity, a modest magnetic field, B~0.1-0.3 Tesla,
is sufficient for substantial MHD effects (power generation, flow acceleration, or
aerodynamic control). However, at gas temperatures of "only" 1,500-2,000K or
so typical for scramjet combustors, even seeding the flow with alkali vapor
results in conductivities no higher than 10-30 mho/m, in which case the strength
of magnetic field required for substantial MHD performance at L= 1 meter or less
is quite high: 8=3-10 Tesla. The weight, volume, and complexity associated with
such a strong magnetic field that must be created in such a large volume make
this application very problematic.
NONEQUILIBRIUM MHD IN COLD AIR FLOWS
The situation becomes worse in relatively cold air. Indeed, static gas
temperatures at Mach number less than about 12 are quite low (<1,S00K) even
in shock and boundary layers. At these temperatures, the electrical conductivity
of air, even if seeded with alkali metals, is negligible. For MHD devices to operate
in such conditions, conductivity (ionization) has to be created in a nonthermal
(nonequilibrium) way. Nonequilibrium (i.e., with cold gas and hot electrons)
plasmas are routinely sustained in glow and RF discharges such as those in
fluorescent light tubes and devices used in microchip fabrication. The principal
differences between those devices and the MHD systems for aeronautics follow :
• Pressures of interest in aeronautics (>10-100 Torr) are much higher than
those in typical glow discharges (1 Torr or less) resulting in much higher
power required to sustain plasmas and to severe problems with arcing
instabilities.
• The ionization fraction needed for a good electrical conductivity and
acceptable MHD performance is much higher than that required for a
fluorescent light, again resulting in high power budget and overheating.
For cold nonequi librium plasmas, the power budget is determined by the average
energy cost (usually expressed in eV), W;, of ionization (i.e., of producing an
electron-ion pair), and the rate at which the electron-ion pairs must be
generated in order to compensate for electron losses in recombination,
attachment, and other processes. The recombination is the dominant loss
mechanism at reasonably high electron densities, and its rate is proportional to
the product of electron and ion number densities. Since in quasineutral plasmas
the number densities of electrons and ions are close to each other, the
recombination rate (per unit volume) is equal to kdrn e2 , where kdr is the
dissociative recombination rate coefficient and ne is the electron number density.
Note that the characteristic plasma decay time due to recombination is almost
always very short, typically ~1-10 microseconds, so that the flow moves only a
very short ( ~1 cm) distance during the decay time. This is why schemes with
pre-ionization upstream of the MHD region with no ionization in t he MHD reg ion
itself are not viable; the ionization must be done continuously throughout the
MHD region.
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O custo médio de energia, W_i, da ionização varia muito conforme o método de ionização. Por exemplo, em descargas de tipo luminescente convencionais, de grande volume e pressão moderada ou alta, o custo de ionização é de ~10.000 eV (isto é, três ordens de grandeza acima da energia mínima de ionização [10-15 eV]). Isso se deve à baixa energia média dos elétrons (~1 eV) e às perdas dominantes de energia dos elétrons em colisões inelásticas com moléculas de ar. É por isso que uma técnica de ionização altamente eficiente precisa ser usada para dar aos dispositivos MHD em ar frio uma chance de ser viáveis. Feixes de elétrons de alta energia representam essa técnica. Gerados em canhões de elétrons a vácuo e injetados no ar por uma folha fina ou por uma janela com bombeamento diferencial, elétrons energéticos (>1-50 keV) produzem muitos mais elétrons de plasma de baixa energia, de modo que o custo médio de ionização é de apenas W_i = 34 eV. Essa eficiência de ionização é teoricamente a melhor.
Naturalmente, sistemas de feixe de elétrons são bastante difíceis de manejar, por causa de folhas frágeis ou de instalações volumosas de bombeamento diferencial; a geração de raios X também não ajuda em aplicações de voo. Mas, mesmo deixando de lado esses importantes problemas práticos, e mesmo com o menor custo possível por elétron, a exigência de que um dispositivo MHD fora do equilíbrio em ar frio use significativamente menos potência na ionização do que extrai do escoamento (no caso do gerador) ou adiciona a ele (no caso do acelerador) impõe uma restrição severa ao nível máximo de ionização e de condutividade. Cálculos mostram que a fração máxima de ionização é da ordem de 10^-6 e que a condutividade máxima é da ordem de 1 mho/m. Com essa baixa condutividade, parâmetros de interação MHD substanciais (S~0,1 ou maiores) só podem ser alcançados com campos magnéticos superiores a vários Tesla (isto é, 10-20 Tesla). O peso e o volume de um ímã tornam então esses dispositivos de voo bastante impraticáveis, a menos que ocorra uma ruptura (breakthrough) na tecnologia de ímãs e de materiais que resulte em ímãs ultraleves com B~10 Tesla.
Como exemplo de uso potencial de dispositivos MHD fora do equilíbrio em ar frio com ionização por feixes de elétrons, destacamos os estudos de controle MHD da entrada de ar de scramjet realizados por um dos autores desta revisão e seus colegas da Universidade de Princeton. Esses estudos teóricos/computacionais mostraram que, de fato, com otimização adequada, a interação MHD na rampa de compressão a montante da entrada do scramjet pode restaurar a condição de choque sobre o lábio (SOL) em números de Mach superiores ao número de Mach de projeto, para uma dada entrada de geometria fixa (Figura 6). Durante a operação MHD, a energia elétrica gerada seria suficiente para os feixes de elétrons de ionização, restando uma porcentagem significativa da potência para ser armazenada a bordo e usada para outros fins. A vantagem do controle MHD da entrada de ar é que ele elimina a necessidade de um cowl de geometria variável (móvel), que estaria associado a grande peso e complexidade; a desvantagem é que o peso e a complexidade associados aos ímãs e aos sistemas de feixe de elétrons podem anular as vantagens. São necessários estudos de sistemas para avaliar plenamente a praticidade desse controle MHD da entrada de ar, e os resultados de tais estudos dependeriam fortemente do estado da arte e dos avanços futuros na tecnologia de ímãs leves e de feixes de elétrons.18,19,20,21,22
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14Nota editorial: Compara o custo de ionização de descargas comuns e de feixes de elétrons e descreve o estudo de controle MHD da entrada de um scramjet, cujas vantagens os ímãs e os feixes podem anular.
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UNCLASSIFIED// FOR OFFICIAL "91! er•tY
The average energy cost, W;, of ionization varies greatly depending on the
ionization method. For example, in conventiona l glow -lik e discharges of large
volume at moderate or high pressure, the ionization cost is ~10,000 eV (i.e.,
three orders of magnitude higher than the minimum ionization energy [10-15
eV]). This is due to the low average electron energy ( ~ 1 eV) and to the
dominant losses of electron energy in inelastic collisions with air molecules. This
is why a highly efficient ionizat ion technique must be used in order to give cold
air MHD devices a chance to be viable. High-energy electron beams represent
such a technique. Generated in vacuum electron guns and injected into air
through either thin foil or a differentially pumped window, energetic (>1-50 keV)
electrons produce many more low-energy plasma electrons, so that the average
ionization cost is only W; =34 eV. This ionization efficiency is theoretically the
best.
Of course, electron beam systems are quite difficult to work with due to fragile
foils or massive differential pumping facilities; X-ray generation is also not
helpful for flight applications . But even putting these important pract ical
problems aside, and even with the lowest possible cost per electron, the
requirement that a cold-a ir nonequilibrium MHD device uses significantly less
power for ionization than it extracts from (in the generator case) or adds to (in
the accelerator case) the flow imposes a severe constraint on the maximum level
of ionization and conductivity. Calculations show that the max imum ionization
fraction is on the order of 10-6 and the maximum conductivity is on the order of
1 mho/m. With this low conductivity, substantial (5~0.1 or higher) MHD
interaction parameters can only be reached with magnetic fields higher than
several Tesla (i.e., 10-20 Tesla). The weight and volume of a magnet then
makes such flight devices quite impractical, unless a breakthrough in magnet
and materials technologies occurs resulting in ultralightweight magnets with
B~l0 Tesla.
As an example of potential use of nonequilibr ium cold-air MHD devices with
ionization by e-beams, we note the studies of MHD scramjet inlet control
performed by one of the authors of this survey and his Princeton University
colleagues. These theoretical/computational studies showed that indeed, with
proper optimization, MHD interaction at the compression ramp upstream of the
scramjet inlet can restore the shock-on-lip (SOL) condition at Mach numbers
higher than the design Mach number for a given fixed-geometry inlet (Figure 6).
During the MHD operation, the generated electrical power would be enough for
ionizing e-beams, with a significant percentage of the power left to be stored
onboard and used for other purposes . The advantage of MHD inlet control is that
it elim inates the need for a variab le-geometry (movable) cowl that would be
associated with a large weight and complexity; the disadvantage is that the
weight and complexity associated with magnets and e-beam systems may
negate the advantages. Systems studies are needed to fully assess the
practical ity of this MHD inlet control, and results of such stud ies would strongly
depend on the state-of-the-art and future advances in lightweight magnet and e
beam techno logy. 1s, 19, 20, 21, 22
UNCLASSIFIED/,EOP AEEJiGJiPd: ~9E 81\L,
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TRECHO 11 · PÁGINA FÍSICA 19
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[figura: feixes de elétrons; campo B; antecorpo do veículo; escoamento; entrada; lábio do cowl]
Figura 6. Controle MHD da entrada de ar de um scramjet usando ionização por feixe de elétrons. A força de Ampère retardadora restaura a condição de choque sobre o lábio em números de Mach superiores ao valor de projeto.
O CONCEITO AJAX: BYPASS MHD
Um conceito de propulsão assistida por MHD que atraiu talvez a maior atenção nas últimas uma ou duas décadas é conhecido como Ajax, ou Ayaks. O conceito, ilustrado na Figura 7, originou-se na década de 1980 na Leninetz Scientific & Production Enterprise (hoje Leninetz Holding Co.), em Leningrado, URSS (hoje São Petersburgo, Rússia). Uma boa visão geral do conceito, de seu estado atual e de seus problemas pode ser encontrada no artigo recente23 incluído na Seção Especial do Journal of Propulsion and Power dedicada a gases fracamente ionizados para aprimoramento da propulsão, da qual um dos autores desta revisão foi editor convidado especial.
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15Nota editorial: Figura 6 (controle MHD da entrada de um scramjet) e introdução do conceito Ajax, de origem soviética, na década de 1980.
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UNCLASSIFIED/ /POR. OPPl@IAL ~91!!! OHL¥
E-beams B field
forebody vehicle
Flow inlet
Cowl lip
Figure 6. MHD Control of Scramjet Inlet Using E-Beam Ionization. The retarding
ampere force restores the shock-on-lip condition at Mach numbers higher than the
design value.
THE AJAX CONCEPT : MHD BYPASS
An MHD-assisted propulsion concept that has attracted perhaps the most
attention over the last decade or two is known as the Ajax, or Ayaks. The
concept, illustrated in Figure 7, orig inated in the 1980s at Leninetz Scientific &
Production Enterpr ise (now Leninetz Holding Co.) in Leningrad, USSR (now St.
Petersburg, Russia). A good overview of the concept and its present status and
problems can be found in the recent article 23 included in the Special Section of
the Journal of Propulsion and Power devoted to weakly ionized gases for
propulsion enhancement, with one of the authors of this survey serving as
special guest editor.
UNCLASSIFIED/FAA OFF1&1AI:: ~9E et•t I
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TRECHO 12 · PÁGINA FÍSICA 2
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Propulsão e Energia Aspirantes de Ar por MHD para Aplicações Aeroespaciais
O Documento de Referência de Inteligência de Defesa fornece informação de referência não substantiva, porém autorizada, relacionada a tópicos ou metodologias de inteligência.
Preparado por:
Divisão de Alerta Tecnológico (DWO-4)
Escritório de Alerta de Defesa
Diretoria de Análise
Agência de Inteligência de Defesa
Autores:
AAP Person 86, AAP Person 87
(U) AVISO DE DIREITOS AUTORAIS: Não é autorizada a divulgação adicional das fotografias desta publicação.
Este produto faz parte de uma série de relatórios de tecnologia avançada produzidos no ano fiscal de 2010 no âmbito do Programa de Aplicações de Sistemas de Armas Aeroespaciais Avançados (AAWSA) do Escritório de Alerta de Defesa da Agência de Inteligência de Defesa. Comentários ou perguntas sobre este documento devem ser dirigidos a [nome suprimido], Gerente do Programa AAWSA, Agência de Inteligência de Defesa, ATTN: JUIAF - DI/DWO-3, Bldg 6000, Washington D.C. 20340-5100
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iiNota editorial: Folha de expediente: identifica a Divisão de Alerta Tecnológico da DIA como preparadora, os autores sob pseudônimo e o programa AAWSA (AAWSAP) como origem da série.
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UNCLASSIFIED/ /,FAR OliliiliGili,t.L W&E 8HL'f
MHD Air Breathing Propulsion and Power for
Aerospace Applications
The Defense Intelligence Reference Document provides nonsubstantive but auLhoritaLive reference
information related to intelli ence to ics or methodolo ies.
Prepared by:
Technology Warning Division (OWO-4)
Defense Warning Office
Directorate for Analysis
Defense Intelligence Agency
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(U) COPYRIGHT WARNING: Further dissemination of the photographs in this publication is not
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This product is one of a series of advanced technology reports produced in FY 2010
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Aerospace Weapons System Applica tions (AAWSA) Program, Comments or gue~tions
pertaining t o this document should be addressed to ._!AA_ P_P,.,,e,,,,,rs,,,,,o.,..n....,1,.,..,.,,..,..,,,.__,,,..,,.,.,,..,.,.~J
AAWSA Program Manager, Defense I ntelligence Agency, ATTN : JUIAF - DI/DW0-3,
Bldg 6000, Washington D.C. 20340 - 5100
UNCLASSIFIED//f8R: err101,,L Wili Qtlb¥
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TRECHO 13 · PÁGINA FÍSICA 20
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[desenho de um veículo hipersônico com esquema de fluxos de energia; rótulos da parte superior: "Sistemas de proteção térmica ativos"; "Sistemas que controlam as características aerodinâmicas no gás e no meio de plasma"; "Sistemas direcionais de transferência de energia"; "Energia térmica"; "Propelente"; "Energia cinética do fluxo de ar"; "Entrada de ar"; "Bocal"; "Energia química do combustível original (70%)"; "Motor magneto-plasma-químico"; "Energia química adicional obtida por regeneração de calor (30%)"; "Perdas durante o movimento em meio contínuo"; "Energia elétrica"]
[esquema inferior: "Contracorrente de ar"; "Calor aerodinâmico"; "Combustível"; "Energia elétrica"; "Sistemas de controle das características aerodinâmicas"; "Bocal"; "Acelerador MHD"; "Entrada controlada por MHD"; "Câmara de combustão"; "Sistema de regeneração química de calor"; "Combustível modificado"; "Motor magneto-plasma-químico (MPCE)"]
Figura 7. Esquema do conceito de veículo hipersônico Ajax. As figuras superior e inferior representam o mesmo conceito, mas foram publicadas pelos autores (A. Kuranov et al.) em épocas diferentes.
A ideia-chave do Ajax é que, com os sistemas de propulsão, aerodinâmica e proteção térmica de veículos hipersônicos atingindo seus limites teóricos e práticos, o único caminho além desses limites é o gerenciamento inteligente de energia (isto é, retirar energia do escoamento circundante e pôr essa energia onde ela é necessária para benefício da propulsão). Os três grandes conceitos/sistemas seguintes estão incluídos no Ajax:24
• Conversão endotérmica de combustível. Uma mistura de combustível hidrocarboneto (semelhante ao querosene) e água, armazenada inicialmente a bordo, é usada para resfriar as superfícies externas e as paredes do motor, e o calor transferido para a mistura é usado em
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16Nota editorial: Figura 7: desenho do veículo hipersônico Ajax e dois esquemas de fluxo de energia; começa a lista dos três sistemas do conceito.
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UNCLASSIFIED/ /FOR AFEICIA.k W&i 8,.LY
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Air counterflow
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heat :
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EleC'/oc
energy
I 000 0 00-00 l
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I
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MHD controlled
inlet
~-----------------, ------------------'/
' MHD accel9:rator
' Combustion chambe~ _,
ModifiedCheJlllcal Hem Magneto-Plasma-Chem1cal
Rege,nernrion S~ce rn Engine (MPCE)fuel
Figure 7. Schematic of Ajax Hypersonic Vehicle Concept. The upper and
lower pictures represent the same concept, but were published by the authors (A.
Kuranov et al.) at different times .
The key idea of the Ajax is that, with propulsion, aerodynamic, and heat
protection system for hypersonic vehicles hitting their theoretical and practical
limits, the only way beyond these limits is smart management of energy (i.e.,
taking energy from the surrounding flow and putting that energy where it is
needed for propulsion benefits). The following three major concepts/systems are
included in Ajax: 24
• Endothermic fuel conversion. A mixture of hydrocarbon fuel (similar to
kerosene) and water initi ally stored on board is used to cool the external
surfaces and engine walls, and the heat transferred to the mixture is used in
UNCLASSIFIED/FQA QFFHiilif.tl: WOE 8,.L'I
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TRECHO 14 · PÁGINA FÍSICA 21
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um processo de "craqueamento" termocatalítico que produz um gás de síntese (isto é, uma mistura gasosa de CO e H2) a partir da mistura líquida original de querosene e água. O gás de síntese produzido a bordo é um combustível muito melhor do ponto de vista do Isp que os hidrocarbonetos líquidos, e com a conversão termocatalítica a bordo não há necessidade de levar hidrogênio desde a decolagem. Essa parte do Ajax é certamente muito significativa e provavelmente viável.
• Bypass de energia MHD. Esta é talvez a parte mais controversa do Ajax. Um gerador MHD extrai energia do escoamento de ar a montante da câmara de combustão do scramjet; essa energia contorna a câmara de combustão e é devolvida ao escoamento por um acelerador MHD colocado a jusante da câmara de combustão. Discutiremos esse conceito adiante.
• Plasma para redução de arrasto. Uma parte da potência gerada pelo MHD pode, em princípio, ser usada para gerar um plasma no ar à frente do nariz do veículo. Esse plasma enfraqueceria a onda de choque de proa e reduziria o arrasto de onda do veículo hipersônico. Embora houvesse alegações de alguns grupos russos, 10 a 15 anos atrás, de que plasmas fracamente ionizados podem reduzir a intensidade do choque por algum mecanismo físico desconhecido, pesquisas extensas nos Estados Unidos, na Europa e na Rússia mostraram de forma conclusiva que os efeitos são puramente térmicos. No entanto, mesmo com ação puramente térmica, a redução de arrasto por plasma pode ser bastante significativa e útil para o voo de alta velocidade (ver abaixo).
Talvez o problema mais básico do bypass MHD, como apontado por D. Riggins,25 seja que, como ciclo de potência de propulsão, ele funciona no sentido oposto ao ditado pela termodinâmica. De fato, qualquer ciclo termodinamicamente correto de conversão de calor em potência tem adição de trabalho (por exemplo, compressão) antes da adição de calor (por exemplo, na forma de combustão), e a extração de trabalho se segue à adição de calor. É por isso que o ar é comprimido (trabalho adicionado) a montante da câmara de combustão em todos os ciclos normais de propulsão, seja por compressor num turbojato ou por rampa de compressão a montante da câmara de um scramjet. Nesse sentido, a extração de potência (trabalho) por MHD antes de o ar entrar na câmara de combustão do scramjet, seguida da adição de potência por MHD depois da câmara, constitui um sistema de propulsão termodinamicamente "errado" e, portanto, inerentemente inferior.
No entanto, ao criticar o ciclo de potência do Ajax e argumentar que o Isp do Ajax é sempre menor que o de um sistema sem bypass MHD, D. Riggins26 comete um erro significativo. Em suas derivações, ele supõe que a adição de calor gerado pela combustão na câmara ocorre a uma temperatura do gás igual à temperatura de estagnação do escoamento (isto é, que o escoamento está totalmente estagnado na câmara de combustão). Essa suposição está em contradição direta com a própria ideia de um scramjet, em que a combustão ocorre em escoamento supersônico. A adição de calor na câmara de combustão ocorre, portanto, a uma temperatura estática, e não de estagnação. É esse fato que dá ao bypass MHD, pelo menos, uma chance de aumentar o Isp.
De fato, os cálculos descritos no artigo acima citado27 pelo grupo do Ajax resultam, em algumas condições e com otimização cuidadosa, em aumento de Isp. Nossa análise de seus cálculos mostra que o aumento da temperatura estática causado pela desaceleração do escoamento e pela dissipação Joule no gerador MHD a montante da câmara de combustão é a razão do maior Isp. De fato, como o aumento de entropia na câmara de combustão é igual a Q/T, em que Q é o calor adicionado e T é a temperatura estática na qual esse calor é adicionado, qualquer aumento levaria a menor
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17Nota editorial: Analisa os três sistemas do Ajax (conversão de combustível, bypass MHD e plasma de arrasto); registra que os efeitos de plasma sobre o choque são térmicos, e não por mecanismo exótico.
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UNCLASSIFIED/ ;re" OFFICIA:L tt.!I!! OHL¥
a thermocatalytic "cracking" process that makes a syngas (i.e., CO - H2
gaseous mixture) from the original kerosene-water liquid mixture. The
syngas made onboard is a much better fuel from the Isp standpoint than
liquid hydrocarbons, and with the onboard thermocatalytic convers ion there is
no need to carry hydrogen from the takeoff. This part of Ajax is certainly very
meaningful and probably viable.
• MHD energy bypass. This is perhaps the most controversial part of Ajax. An
MHD generator extracts energy from the airflow upstream of the scramjet
combustor; th is energy bypasses the combustor and is put back into the flow
via MHD accelerator placed downstream of the combustor. We will discuss
this concept below.
• Plasma for drag reduction. A part of the MHD-generated power can, in
principle, be used to generate a plasma in air upstream of the vehicle nose.
This plasma would weaken the bow shock and reduce the wave drag on the
hypersonic vehicle. Although there were claims by some Russian groups
about 10-15 years ago that weakly ionized plasmas can reduce shock
strength via some unknown physical mechanism, extensive research in the
United States, Europe, and Russia has conclusively shown that the effects are
purely thermal. However, even with purely thermal action, plasma drag
reduction can be quite meaningful and useful for high-speed flight (see
below).
Perhaps the most basic problem with the MHD bypass, as pointed out by D.
Riggins,25 is that as a propulsion power cycle, it runs in the direction opposite to
that dictated by thermodynam ics. Indeed, any thermodynamically correct heat
into-power conversion cycle has work addition (e.g., compression) prior to heat
addition (e.g., in the form of combustion), and work extraction follows the heat
addition. This is why air is compressed (wo rk added) upstream of the combustor
in all normal propulsion cycles, whether by compressor in a turbojet or a
compression ramp upstream of a scramjet combustor. In th is sense, MHD power
(work) extraction before air enters the scramjet combustor, followed by MHD
power addition after the combustor, constitutes a thermodynamically "wrong"
and thus inherently inferior, propulsion system.
However, in criticizing the Ajax power cycle and arguing that the Isp of Ajax is
always less than that of a system without MHD bypass, D. Riggins26 makes a
significant mistake . In his derivations, he assumes that combustion-generated
heat addition in the combustor occurs at a gas temperature equal to the
stagnat ion temperature of the flow (i.e., that the flow is fully stagnant in the
combustor). This assumption is in direct contradiction to the very idea of a
scramjet, where combustion occurs in supersonic flow. Heat addition in the
combustor thus occurs at a static, not stagnation, temperature. It is this fact
that at least gives MHD bypass a chance to increase Isp.
Indeed, calculations described in the above-referenced paper27 by the Ajax group
do resu lt, in some conditions and with careful optimization, in an Isp increase.
Our analysis of the ir calculations shows that increase in static temperature
caused by flow deceleration and Joule dissipation in the MHD generator upstream
of the combustor is the reason for higher Isp. Indeed, since the entropy increase
in the combustor is equal to Q/T, where Q is the heat added and T is the static
temperature at which this heat is added, any increase would lead to lower
UNCLASSIFIED/FAA AFFl&li¾I:: ~9E Olttt
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TRECHO 15 · PÁGINA FÍSICA 22
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aumento de entropia e, portanto, como se pode mostrar facilmente, a maior Isp. O aumento de Isp devido ao aumento da temperatura na câmara de combustão é reduzido por fatores negativos, como as irreversibilidades devidas à dissipação Joule tanto no gerador quanto no acelerador MHD e a extração de trabalho termodinamicamente "errada" antes da câmara de combustão.
O aumento de Isp, no entanto, mesmo em casos ótimos, é de apenas alguns por cento. Dadas as suposições grosseiras do artigo28 (escoamento 1D, sem camada limite nem perdas de calor, plasma uniforme, sem perdas de energia do feixe de elétrons, sem perdas no circuito elétrico), esse ganho de alguns por cento se transformaria em perda de Isp numa análise mais realista. Além disso, o peso e a complexidade associados aos sistemas de ímãs e de feixes de elétrons devem ser lembrados. Portanto, pode-se afirmar com certeza que o bypass de energia MHD em Mach < 12 (onde é necessária a ionização do ar fora do equilíbrio) não é uma tecnologia significativa.
Onde o bypass MHD poderia ser útil é em números de Mach muito altos (Mach > 12). Primeiro, as temperaturas de estagnação nesses números de Mach são altas o bastante para uma ionização térmica significativa com uma quantidade razoável de aditivo alcalino (0,01-1% em volume), eliminando assim a necessidade de um sistema pesado, complexo e gerador de entropia de ionização fora do equilíbrio. Segundo, nas temperaturas estáticas (>2.000 K) alcançadas na câmara de combustão nesses números de Mach, não há combustão propriamente dita, apenas dissociação das moléculas de combustível e de ar, seguida de recombinação total ou parcial em outras moléculas, que libera calor no escoamento a jusante da câmara de combustão, no bocal de expansão. Para esse regime, o grupo do NASA Ames mostrou29,30 por modelagem que o bypass MHD pode de fato aumentar o Isp. Note-se, porém, que os materiais e as estruturas, bem como o desenvolvimento de combustíveis, estão hoje de tal modo que o voo aspirante de ar em Mach > 12 não é realista. No futuro, se a propulsão aspirante de ar em Mach > 12 se tornar possível em princípio, será justificado reexaminar os benefícios e os defeitos do bypass MHD, especialmente se ímãs leves também estiverem disponíveis até lá.
O BYPASS REVERSO DE ENERGIA
Voltando a Mach < 12, um dos autores desta revisão, junto com seus colegas, propôs um conceito de bypass muito diferente, apelidado de bypass reverso de energia (Figura 8).31,32 A energia (na forma de eletricidade) é extraída do escoamento por um gerador MHD colocado logo a jusante da câmara de combustão (ou junto com ela). Isso, pelo menos, evita a necessidade de ionização por feixe de elétrons, pois o ar misturado com produtos da combustão está quente o bastante logo após a câmara para que uma condutividade elétrica aceitável (da ordem de 10 mho/m ou mais) possa ser gerada termicamente, desde que metais alcalinos sejam adicionados ao combustível e estejam, portanto, presentes na câmara de combustão e a jusante dela.
Uma parte da energia elétrica gerada a jusante da câmara de combustão poderia ser usada a montante do gerador MHD, e é por isso que se chama bypass reverso de energia (a energia que é desviada é movida no sentido de montante). A combustão assistida por plasma (como ignição, retenção de chama e mistura) se beneficiaria dessa energia elétrica. A adição de calor por plasma, em regime permanente ou transitório, possibilitada por essa potência elétrica, seria benéfica para o controle da interação de choques na entrada e para a redução de arrasto e/ou o esterçamento e o controle de arfagem ou guinada, quando usada à frente do nariz do veículo.
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18Nota editorial: Conclui que o ganho idealizado de impulso específico do bypass MHD é de poucos por cento e desaparece com perdas reais abaixo de Mach 12; apresenta o bypass reverso de energia.
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UNCLASSIFIED/ /FOA 8FFI@IAL ~S! 8HL I
entropy increase and thus, as can be easily shown, to higher lsp. The lsp increase
due to the increase in combustor temperature is made smaller by negative
factors such as irreversib ilities due to Joule dissipation in both MHD generator
and accelerator and by the thermodynamically "wrong" work extraction before
the combustor.
The lsp increase, however, even in optimal cases, is only several percent. Given
the crude assumptions in the paper28 ( 1D flow, no boundary layer and heat
losses, uniform plasma, no e-beam energy losses, no losses in electric circuitry),
this gain of several percent would turn into a loss of l sp in more realistic analysis.
Addit ionally, the weight and complexity associated with magnet and e-beam
systems should be kept in mind. Therefore, one can state with certainty that
MHD energy bypass at Mach<12 (where nonequilibrium ionization of air is
required) is not a meaningful technology.
Where the MHD bypass could be useful is at very high Mach numbers
(Mach>12). First, stagnation temperatures at these Mach numbers are high
enough for significant thermal ionization with reasonable amount of alkali seed
(0.01-1% by volume), thus eliminating the need for a heavy, complex, and
entropy-generating nonequilibrium ionization system. Second, at static
temperatures (>2,000K) reached in the combustor at these Mach numbers,
there is no combust ion per se, just dissociation of fuel and air molecules followed
by full or partial recombination into other molecules that releases heat into the
flow downstream of the combustor in the expansion nozzle. For such a regime,
the group at NASA Ames showed29, 30 through modeling that MHD bypass can
indeed increase the lsp. Note, however, that materials and structures, as well as
fuel development, are currently such that air-breathing flight at Mach> 12 is not
realistic. In the future, if air-breathing propulsion at Mach> 12 becomes possible
in principle, reexamination of MHD bypass benefits and flaws will be warranted,
especially if lightweight magnets also become available by that time.
THE REVERSE ENERGY BYPASS
Returning to Mach< 12, one of the authors of th is survey, togethe r with his
colleagues, has proposed a very different bypass concept, dubbed the reverse
energy bypass (Figure 8). 31, 32 The energy (in the form of electricity) is extracted
from the flow in an MHD generator placed just downstream of the combustor (or
collocated with the combustor). This at least avoids the need fore-beam
ionization, since the air mixed with combustion products is sufficiently hot right
after the combustor that an acceptable electrical conductivity (on the order of 10
mho/m or higher) can be generated thermally, provided alkali metals are seeded
into the fuel and are thus present in the combustor and downstream of it.
A part of the electrical energy generated downstream of the combustor could be
used upstream of the MHD generator, which is why this is called the reverse
energy bypass (the energy being bypassed is moved in the upstream direct ion) .
Plasma-assisted combustion (such as ignition, flameho lding, and mixing) would
benefit from this electrica l energy. Plasma heat addition, in steady or trans ient
modes, enabled by this electrical power, would be beneficial for control of shock
interaction at the inlet and for drag reduction and/or steering and pitch or yaw
control when used in front of the vehicle's nose.
UNCLASSIFIED} FOR OPP!e!i!CL tl!JE 8HLY
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TRECHO 16 · PÁGINA FÍSICA 23
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[figura: "Conversão de calor em potência por MHD"]
Figura 8. O conceito de bypass reverso de energia. A seta vermelha representa simbolicamente a direção geral do bypass de energia: para montante.
Uma versão promissora do conceito de bypass reverso de energia usa a potência elétrica extraída do escoamento no gerador MHD para aumentar a vazão em massa de ar pela câmara de combustão em condições fora do ponto de projeto. Se a entrada de ar é projetada para a condição de choque sobre o lábio em certo número de Mach alto (por exemplo, Mach 8), então em números de Mach inferiores ao valor de projeto (por exemplo, Mach 6) a entrada não captura completamente o escoamento comprimido, o que está associado ao chamado arrasto de transbordamento, reduzindo efetivamente o empuxo. Esse efeito indesejável pode ser evitado pelo chamado cowl virtual: uma região aquecida a montante do lábio do cowl (Figura 9).33,34 Essa região aquecida (por exemplo, de plasma) desvia o escoamento e ajuda a captar mais ar para dentro da entrada. Além disso, com posicionamento adequado, só ar frio (não aquecido) é captado para dentro da entrada, evitando assim a redução da pressão total e do empuxo que teria ocorrido se ar aquecido fosse captado para o sistema de propulsão.
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19Nota editorial: Figura 8 do bypass reverso de energia e explicação de como um cowl virtual reduz o arrasto de transbordamento da entrada de ar.
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UNCLASSIFIED/ /FOR 055iliCl.t.k WSE 8HL'f
MHD
heat-Into-power
conversion
Figure 8. The Reverse Energy Bypass Concept. The red arrow symbolically depicts the
general direction of energy bypass - upstream.
A promising version of the reverse energy bypass concept uses the electric
power extracted from the flow in the MHD generator to increase the air mass
flow rate through the combustor in off-design conditions. If the inlet is designed
for shock-on-lip condition at a certain hig h Mach number (e.g., Mach 8), then at
Mach numbers lower t han the design value (e.g., Mach 6) the inlet does not
completely capture the compressed flow, which is associated with the so-called
spillage drag, effectively reduc ing the thrust. This undesirable effect can be
prevented by the so-called virtual cowl-a heated region upstream of the cowl lip
(Figure 9) .33 , 34 This heated (e.g., plasma) region deflects the flow and helps with
scooping more air into the inlet. Moreover, with proper positioning, only cold
(unheated) air is scooped into the inlet, t hus avoiding reduction in total pressure
and thrust that would have occurred if heated air were scooped into the
propulsion system.
UNCLASSIFIED/FQA QFFHiilif.tl: WSE 8HL'I
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TRECHO 17 · PÁGINA FÍSICA 24
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[figura: antecorpo do veículo; escoamento; entrada; região aquecida; lábio do cowl; linha de corrente defletida]
Figura 9. Esquema do conceito de cowl virtual. A região aquecida gerada por plasma a montante do lábio do cowl desvia o escoamento e capta mais ar para dentro da entrada.
A análise do bypass reverso de energia, com gerador MHD a jusante da câmara de combustão do scramjet e um cowl virtual otimizado, revelou que, embora a extração de entalpia e a produção de entropia no gerador MHD reduzam substancialmente o empuxo, o sistema combinado com o cowl virtual pode de fato aumentar o empuxo em até 20-30%.35,36
Do ponto de vista do sistema, esse conceito, com todo o peso e a complexidade associados, deve ser comparado com o que envolve um cowl móvel (de geometria variável), associado a um sistema eletro-hidráulico pesado e complexo e que também exige energia. Uma característica atraente do conceito de bypass reverso, que pode fazer dele um vencedor, é sua natureza multifuncional. De fato, a geração de energia MHD a jusante da câmara de combustão pode ser uma opção atraente de produção de energia para veículos hipersônicos. As alternativas (baterias, células de combustível e semelhantes) não são muito competitivas para a geração de grandes quantidades de potência (centenas de kW a 1-10 MW) a bordo. Assim, se um gerador MHD no percurso do escoamento da propulsão é aceito como fonte de energia, sua operação em conjunto com um cowl virtual que aumenta significativamente o empuxo em condições fora do ponto de projeto, e que também permite controle aerodinâmico e manobras, tornar-se-ia bastante prática. Note-se também que, se outra fonte de alta potência (escala de MW), como um reator nuclear, estiver a bordo, seu uso para cowl virtual, redução de arrasto e controle aerodinâmico seria direto e aumentaria muito o desempenho do veículo hipersônico.
APLICAÇÕES DE MHD À REENTRADA E AO VOO QUASE ORBITAL
Voltamo-nos agora para a aplicação de MHD à reentrada e ao voo quase orbital. Devido às altas velocidades e entalpias envolvidas, a temperatura do gás nas camadas de choque e camadas limite é muito alta, de vários milhares a 10.000-20.000 K. Nessas temperaturas, a ionização térmica é muito substancial e, na extremidade inferior de
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20Nota editorial: Figura 9 do cowl virtual; compara o conceito com o cowl móvel e abre a seção sobre MHD na reentrada.
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UNCLASSIFIED/ ,'FOR OFFI@IAI! WSE OHl!lf
forebody vehic le
Flow
inlet
Heated ~ owl lip
Deflecte d region tream line
Figure 9. Schematic of the Virtual Cowl Concept. Plasma-generated heated region
upstream of the cowl lip deflects the flow and scoops more air into the inlet.
Analysis of the reverse energy bypass involving MHD generator downstream of
the scramjet combustor and an optim ized virtual cowl revealed that, although
enthalpy extraction and entropy production in the MHD generator substantially
reduce the thrust, the combined system with virtual cowl can actually increase
thrust by as much as 20-30% .35, 36
From the system standpoint, this concept, with all its associated weight and
complexity, should be compared with that involving a movable (variable
geometry) cowl that is associated with a heavy and complex electrohydraulic
system and also requires power. An attractive feature of the reverse bypass
concept that might make it a winner is its multifunctional nature. Indeed, MHD
power generation downstream of the combustor can be an attractive power
production option for hypersonic vehicles. Alternatives (batteries, fuel cells, and
the like) are not very competitive for generation of large amounts (hundreds of
kW to 1-10 MW) of power onboard. Thus, if an MHD generator in the propulsion
flowpath is accepted as the power source, its operation in conjunction with a
virtual cowl that significantly increases thrust in off-design conditions, and also
enables aerodynamic control and maneuvering, would become quite practical.
Note also that if another source of high (MW-scale) power, such as a nuclear
reactor, is onboard, its use for virtual cowl, drag reduction, and aerodynamic
control would be straightforward and would greatly increase performance of the
hypersonic vehicle .
MHD APPLICATIONS TO REENTRY AND NEAR -ORBITAL FLIGHT
We now turn to MHD application to reentry and near-orbital flight. Due to the
high velocities and enthalpies involved, the gas temperature in shock and
boundary layers is very high, from several thousand to 10,000-20,000K. At
these temperatures, thermal ionization is very substantial, and at the low end of
UNCLASSIFIED/f8R OFFISIJ!ik W&E SHlb¥
20Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 24, contando a capa.
TRECHO 18 · PÁGINA FÍSICA 25
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a faixa de temperatura, uma adição moderada de mistura de NaK (sódio-potássio) seria suficiente para produzir uma condutividade elétrica de >100 mho/m a até 1.000-3.000 mho/m. Com esse nível de condutividade, um campo magnético muito modesto, B~0,1-0,2 Tesla, bastaria para um forte desempenho MHD (Figura 10).
A modelagem mostra que potência em escala de MW pode ser gerada nessas condições por um sistema MHD integrado à superfície a partir de 1 metro quadrado de superfície do veículo. Curiosamente, os cálculos mostram que o peso adicional do sistema, supondo uma missão de 1.000 segundos, é determinado sobretudo pela água necessária para resfriar o eletroímã de fio de cobre e que o peso adicional é bastante aceitável, o que aumenta a praticidade do sistema.37,38,39,40
[figura: eletrodos MHD; injeção de NaK; plasma para aerodinamização virtual e aumento de L/D]
Figura 10. Veículo de reentrada com dispositivo MHD integrado à superfície e aerodinamização virtual habilitada por plasma, com aumento de L/D.
Um bom uso dessa alta potência seria criar um plasma à frente do veículo para reduzir o arrasto (Figura 10). A análise não otimizada mostra que o "retorno" (isto é, a potência de arrasto economizada dividida pela potência gasta na criação do plasma) pode facilmente chegar a 40-50 (isto é, a potência de arrasto economizada é 40-50 vezes maior que a potência gasta no plasma).41 Há indicações teóricas e experimentais de que, com a conformação adequada da região de plasma (especificamente, tornando-a longa e fina), o "retorno" pode ser >100. Assim, esse "bypass reverso de energia" resultaria em redução substancial do arrasto e em aumento de L/D (razão sustentação-arrasto) de dezenas de por cento. O aumento de L/D se traduziria diretamente em maior alcance longitudinal para um "planador" global hipersônico sem propulsão e em maior alcance transversal para um ativo espacial em desorbitação. Note-se que o posicionamento fora do eixo
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21Nota editorial: Figura 10 de um veículo de reentrada com MHD integrado à superfície; descreve a geração de potência na reentrada e o plasma à frente do veículo para reduzir o arrasto.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL USE ONLY
the temperature range, a moderate seeding with NaK (sodium-potassium)
mixture would be sufficient to produce an electrical conductivity from > 100
mho/m to as high as 1,000-3,000 mho/m. With this level of conductivity, very
modest magnetic field B~0.1-0.2 Tesla would suffice for a strong MHD
performance (Figure 10).
Modeling shows that MW-scale power can be generated in these conditions by a
surface-integrated MHD system from 1 square meter of vehicle surface.
Interestingly, calculations show that the additional weight of the system,
assuming a 1,000-second mission, is determined mostly by the water required to
cool the copper-wire electromagnet and that the additional weight is quite
acceptable, increasing the practicality of the system. 37, 38, 39 , 40
a for virtual
lining and
crease
Figure 10. Reentry Vehicle With Surface-Integrated MHD Device and Plasma
Enabled Virtual Streamlining and L/D Increase.
One good use of such hig h power would be to create a plasma in front of the
vehicle in order to reduce drag (Figure 10). Nonoptimized analysis shows that
the "return" (i.e., the drag power saved divided by the power spent on creating
the plasma) can easily be as high as 40-50 (i.e., the drag power saved is
40-50 times greater than the power spent on the plasma). 41 There are
theoretical and experimental indications that with proper shaping of the plasma
region (specifically, making it long and thin), the "return" can be > 100. Thus,
this "reverse energy bypass" would result in substantial reduction in drag and
increase in L/D (lift-to-drag ratio) by tens of percent. The increase in L/D would
directly translate in increased downrange for an unpowered hypersonic global
"glider" and in increased cross-range for a de-orbiting space asset. Note that off-
UNCLASSIFIEDfFQR &FFIEilslll ~91: 8Hl'I
21Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 25, contando a capa.
TRECHO 19 · PÁGINA FÍSICA 26
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da região de plasma criaria momentos de esterçamento ou de controle de arfagem/guinada.42
Uma aplicação atraente que utiliza esse aumento de L/D habilitado por plasma/MHD é a mudança de inclinação orbital de ativos espaciais. Mesmo uma mudança modesta (de poucos graus) da inclinação orbital exige uma quantidade muito grande de delta-velocidade e de energia e, portanto, uma quantidade muito grande de combustível a ser queimado. Se o ativo espacial mergulha na alta atmosfera (a altitudes de 200-300 kft), ele pode usar curva aerodinâmica (semelhante à dos aviões), desde que a razão L/D seja suficientemente alta. Infelizmente, o L/D hipersônico, especialmente em ar rarefeito em grandes altitudes, não é muito maior que 1. As tecnologias de plasma e MHD oferecem uma promessa substancial e realista de alcançar L/D hipersônico de 3-10, o que seria uma virada de jogo e permitiria, entre outras missões, mudanças de inclinação orbital sob demanda assistidas aerodinamicamente.
Consideramos agora, brevemente, outra aplicação de MHD: uma propulsão híbrida química/MHD. A velocidade de saída do bocal de sistemas químicos (aspirantes de ar e foguetes) é limitada pela energia química disponível nos combustíveis/propelentes e pelos limites de temperatura dos materiais do sistema. Um método de aumentar a velocidade de saída do sistema é acrescentar ao bocal um sistema acelerador MHD. O escoamento é primeiro acelerado por um bocal gasodinâmico convencional convergente-divergente e depois o sistema MHD acelera ainda mais o escoamento supersônico na parte divergente do bocal. Muitos sistemas de solo foram desenvolvidos e testados para acelerar escoamentos com sistemas MHD. Eles foram principalmente sistemas de prova de conceito ou para túneis de vento hipersônicos.43,44 Foram propostos sistemas tanto para pequenos sistemas no espaço45,46 quanto para grandes motores de veículos de lançamento.47 Embora esse conceito tenha grande potencial e a física do acelerador esteja bem estabelecida, ele tem várias limitações práticas. Para ser eficiente, a energia adicionada ao escoamento pelo sistema MHD deveria ser da ordem da energia adicionada pelo estágio químico, ou maior. Isso exige níveis de potência que não estão disponíveis em nenhum dos dois tipos de veículo. Por exemplo, para veículos de lançamento, os níveis de potência do jato estariam na faixa de centenas de MW a dezenas de GW. As baixas frações de ionização nos escoamentos também limitam severamente a eficiência de empuxo dos sistemas MHD a alguns por cento. Isso, combinado com as grandes potências de jato, exige potências enormes nos veículos de lançamento. Da mesma forma, para sistemas espaciais, uma solução melhor seria usar a potência disponível em um propulsor elétrico mais eficiente. As grandes potências também exigem grandes massas dos componentes do sistema MHD para uma massa específica razoável (kg/kW). Para ser comparável a sistemas puramente elétricos em espaçonaves, a massa específica do sistema de aumento MHD precisaria ser melhorada por um fator de 1.000 em relação às tecnologias de ponta atuais.48 Uma solução potencial para o problema da potência é transmitir a potência ao veículo.49 Outra questão séria são os ímãs necessários para fornecer os campos de 2 a 40 Tesla exigidos. Em muitos casos, o peso do ímã e de sua fonte de alimentação superaria a massa do veículo com a tecnologia existente. A massa do sistema de ímãs precisará ser reduzida em várias ordens de grandeza para tornar práticos os sistemas de voo.
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22Nota editorial: Propõe mudanças de inclinação orbital assistidas aerodinamicamente e discute a propulsão híbrida química/MHD, cujos entraves são a potência e a massa dos ímãs.
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axis positioning of the plasma region would create steering or pitch/yaw control
moments. 42
An attractive application that utilizes this plasma/MHD-enabled increase in L/D is
orbit inclination changes for space assets. Even a modest (a few degrees) orbit
inclination change requires a very large amount of delta-velocity and energy and
thus a very large amount of fuel to be burned. If the space asset dives into the
upper atmosphere (to altitudes of 200-300 kft), it can use aerodynamic turning
(sim ilar to airplanes), provided the L/D ratio is high enough. Unfortunately,
hypersonic L/D, especially in rarefied air at high altitudes, is not much higher
than 1. Plasma and MHD technologies hold substantial and realistic promise to
achieve hypersonic L/D of 3-10, which would be a game-changer and enable,
among other missions, aerodynamically assisted, on-demand orbital inclination
changes .
We now briefly consider another MHD application : a hybrid chemical/MHD
propu lsion. The nozzle exit velocity of chemical systems (air-breathing and
rockets) is limited by the chemical energy available from the fuels/propellants
and the temperature limits of the system materials. One method to increase the
exit velocity of the system is to add an MHD accelerator system to the nozzle.
The flow is first accelerated using a conventional gas dynamic converging
diverging nozzle and then the MHD system further accelerates the supersonic
flow in the diverging portion of the nozzle. Many ground-based systems have
been developed and tested to accelerate flows using MHD systems. These have
been primarily either proof-of-concept systems or for hypersonic wind tunnels. 43 •
44 Systems have been proposed for both small in-space systems 45 , 46 and for
large engines for launch vehicles. 47 While this concept has great potential and
the accelerator physics are well established, it has several practical limitations.
To be efficient, the energy added to the flow from the MHD system should be on
the order of or greater than the energy added by the chemical stage . This
requires power levels that are not available on either type of vehicles. For
example, for launch vehicles the jet power levels would be in the hundreds of
MW to tens of GW range. The low ionization fractions in the flows also severely
limit the thrust efficiency of the MHD systems to a few percent. This combined
with the large jet powers requires enormous launch -vehicle powers. Similarly for
space systems, a better solution would be to use the available power in a more
efficient electric thruster. The large powers also require large masses for the
MHD system components for reasonable specific mass (kg/kW). To be
comparable to pure electric systems on spacecraft, the MHD augmentation
system specific mass would need to be improved by a factor of 1,000 over state
of-the-art technologies. 48 One potential solution around the power issue is to
beam the power to the vehicle. 49 Another serious issue is the magnets needed to
provide the 2- to 40-Tesla fields required. In many cases, the weight of the
magnet and magnet power supply would exceed the vehicle mass using existing
technology. The magnet system mass will need to be reduced by several orders
of magnitude to make flight systems practical.
UNCLASSIFIED/FOR OPP!e!ftt tl!E 8HLV
22Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 26, contando a capa.
TRECHO 20 · PÁGINA FÍSICA 27
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Capítulo 3: Aplicações espaciais
Sistemas de propulsão elétrica estão sendo usados hoje para controle de atitude, posicionamento e propulsão primária. O uso de sistemas de propulsão elétrica em espaçonaves era limitado pela quantidade de energia disponível. Os propulsores foram desenvolvidos décadas antes dos sistemas de energia. As primeiras aplicações foram a substituição de propulsores monopropelentes de hidrazina por propulsores resistojato e arcjet de hidrazina (aumentando o Isp de 200 segundos para 300 segundos nos resistojatos e para 600 segundos nos arcjets). Um exemplo é mostrado na Figura 11. Isso mantém a maior parte das espaçonaves igual, mudando apenas os propulsores (menor risco e custo). Espaçonaves mais novas estão sendo projetadas especificamente para o uso de propulsores elétricos. São principalmente motores iônicos com grades e propulsores de efeito Hall que operam com propelente de xenônio. O xenônio é um gás nobre singular, que pode ser armazenado com densidades próximas às de líquidos em pressões acima de 800 psia. À medida que a energia elétrica disponível aumentou, aumentou a transição para espaçonaves totalmente elétricas, bem como o tamanho dos sistemas de propulsão elétrica. Propulsores Hall são usados para manutenção de posição, bem como para manobras de inserção no apogeu. Essa tendência continuará por décadas.50
O alto Isp disponível nos sistemas elétricos permite novos conceitos de operação para o que uma espaçonave pode fazer. A quantidade de propelente que pode ser armazenada a bordo limita o número e os tipos de manobras que a espaçonave pode realizar. Os sistemas elétricos permitem maior capacidade de relocar ativos, voar em órbitas não tradicionais ou não keplerianas e manter espaçonaves em posição por períodos muito mais longos. Embora o Isp dos sistemas elétricos seja muito maior que o dos sistemas químicos, os níveis de empuxo são muito menores. Isso resulta em acelerações muito menores da espaçonave e em tempos de reposicionamento mais longos. A disponibilidade de níveis de potência mais altos permitirá o uso de propulsores de maior potência e, portanto, tempos de reposicionamento menores. Para uma dada potência, o Isp e o empuxo podem ser trocados (P_elect = ½ g_0 Isp F_th / η). Propulsores Hall de alta potência estão sendo projetados para operar tanto em modo de alto empuxo (menor Isp), para inserção em órbita e reposicionamento, quanto em modo de alto Isp (baixo empuxo), para manobras econômicas em propelente e manutenção de posição. Isso acrescenta flexibilidade significativa à forma como a espaçonave é operada e às missões que ela pode realizar.
O posicionamento e o apontamento muito finos da espaçonave podem ser realizados com os baixos níveis de empuxo associados a alguns sistemas elétricos. Por exemplo, a propulsão elétrica por emissão de campo (FEEP) e os propulsores coloidais são capazes de níveis de empuxo na faixa de micronewtons e podem ser usados para compensar pequenas perturbações da espaçonave, como o vento solar.
Figura 11. Propulsor arcjet eletrotérmico em satélite. Comsat Série 7000 da Lockheed Martin com propulsores arcjet de 1,8 kW da Aerojet (foto no detalhe) para manutenção de posição norte-sul.
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23Nota editorial: Abre o capítulo 3: propulsão elétrica em satélites (arcjets, propulsores iônicos e Hall a xenônio); Figura 11 mostra um satélite com propulsores arcjet.
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UNCLASSIFIED/ /FOA QFFI@IAL tt91!! Brit I
Chapter 3 : Space Applications
Electric propulsion systems are
currently being used for attitude
control, positioning, and primary
propulsion. The use of electric
propulsion systems on spacecraft
was limited by the amount of
power available . The thrusters
were developed decades before
the power systems. Early
applications were the replacement
of hydrazine monopropellant
thrusters with hydrazine resistojet
and arcjet thrusters (increasing lsp
from 200 seconds to 300 seconds
for resistojet thrusters and to 600
seconds for arcjet thrusters). An
example is shown in Figure 11.
This keeps most spacecraft the same, just changing the thrusters (lower risk and
cost). Newer spacecraft are being designed specifically for use with electric
thrusters. These are primarily gridded ion engines and Hall- effect thrusters
operating on xenon propellant. Xenon is a unique noble gas that can be stored
with densities close to liquids at pressures above 800 psia. As the available
electric power has increased, the transition to alt electric spacecraft has
increased, as well as the sizes of the electric propulsion systems. Hall thrusters
are used for station keeping as well as apogee insertion maneuvers. This trend
will continue for decades to come. 50
The high lsp available from electric systems enables new operation concepts for
what a spacecraft can do. The amount of propellant that can be stored onboard
limits the number and types of maneuvers the spacecraft can perform. Electric
systems enable enhanced ability to relocate assets, fly nontraditional or non
Kelplerian orbits, and keep spacecraft on station for much longer periods.
Although the l sp of electric systems are much higher than chemical systems, the
thrust levels are much lower. This results in much lower spacecraft accelerations
and longer repositioning times. The availability of higher power levels will allow
for higher power thrusters to be used and, therefore, the repositioning times to
be lower. For a given power, the lsp and thrust can be traded (Pe1ect = ½ go lsp Fth
/17). High-power Hall-effect thrusters are being designed to operate in both a
high-thrust (lower l sp) mode for obit insertion and repositioning and high-lsp (tow
thrust) for propellant -efficient maneuvers and station keeping. This adds
significant flexibility to how the spacecraft is operated and the missions it can
perform .
Very fine spacecraft position ing and pointing can be accomplished using the low
thrust levels associated with some electric systems. For example, field emission
electric propulsion (FEEP) and colloid thrusters are capable of thrust levels in the
micro-Newton range and can be used to offset small spacecraft perturbations
such as solar wind.
UNCLASSIFIED/FQA OFFl&lsld:. ~9E 8HLY
Figure 11. Electrothermal Arcjet Thruster on
Satellite. Lockheed Martin Series 7000 Comsat
with Aerojet 1.8-kW Arcjet thrusters (insert
photo) for north-south station keeping.
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Outra opção operacional permitida pelos sistemas elétricos é voar em órbitas muito mais baixas, onde as forças de arrasto normalmente fariam a espaçonave reentrar em pouco tempo. Um propulsor elétrico aspirante de ar pode ser usado para compensar o arrasto sem necessidade de propelente adicional.51
Sistemas nucleares de energia por fissão acoplados a propulsores elétricos permitem novas capacidades. Reatores nucleares espaciais já voaram no espaço (o SNAP-10A, dos Estados Unidos, e os reatores TOPAZ, da antiga União Soviética).52 O sistema SP-100 mostrado na Figura 1253 estava sendo desenvolvido na década de 1990 como um rebocador para mover espaçonaves de órbitas LEO para GEO. Sistemas de potência ainda mais alta foram propostos para missões planetárias, como as mostradas na Figura 13.54,55 Ter um veículo nuclear em órbita também permite a transmissão de energia, a partir da órbita, a veículos aéreos ou terrestres, ou o uso de armas de laser e de micro-ondas.
[figura: "Vista em corte do sistema nuclear espacial SP-100"]
Figura 12. Sistema nuclear espacial SP-100. Ilustração do reator nuclear SP-100 de 100 kWe.
Figura 13. Conceitos de veículos de propulsão elétrica nuclear (NEP). À esquerda, a espaçonave planetária Jupiter Icy Moons (JIMO) de 100 kWe. À direita, um veículo tripulado a Marte da classe de 100 MWe.
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24Nota editorial: Trata de propulsão elétrica aspirante de ar para compensar arrasto em órbita baixa e de sistemas nucleares espaciais; traz o corte do SP-100 e artes de veículos a Júpiter e a Marte (Figuras 12 e 13).
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UNCLASSIFIED/ /EAR QFFl&IAk l!ISl!!! er•t I
Another operational option enabled with
electric systems is to fly at much lower obits
where drag forces would normally cause the
spacecraft to reenter in a short period of
time. An air-breathing electric thruster can
be used for drag make-up without the need
for additional propellant . 51
Nuclear fission power systems coupled with
electric thrusters enable new capabilities.
Nuclear space reactors have been flown in
space (SNAP-10A by the United States and
TOPAZ reactors by the former Soviet
Union). 52 The SP-100 system shown in
Figure 1253 was being developed in the
1990s as a tug to move spacecraft from
LEO to GEO orbits. Even higher powered
systems have been proposed to planetary
CUTAWAY VIEW OFTHESP-IOOSPACE
NUCLEAR POWER SYSTEM
Figure 12. SP-100 Space
Nuclear Power System.
Illustration of the 100 kWe SP-100
nuclear reacto r.
missions such as those shown in Figure 13.54 • 55 Having a nuclear vehicle in orbit
also enables the beaming of power to air or ground vehicles from orbit or the use
of laser and microwave weapons.
Figure 13. Nuclear Electric Propulsion (NEP) Concept Vehicles. Left is the
100-kWe Jupiter Icy Moons (JIMO) planetary spacecraft . Right is a 100-MWe-class
piloted Mars vehicle.
UNCLASSIFIED/FOR OEFICllk W61i 8HLY
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Capítulo 4: Resumo e previsões
A principal razão da atratividade dos conceitos de propulsão por plasma/MHD é que eles poderiam, em princípio, ir além dos limites das tecnologias convencionais de propulsão, energia e aerodinâmica. É, portanto, perto desses limites, ou além deles, que as novas tecnologias de plasma provavelmente encontrarão aplicação.
As principais dificuldades ou defeitos associados às tecnologias de plasma e MHD são as seguintes:
• Peso e complexidade, especialmente se houver necessidade de um campo magnético forte (>1 Tesla) em grandes volumes e se forem necessários feixes de elétrons para a ionização.
• Para o acelerador/propulsor MHD, as exigências de potência poderiam ser esmagadoras.
• A operação MHD é acompanhada não só pelo trabalho das forças de Ampère, mas também por irreversibilidades e geração de entropia devidas à dissipação Joule. Isso reduz o empuxo e o Isp dos sistemas de propulsão.
• Na ausência de ionização térmica (isto é, em Mach < 12), a complexidade e o orçamento de potência associados à ionização fora do equilíbrio tornam os sistemas de propulsão MHD praticamente impossíveis.
Em contraste, as aplicações à reentrada, a planadores hipersônicos de ataque global e a manobras orbitais aeroassistidas parecem muito promissoras no futuro próximo. A ionização térmica "gratuita" permite dispositivos MHD com campo B muito modesto, e a capacidade do sistema de plasma/MHD de fornecer L/D muito além do possível convencionalmente torna, em conjunto, essas aplicações viáveis e desejáveis para a defesa nacional. No entanto, é provável que esses tipos de aplicação também atraiam a atenção de outras nações, entre elas (mas não só) Rússia, China e Japão, que têm conhecimento e experiência comprovados necessários para realizar tais missões e tecnologias. Essas nações têm a capacidade de desenvolver essas novas tecnologias em alguns anos e talvez implantá-las em 10 anos.
A sorte da propulsão MHD poderia aumentar de forma dramática se veículos de alta velocidade (hipersônicos) passarem a levar fontes poderosas de eletricidade a bordo, como reatores nucleares (de fissão ou de fusão). Como a implantação de energia nuclear a bordo é, em grande parte, uma questão política e não tecnológica, é difícil prever se isso vai ocorrer e, se sim, quando.
Para espaçonaves, a tendência atual de substituir foguetes químicos por sistemas de propulsão elétrica continuará e provavelmente se tornará o padrão. Os sistemas elétricos podem oferecer uma faixa de operação muito mais ampla (por exemplo, posicionamento e apontamento finos com baixo empuxo, manobras mais frequentes ou não tradicionais e tempos maiores em posição) do que os sistemas químicos. A tendência a níveis maiores de potência nas espaçonaves acelerará ainda mais essa tendência. Em última instância, os altos níveis de potência exigidos (centenas de kW a vários megawatts) para certas missões levarão a rever o uso de reatores nucleares de fissão no espaço.
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25Nota editorial: Capítulo 4: lista as dificuldades da propulsão MHD (peso, potência, perdas, ionização abaixo de Mach 12), aponta a reentrada e as manobras orbitais como aplicações promissoras e prevê interesse de outras nações.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFl@IAL 1!191!! 8HLY
Chapter 4: Summary and Predictions
The principal reason for attractiveness of plasma/MHD propu lsion concepts is
that they could in principle reach beyond the limits of conventional propulsion,
power, and aerodynamic technologies. It is thus near or beyond those limits that
novel plasma technolog ies will likely find their application.
The principal difficulties or flaws associated with the plasma and MHD
technologies are as follows:
• Weight and complex ity, especially if there is a need for a strong (>1 Tesla)
magnetic field in large volumes, and if electron beams are needed for
ionization.
• For MHD accelerator/thruster, power requirements could be overwhelm ing.
• MHD operation is accompanied not only by the work of ampere forces, but
also by irrevers ibilities and entropy generation due to Joule dissipation. This
reduces thrust and l sp of propulsion systems.
• In the absence of thermal ionization (i .e., at Mach< 12), complex ity and
power budget associated with nonequilibrium ionization all but make MHD
propulsion systems impossible.
In contrast, applications to reentry, global-strike hypersonic gliders, and
aeroassisted orbital maneuvering look very promising in the near future. The
"free" thermal ionization enables MHD devices with very modest B field and the
abilit y of plasma/MHD system to provide L/D far beyond that possible
conventionally; together, it makes these applications both feasible and desirable
for national defense. However, these types of applications are also likely to
attract attention of other nations, including (but not limited to) Russia, China,
and Japan, that have proven knowledge and experience required to accomplish
such missions and technologies. These nat ions have the capabilit y to develop
such novel technologies within several years and deploying those technologies
perhaps within 10 years.
The fortunes of MHD propulsion could increase dramatically if high-speed
(hypersonic) vehicles begin to carry powerful onboard electricity sources, such as
nuclear (fission or fusion) reactors. Since deployment of onboard nuclear power
is mostly a political rather than a technological issue, it is difficult to predict if
this going to occur and, if yes, when.
For spacecraft, the current tre nd of replacing chemical rockets with electric
propulsion systems will continue and probably will become the standard. Electric
systems can provide a much wider ra nge of operation (e.g., low-thrust fine
positioning/pointing, more frequent or nontradit ional maneuvers, and longer
times on station) than chemical systems can. The trend to larger spacecraft
power levels will further accelerate this trend. Ultimately, the high power levels
required (hundreds of kW to multi-megawatts) for certain missions will lead to
revisiting the use of nuclear fission reactors in space.
UNCLASSIFIEDf,F&R &FFl&IAI: W&E OHi:?/
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TRECHO 23 · PÁGINA FÍSICA 3
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Sumário
RESUMO ........ iv
Capítulo 1: VISÃO GERAL DO CONCEITO ........ 1
Plasmas fracamente ionizados para aplicações de propulsão ........ 2
Sistemas de propulsão elétrica ........ 5
Capítulo 2: APLICAÇÕES AERONÁUTICAS ........ 11
Princípios básicos da magnetohidrodinâmica e requisitos de desempenho de MHD ........ 11
MHD fora do equilíbrio em fluxos de ar frio ........ 13
O conceito Ajax: bypass MHD ........ 15
O bypass reverso de energia ........ 18
Aplicações de MHD à reentrada e ao voo quase orbital ........ 20
Capítulo 3: APLICAÇÕES ESPACIAIS ........ 23
Capítulo 4: RESUMO E PREVISÕES ........ 25
Capítulo 5: NOTAS FINAIS ........ 26
Figuras
Figura 1. Propulsor arcjet eletrotérmico ........ 7
Figura 2. Propulsores iônicos eletrostáticos com grades ........ 8
Figura 3. Orientação de campos para sistemas de campo Hall e propulsor Hall PS ........ 8
Figura 4. Configuração de campos do acelerador eletromagnético e propulsores eletromagnéticos espaciais de campo próprio ........ 9
Figura 5. Motor MHD aspirante de ar ........ 10
Figura 6. Controle MHD da entrada de ar de um scramjet usando ionização por feixe de elétrons ........ 15
Figura 7. Esquema do conceito de veículo hipersônico Ajax ........ 16
Figura 8. O conceito de bypass reverso de energia ........ 19
Figura 9. Esquema do conceito de cowl virtual ........ 20
Figura 10. Veículo de reentrada com dispositivo MHD integrado à superfície e aerodinamização virtual habilitada por plasma, com aumento de L/D ........ 21
Figura 11. Propulsor arcjet eletrotérmico em satélite ........ 23
Figura 12. Sistema nuclear espacial SP-100 ........ 24
Figura 13. Conceitos de veículos de propulsão elétrica nuclear (NEP) ........ 24
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iiiNota editorial: Sumário e lista das treze figuras do estudo.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL USE ONLY
Contents
SUMMARY ................ .............. .... ........ ....................... ....... ........ ....... . , ..... iv
Chapter 1: CONCEPT OVERVIEW ................................ ............................ 1
Weakly Ionized Plasmas for Propulsion Appl ications ....................... 2
Electric Propulsion Systems .......... .......................................... ..,...... 5
Chapter 2: AERONAUTICAL APPLICATIONS ........... .................... ... ..., .... 11
Basic Principles of Magnetohydrodynamics and Requirements for
MHD Performance ........................................... .............................. 11
Non equilibrium MHD in Cold Air Flows ............. .... ........ .................. 13
The Ajax Concept: MHD Bypass ................................................ .,.... 15
The Reverse Energy Bypass ................... ............. ........................... 18
MHD Applications to Reentry and Near-Orbital Flight ................ , .... 20
Chapter 3: SPACE APPLICATIONS ................................ ...... ........ .......... 23
Chapter 4: SUMMARY AND PREDICTIONS ..... ................................... .... 25
Chapter 5: ENDNOTES ........................................... .............................. 26
Figures
Figure 1. Electrothe rmal Arcjet Thruster ................................. ................ 7
Figure 2. Electrostat ic Gridded Ion Thrusters ......... ...... .......................... 8
Figure 3. Field Orientation for Hall Field Systems and PS Hall
Thruster . ................................................................. ................... , 1, •••• • 8
Figure 4. Electromag netic Accelerator Field Configuration and Self-
Field Electromagnetic Spacecraft Thru sters ....... .................. .............. 9
Figure 5. Air-Breathing MHD Engine ................................. ................ , .... 10
Figure 6 . MHD Control of Scramjet Inlet Using E-Beam Ionization . ....... 15
Figure 7. Schematic of Ajax Hypersonic Vehicle Concept ...................... 16
Figure 8. The Reverse Energy Bypass Concept .. ...... .............................. 19
Figure 9. Schematic of the Virtual Cowl Concept ................. ........ .......... 20
Figure 10. Reentry Veh icle with Surface-Integrated MHD Device and
Plasma-Enabled Vi rtual Streamlining and L/D Increase ............... , .... 21
Figure 11. Electrothermal Arcjet Thruster on Satellite .......................... 23
Figure 12. SP- 100 Space Nuclear Power System ..... .................... .......... 24
Figure 13. Nuclear Electric Propulsion (NEP) Concept Vehicles ... ...... ,.... 24
UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY
iiiConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 3, contando a capa.
TRECHO 24 · PÁGINA FÍSICA 30
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Capítulo 5: Notas finais
1 F. Wilson. [referências bibliográficas no original] San Diego, CA, junho de 2006.
2 E. Choueiri. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, n. 2, março-abril de 2004.
3 Journal of Propulsion and Power, seção especial. [referências bibliográficas no original] Vol. 24, n. 5-6, setembro-outubro e novembro-dezembro de 2008.
4 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] Physics of Plasmas, 2001, Vol. 8, n. 5, pp. 1518-1528.
5 S.O. Macheret, M.N. Shneider, R.B. Miles e R.J. Lipinski. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, 2001, Vol. 39, n. 6, pp. 1127-1136.
6 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 30, n. 3, junho de 2002, pp. 1301-1314.
7 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.C. Murray. [referências bibliográficas no original] Physics of Plasmas, Vol. 13, 2006, 023502.
8 S.O. Macheret, M.N. Shneider, R.B. Miles e R.J. Lipinski. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, 2001, Vol. 39, n. 6, pp. 1127-1136.
9 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 42, n. 7, julho de 2004, pp. 1378-1387.
10 Journal of Propulsion and Power, seção especial. [referências bibliográficas no original] Vol. 24, n. 5-6, setembro-outubro e novembro-dezembro de 2008.
11 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 42, n. 7, julho de 2004, pp. 1378-1387.
12 E. Choueiri. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, n. 2, março-abril de 2004.
13 R. Frisbee, editor. [referências bibliográficas no original] documento interno do Jet Propulsion Laboratory, janeiro de 2002. (Este documento esteve acessível pela internet até 2003, mas desde então foi retirado.)
14 R. Frisbee, editor. [referências bibliográficas no original] documento interno do Jet Propulsion Laboratory, janeiro de 2002. (Este documento esteve acessível pela internet até 2003, mas desde então foi retirado.)
15 Propulsores, University of Michigan Plasmadynamics & Electric Propulsion Laboratory, [endereço de internet no original].
16 R. Frisbee, editor. [referências bibliográficas no original] documento interno do Jet Propulsion Laboratory, janeiro de 2002. (Este documento esteve acessível pela internet até 2003, mas desde então foi retirado.)
17 Projeto do acelerador de força de Lorentz a lítio para propulsão espacial de alta potência, Electric Propulsion and Plasma Dynamics Lab, Princeton University, [endereço de internet no original].
18 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 40, n. 1, 2002, pp. 74-81.
19 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 18, n. 2, 2002, pp. 424-431.
20 M.N. Shneider, S.O. Macheret e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 42, n. 11, novembro de 2004, pp. 2303-2310.
21 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 45, n. 9, 2007, pp. 2157-2163.
22 B. Parent, S. Macheret, M. Shneider e N. Harada. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 23, n. 5, 2007, pp. 1023-1032.
23 A. Kuranov e A. Korabelnikov. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, n. 6, novembro-dezembro de 2008, pp. 1229-1247.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
26Nota editorial: Primeira página das notas finais: referências bibliográficas do capítulo, em maior parte artigos de periódicos sobre plasmas fracamente ionizados e MHD.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /FAR AFEiliCl.t.l: W8f! er•t I
Chapter 5: Endnotes
1 F. WiL on, "Recent Advances in Satellite Propulsion and Associated Benefits." AlAA-2006 -5306, 24th
Int rnationaJ Communications Satellite Systems Conference , San Diego, CA, June 2006.
2 E. Choueiri, "A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years,' Journal of Propul ion and
Power, Vol. 20, No. 2, March-April 2004.
3 Journal of Propulsion and Power, Special Section "Weakly Ionized Plasmas for Propulsion Applications ,"
Vol. 24 No . 5-6, September -October and November- December 2008.
4 S.O. Macheret, M.N. Shneider, and R.B. Miles, "Modeling of Discharges Generated by Electron Beams
L □ Dense Gases: Fountain and Thunderstorm Regime, " Physics of Plasmas, 2001, Vol. 8, No. 5, pp. 1518-
1528.
5 S.O. Macheret , M.N. Shneider, R.B. Miles, and R.J. Lipinski "Electron Beam Generated Plasmas LO
Hypersonic Magnetobydrodynamic Channels ' AIAA Journal , 200l , Vol. 39 o. 6, pp. I l27-l L36.
6 S.O. Macberet, M.N. Shneider, and R.B. Miles. "Modeling of Air Plasma Generation by Repetitive High
Voltage Nanosecond Pulses," IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 30 No. 3 June 2002, pp. 130 l -
l314.
7 S.O. Macheret , M.N. Shneider, and R.C. Murray, "Ionization in Strong Electric Fields and Dynamics of
Nanosecond-Pulse Plasmas," Physics of Plasmas Vol. 13, 2006, 023502 .
8 S.O. Macheret , M.N. Shneider, R.B. Miles, and R.J. Lipinski , "Electron Beam Generated Plasmas in
Hypersonic Magnetohydrodynamic Channe ls," AIAA Journal , 2001 , Vol. 39, No. 6, pp. 11 27-1136 .
9 S.O. Macheret, M.N. Shneider, and R.B. Miles, "Magnetohydrodynamic and Electrohydrodynamic
Control ofHypersonic Flows of Weakly Ionized Plasmas ," A IAA Journal, Vol. 42, No. 7 July 2004, pp.
I 378- I 387.
10 Journal of Propulsion and Power, Special Section "Weakly Ionized Plasmas for Propulsion
Applications ," Vol. 24, os. 5-6, September-October and November- Decemb r 2008.
11 S.O. Macheret, M.N. Shneider and R.B. Miles, «Magnetohydrodynamic and Electrohydrodynamic
Control of Hypersonic Flows of Weakly Toni.zed Plasmas," AIAA Journal, Vol. 42, o. 7, July 2004, pp.
1378-1387.
12 E. Choueiri , "A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years," Journal of Propulsion and
Power, Vol. 20, No. 2, March-April 2004.
13 R. Frisbee , editor, "Advanced Space Propulsion Concepts," Jet Propulsion Laboratory internal document ,
January 2002. (This document was accessible via internet until 2003 but has since been removed .)
14 R. Frisbee , editor, "Advanced Space Propulsion Concepts ," Jet Propulsion Laboratory internal document ,
January 2002. (This document was accessible via internet untiJ 2003 but has since been removed.)
15 Thru sters, University of Michigan Plasmadynamics & Electric Propulsion Laboratory ,
http://aerospace.engin .umich.edu/spacelab/thrusters/thrusters.html.
16 R. Frisbee, editor, "Advanced Space Propulsion Concepts ," Jet Propulsion Laboratory internal document ,
January 2002. (This document was accessible via internet until 2003 but has since been removed .)
17 The Lithium Lorentz Force Accelerator for High Power Space Propulsion Project, Electric Propulsion
and Plasma Dynamics Lab, Princeton University, http://alfven.p1inceton.edu/projects/LiLFA.htm.
18 S.O. Macheret M.N. Shneider, and R.B. Miles, "Magnetohydrodynamic Control of Hypersonic Flow and
Scramjet Inlets Using Electron Beam Ionization " AIAA Journal , Vol. 40, No. 1 2002 pp. 74-81.
19 S.O. Macheret M.N. Shneider, and R.B. Miles, ''MHD Power Extraction from Cold Hyperson.ic Air
Flow with External Ionizers," Journal of Propulsion and Power, Vol. 18, No. 2, 2002, pp. 424-431.
20 M.N. Shneider, S.O. Macheret, and R.B. Miles, "Analysis of Magnetohydrodynamic Control of Scramjet
Inlets," AIAA Journal, Vol. 42, No. l l , November 2004, pp. 2303-2310 .
2 1 S.O. Macheret , M.N. Shneider, and R.B. Miles, "Optimum Performance of Electron Beam Driven MHD
Generators for Scramjet Inlet Control " ATAA Journal , Vol. 45, o. 9, 2007, pp. 2157-2163.
22 8 . Parent, S. Macheret, M. Shneider, and . Harada," umerical Study of an Electron-Beam-Confined
Faraday Accelerator,' Journal of Propu lsion and Power , Vol. 23, o. 5, 2007, pp. 1023-1032.
23 Kuranov and A. Korabelnikov , "Ahnospheric Cruise Flight Challenges for Hypersonic Vehicles Under
the Ajax Concept," Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 6, November- December 2008, pp. 1229-
1247.
UNCLASSIFIED/FQA &FFIEIIIIL ~9E 811Li
26Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 30, contando a capa.
TRECHO 25 · PÁGINA FÍSICA 31
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
24 A. Kuranov e A. Korabelnikov. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, n. 6, novembro-dezembro de 2008, pp. 1229-1247.
25 D. Riggins. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, n. 5, 2004, pp. 779-792.
26 D. Riggins. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, n. 5, 2004, pp. 779-792.
27 A. Kuranov e A. Korabelnikov. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, n. 6, novembro-dezembro de 2008, pp. 1229-1247.
28 A. Kuranov e A. Korabelnikov. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, n. 6, novembro-dezembro de 2008, pp. 1229-1247.
29 C. Park, U.B. Mehta e D.W. Bogdanoff. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, n. 5, 2001, pp. 1049-1057.
30 C. Park, D.W. Bogdanoff e U.B. Mehta. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, n. 4, 2003, pp. 529-537.
31 M.N. Shneider e S.O. Macheret. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, n. 2, 2006, pp. 447-454.
32 M.N. Shneider, S.O. Macheret, R.B. Miles e D.M. Van Wie. [referências bibliográficas no original] AIAA 2004-1197, 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 5-8 de janeiro de 2004.
33 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 42, n. 11, novembro de 2004, pp. 2294-2302.
34 M.N. Shneider, S.O. Macheret, S.H. Zaidi, I. Girgis e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, n. 5, 2008, pp. 900-915.
35 S.O. Macheret, M.N. Shneider e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 42, n. 11, novembro de 2004, pp. 2294-2302.
36 M.N. Shneider, S.O. Macheret, S.H. Zaidi, I. Girgis e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, n. 5, 2008, pp. 900-915.
37 S.O. Macheret, M.N. Shneider e G.V. Candler. [referências bibliográficas no original] AIAA 2004-1024, 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 5-8 de janeiro de 2004.
38 C. Steeves, M.N. Shneider, S.O. Macheret, R.B. Miles, H. Wadley e A. Evans. [referências bibliográficas no original] Paper AIAA-2005-1340, 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, Nevada, 10-13 de janeiro de 2005.
39 N. Barlow, C. Steeves, M. Shneider, S. Macheret, R. Miles e A. Evans. [referências bibliográficas no original] Paper AIAA 2005-5047, 36th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, Toronto, Ontario, Canadá, 6-9 de junho de 2005.
40 T. Wan, G. Candler, S. Macheret e M. Shneider. [referências bibliográficas no original] AIAA Journal, Vol. 47, n. 6, 2009, pp. 1327-1336.
41 S.O. Macheret, M.N. Shneider e G.V. Candler. [referências bibliográficas no original] AIAA 2004-1024, 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 5-8 de janeiro de 2004.
42 I.G. Girgis, M.N. Shneider, S.O. Macheret, G.L. Brown e R.B. Miles. [referências bibliográficas no original] Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 43, n. 3, 2006, pp. 607-613.
43 R. Litchford et al. [referências bibliográficas no original] AIAA 2002-2184, 33rd Plasmadynamics and Laser Conference, Maui, HI, maio de 2002.
44 R. Litchford e J. Lineberry. [referências bibliográficas no original] AIAA-2007-3884, 38th AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference, Miami, FL, junho de 2007.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
27Nota editorial: Continuação das notas finais (24 a 44): referências de artigos sobre bypass MHD, cowl virtual, geração de energia na reentrada e experimentos de aceleração MHD.
Conferir original em inglês
UNCLASSIFIED/ /POI': OFFICIAL "91! Oflt t
24 Kuranov and A. Korabelnikov, "Atmospheric Cruise Flight Challenges for Hypersonic Vehicles Under
the Ajax Concept," Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 6, November- December 2008, pp.1229-
1247.
25 D. Riggins, "Analysis of the Magnethydrodynamic Energy Bypass Engine for High-Speed Airbreathing
Propulsion," Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, o. 5, 2004, pp. 779-792.
26 D. Riggins, "Analysis of the Magnethydrodynamjc Energy Bypass Engine for High-Speed Airbreathing
Propulsion " Journal of Propulsion and Power Vol. 20, No. 5, 2004, pp. 779-792.
27 Kuranov and A. Korabeil1ikov, "Atmospheric Cruise Flight Challenges for Hypersonic Vehicles Under
the Ajax Concept," Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 6, November- December 2008, pp.1229-
1247.
28 Kuranov and A. Korabelnikov , "Atmosp heric Cruise Flight Challenges for Hypersonic Vehicles Under
the Ajax Concept," Journal of Propulsion and Power, Vol. 24, No. 6, November- December 2008, pp..1229-
1247.
29 C. Park, U.B. Mehta, and D.W. Bogdanoff, "Magnetohydrodynamics Energy Bypass Scramjet
Perfom1ance with Real Gas Effects," Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, No. 5, 200 I, pp. I 049-
1057.
30 C. Park, D.W. Bogdanoff, and U.B. Mehta, "Theoretical Performance ofa Magnetohydrodynamic
Bypass Scramjet Engine with Nonequilibrimn Jonjzation," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No.
4,2003, pp.529-537.
3 ' M.N. Shneider and S.O. Macheret , "Modeling of Plasma Virtual Shape Control of Ram/Scramjet Inlet
and Isolator," Journal of Propulsion and Power, Vol. 22, No. 2, 2006, pp. 447-454.
32 M.N. Shneider , S.O. Macheret , R.B. Miles, and D.M. Van Wie, "MHD Power Generation in Scramjet
Engines in Conjunction With Lnlet Control," AlAA 2004-1197, 42nd Aerospace Sciences Meeting and
Exhibit, Reno, NV, January 5-8, 2004.
33 S.O. Macheret M.N. Shneider, and R.B. Miles, "Scramjet Inlet Control by Off-Body Energy Addition: a
Virtual Cowl," AJAA Journal, Vol. 42, No. 11 November 2004 , pp. 2294-2302 .
34 M. . Shneider, S.O. Macheret, S.H. Zaidi, 1. Girgis, and R.B. Mj[es, "Virtual Shapes in Supersonic Flow
Control with Energy Addition, Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, o.5, 2008, pp. 900-915.
35 S.O. Macheret, M.N. Shneider, and R.B. Miles, "Scramjet inlet Control by Off-Body Energy Addition: a
Virtual Cowl," AlAA Journal, Vol. 42, No. l l, ovember 2004, pp. 2294-2302.
36 M.N. Shneider, S.O. Macheret, S.H. Zaidi, I. Girgis, and R.B. Miles "Virtual Shapes in Supersonic Flow
Control with Energy Addition," Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, o.5, 2008, pp. 900-915 .
37 S.O. Macheret , M.N. Shneider, and G.V. Candler, "Model ing of MHD Power Generation On Board
Reentry Vehicles," AJAA 2004-1024, 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January
5-8, 2004.
38 C. Steeves, M.N. Shneider, S.O. Macheret, R.B. Miles, H. Wadley, and A. EvaDs, "Electrode Design for
Magnetobydrodynamic Power Panels on Re-Entering Space Vehicles," Paper AIAA -2005-1340, 43rd
ATAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit Reno, Nevada, Jan. 10-13, 2005.
39 . Barlow, C. Steeves, M. Shneider , S. Macheret, R. Miles, and A. Evans, "Modeling of Near-Electrode
Layers for MHD Power Panels on Ree ntering Space Vehicles," Paper AfAA 2005-5047 , 36th AfAA
Plasmadynamics and Lasers Conference, Toronto, Ontario, Canada, 6-9 June 2005.
40 T. Wan, G. Candler, S. Macheret, and M. Shneider, "Three-Dime nsional Simulation of the Electric Field
and Magnetohydrodynamic Power Generation during Reentry," AJAA Journal, Vol. 47, o. 6, 2009, pp.
1327 - 1336.
4 1 S.O. Macheret, M.N. Shneider, and G.V. Candler, "Modeling ofMHD Power Generation On Board
Reentry Vehicles," AIAA 2004-1024, 42nd Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January
5-8, 2004.
42 l.G. Girgis, M.N. Shneider, S.O. Macheret, G.L. Brown, and R.B. Miles, "Creation of Steering Moments
in Supersonic Flow by Off-Axis Plasma Heat Addition," Journal of Spacecraft and Rockets Vol. 43, No. 3,
2006, pp. 607-613.
43 R. Litchford et al., "Magnetohydrodynamic Augmented Propulsion Experiment: I. Perfom1ance Analysis
and Design," AJAA 2002-2184, 33rd Plasmadynamics and Laser Conference, Maui, HI, May 2002.
44 R. Litchford and J. Lineberry, "Status of Magnetohydrodynamic Augmented Propulsion Experiment,"
AIAA-2007-3884, 38th ALAA Plasmadynam.ics and Lasers Conference, Miami, FL June 2007.
UNCLASS I FIED/FOR AliliilifiilPd: W9E et•t I
27Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 31, contando a capa.
TRECHO 26 · PÁGINA FÍSICA 32
página inteira
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
45 K. Goodfellow, R. Frisbee e J. Brophy. [referências bibliográficas no original] Plasma/Electromagnetic Advanced Propulsion Workshop, University of Tennessee Space Institute, 10-11 de dezembro de 1997.
46 J. Lineberry e J. Chapman. [referências bibliográficas no original] AIAA-2000-3056, 35th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Las Vegas, NV, julho de 2000.
47 J. Cole, J. Campbell e A. Robertson. [referências bibliográficas no original] AIAA-95-4079, AIAA 1995 Space Programs and Technologies Conference, Huntsville, AL, setembro de 1995.
48 K. Goodfellow, R. Frisbee e J. Brophy. [referências bibliográficas no original] Plasma/Electromagnetic Advanced Propulsion Workshop, University of Tennessee Space Institute, 10-11 de dezembro de 1997.
49 J. Lineberry e J. Chapman. [referências bibliográficas no original] AIAA-2000-3056, 35th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Las Vegas, NV, julho de 2000.
50 F. Wilson. [referências bibliográficas no original] AIAA-2006-5306, 24th International Communications Satellite Systems Conference, San Diego, CA, junho de 2006.
51 V. Hruby et al. [referências bibliográficas no original] Patente dos Estados Unidos número US 6,834,492 B2, 28 de dezembro de 2004.
52 G. Bennett. [referências bibliográficas no original] AIAA-2006-4191, 4th International Energy Conversion Conference and Exhibit (IECEC), San Diego, CA, junho de 2006.
53 R. Frisbee, editor. [referências bibliográficas no original] documento interno do Jet Propulsion Laboratory, janeiro de 2002. (Este documento esteve acessível pela internet até 2003, mas desde então foi retirado.)
54 Página da internet da missão Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO), Jet Propulsion Laboratory, [endereço de internet no original].
55 R. Frisbee, editor. [referências bibliográficas no original] documento interno do Jet Propulsion Laboratory, janeiro de 2002. (Este documento esteve acessível pela internet até 2003, mas desde então foi retirado.)
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
28Nota editorial: Última página: fim das notas finais (45 a 55), com referências sobre aumento MHD de foguetes, patente de motor elétrico aspirante de ar, reatores espaciais e a missão JIMO.
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UNCLASSIFIED/ ;re" OFFICIA:L tt.!I!! OHL¥
45 K. Goodfellow, R. Frisbee , and J. Brophy , "MHD Propulsion Study ," Plasma /Electromagnetic Advanced
Propul sion Work shop , University of Tenne ssee Space institute , Decem ber 10- 11, 1997.
46 J. Lineberry and J. Chapman , "MHD Augmentation of Rocket Engines for Space Propulsion ," AJAA -
2000-3056 , 35th lnter society Energy Conversion Engineering Conference , Las Vegas , V, July 2000.
47 J. Cole , J. Campbell and A. Robertson , "Rocket -lnduced Magnetobydrodynamjc Ejector - A Single
Stage -to-Or bit Advanced Propulsion Concept ," AJAA -95-4079 , AJAA 1995 Space Programs and
Technolo gies Conference , Huntsville , AL, September 1995.
48 K. Goodfellow , R. Frisbee , and J. Brophy , "MHD Propulsion Study ," Plasma/Electromagnetic Advanced
Propul sion Work shop , University of Tennessee Space Institute, December I 0-11 , J997.
49 J. Lineben-y and J. Chapman , "MRD Augn1entation of Rocket Engines for Space Propulsion ," AIAA-
2000 -3056, 35th lntersoci ety Energy Conversion Engineering Conference , Las Vegas , NV , July 2000 .
5 °F. Wilson , "Recent Advances in Satellite Propulsion and Associated Benefits ," AIAA-2006-5306, 24th
International Communications Satellite Sy ·terns Conference , San Diego , CA , June 2006.
5 1 V. Hruby et al., "Air Breathin g Electi-ically Powered Hall Effec t Thruster," United States Patent numb er
US 6,834,492 B2, December 28, 2004.
52 G. Bennett, "Space Nuclear Power: Opening the Final Frontier ," AIAA-2006-4191 , 4th International
Energy Conversion Conference and Exhibit (IECEC) , San Diego, CA , June 2006.
53 R. Frisbee , editor , "Advanced Space Propul sion Concepts ," Jet Propul sion Laboratory interna l document ,
January 2002. (This document was accessible via intern et tmtil 2003 but has since been removed.)
54 Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) mission web page , Jet Propul sion Labora tory,
http ://www2.jpl.nasa.gov /jimo /
55 R. Frisbee , edjtor , "Advanced Space Propulsion Concepts," Jet Propulsion Laboratory internal document ,
January 2002 . (This docum ent was accessible via internet unt.il 2003 but has since been remo ved.)
UNCLASSIFIEDfF&R 8FF1@1111L tt9E Ot•t I
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TRECHO 27 · PÁGINA FÍSICA 4
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Propulsão e Energia Aspirantes de Ar por MHD para Aplicações Aeroespaciais
Resumo
O trabalho revisa conceitos inovadores de propulsão que utilizam plasmas (gases ionizados) e magnetohidrodinâmica (MHD). Mostra-se que esses conceitos são atraentes por seu potencial de alcançar propulsão e desempenho aerodinâmico muito além das tecnologias convencionais atuais. No entanto, dificuldades significativas impedem o desenvolvimento e a aplicação dessas tecnologias; entre elas estão o peso, a complexidade, a maior potência exigida e a necessidade de ionização artificial, complexa e consumidora de energia, no ar "frio" (em Mach < 12).
Mostrou-se que o conceito Ajax de bypass de energia por MHD, muito divulgado, não tem sentido abaixo de pelo menos Mach 12. Em contraste, um novo "bypass reverso de energia" com cowl virtual é potencialmente prático para veículos hipersônicos aspirantes de ar.
Aplicações do cowl virtual e de outros dispositivos de plasma/MHD à reentrada, a planadores hipersônicos de ataque global e a manobras orbitais aeroassistidas são apontadas como promissoras no futuro próximo. A capacidade de um sistema de plasma/MHD de gerar alta potência a bordo e de fornecer L/D (razão sustentação-arrasto) muito além do possível convencionalmente torna essas aplicações viáveis e desejáveis para a defesa nacional. No entanto, é provável que essas aplicações também sejam implementadas por nações como China, Japão e Rússia.
As perspectivas de uso e aplicação da propulsão MHD poderiam aumentar de forma dramática se veículos de alta velocidade (hipersônicos) passarem a levar fontes poderosas de eletricidade a bordo, como reatores nucleares (de fissão ou de fusão). Para espaçonaves, a tendência atual de substituir foguetes químicos por sistemas de propulsão elétrica continuará e deverá tornar-se o padrão. Sistemas elétricos podem oferecer uma faixa de operação muito mais ampla (por exemplo, posicionamento e apontamento finos com baixo empuxo, manobras mais frequentes ou não tradicionais e tempos maiores em posição) do que os sistemas químicos.
NÃO CLASSIFICADO//SOMENTE PARA USO OFICIAL (marcação riscada no original)
ivNota editorial: Resumo do estudo: vantagens e dificuldades da propulsão por plasma e MHD, conclusão sobre o conceito Ajax e o cowl virtual.
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UNCLASSIFIED/ /FOR OFFICIAL tt.!l!! 8HLY
MHD Air-Breathing Propulsion and Power for
Aerospace Applications
Summary
The paper reviews novel propulsion concepts utilizing plasmas (ionized
gases) and magnetohydrodynamics (MHD). These concepts are shown to
be attractive due to their potential to achieve propulsion and
aerodynamic performance far beyond current conventional technologies.
However, significant difficulties impede the development and application
of these technologies; these include weight, complexity, higher power,
and the need for complex and energy-consuming artificial ionization in
"cold" air (at Mach <12).
A well-publicized Ajax concept of MHD energy bypass has been shown to
be meaningless below at least Mach 12. In contrast, a new "reverse
energy bypass" with Virtual Cowl is potentially practical for air
breathing hypersonic vehicles.
Applications of the Virtual Cowl and other plasma/MHD devices to
reentry, global-strike hypersonic gliders, and aeroassisted orbital
maneuvering are identified as promising in the near future. The ability of
a plasma/MHD system to generate high power onboard and to provide
L/D (lift-to-drag ratio) far beyond that possible conventionally makes
these applications both feasible and desirable for national defense.
However, these applications are also likely to be implemented by
nations such as China, Japan, and Russia.
The outlook for uses and applications of MHD propulsion could increase
dramatically if high-speed (hypersonic) vehicles begin to carry powerful
onboard electricity sources, such as nuclear (fission or fusion) reactors.
For spacecraft, the current trend of replacing chemical rockets with
electric propulsion systems will continue and is likely to become the
standard. Electric systems can provide a much wider range of operation
(e.g., low-thrust fine positioning/pointing, more frequent or
nontraditional maneuvers, and longer times on station) than chemical
systems can.
UNCLASSIFIED/ {FOR AEEIClil.la WSE 8HL I
ivConsultar a ficha do documento ↗ · Página física 4, contando a capa.
TRECHO 28 · PÁGINA FÍSICA 5
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Capítulo 1: Visão geral do conceito
A velocidade e a altitude de um veículo de voo limitam as opções de propulsão disponíveis. Os sistemas tradicionais aspirantes de ar (hélice, turbofan e turbojato) ficam tipicamente limitados a altitudes abaixo de 80.000 pés. Os veículos de grande altitude existentes e planejados utilizam ou propulsão de alta velocidade, com motores ramjet e scramjet, ou sistemas de baixa velocidade com grandes hélices. Foguetes químicos podem operar em todas as altitudes, mas têm tempos de queima limitados e exigem que combustível e oxidante sejam levados a bordo.
A propulsão aspirante de ar de alta velocidade, baseada em motores ram/scramjet, tem dificuldades bem conhecidas: compressão do escoamento externo e interno e controle de ondas de choque; interações choque-choque e choque-camada limite no percurso do escoamento da propulsão; mistura, ignição e retenção de chama na câmara de combustão; combustão incompleta e liberação incompleta de energia química; e temperaturas e fluxos de calor nas paredes muito altos na câmara de combustão. Há limites para o que se pode fazer quanto a esses problemas com tecnologias convencionais, e é por isso que o uso de plasma (gás ionizado), com ou sem campos elétricos e magnéticos, pode oferecer oportunidades adicionais de controle e de aprimoramento da propulsão.
A geração e o armazenamento de energia elétrica a bordo é um dos principais problemas encontrados no voo de grande altitude e alta velocidade. Veículos hipersônicos, tanto os aspirantes de ar quanto os "planadores" de reentrada sem propulsão, não têm turbomáquinas rotativas às quais um gerador elétrico possa ser ligado. Uma opção atraente de energia pode ser oferecida por dispositivos magnetohidrodinâmicos (MHD). Por exemplo, colocar um gerador MHD imediatamente a jusante da câmara de combustão de um scramjet pode, dadas as altas velocidades e a temperatura do escoamento e com aditivos metálicos no combustível, fornecer alta potência (de dezenas de kW a vários MW) sem partes móveis. Em veículos de reentrada, geradores MHD tanto externos (isto é, integrados à superfície) quanto de duto interno também podem gerar alta potência sem partes móveis. O emprego de equipamento adicional, como geradores elétricos, impõe uma penalidade de peso que precisa ser otimizada em relação ao desempenho do veículo.
O uso de sistemas elétricos e magnéticos pode abrir novas áreas potenciais para a propulsão aeroespacial. Enquanto as fontes de energia química são limitadas pela energia disponível em cada reação e a condições de operação favoráveis à combustão, a energia eletromagnética pode ser adicionada ao escoamento numa faixa muito mais ampla de condições de operação. Por exemplo, em altitudes muito elevadas (>150 kft) é difícil obter combustão confiável em motores hipersônicos aspirantes de ar. Em um sistema eletrotérmico, a câmara de combustão seria substituída por uma fonte elétrica de aquecimento que pode adicionar entalpia ao escoamento de forma fácil e confiável, mesmo em baixa pressão. O escoamento também pode ser acelerado pela manipulação de forças de corpo (elétricas e magnéticas) sobre partículas carregadas (íons e elétrons) dentro do escoamento.
Fora da atmosfera, observamos que a operação no espaço quase sempre exige propulsão por foguete, seja ela química, elétrica ou nuclear. As exceções seriam velas e cabos (tethers). As espaçonaves estão passando rapidamente de foguetes químicos para propulsão elétrica (a plasma) na maior parte das operações espaciais.1 O impulso específico (Isp) mais alto disponível nos sistemas elétricos (de 2 a 100 vezes o dos químicos) tem impacto dramático no projeto e na operação do veículo. Embora
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1Nota editorial: Primeira página do capítulo 1: limites do voo aspirante de ar, o problema da energia a bordo e o interesse por plasma e MHD.
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Chapter 1: Concept Overview
A flight vehicle's speed and altitude limit its available propulsion options.
Traditional air-breathing systems (propeller, turbofan, and turbojet) are typ ically
limited to altitudes below 80,000 feet. The existing and planned high-altitude
vehicles utilize either high-speed propulsion with ramjet and scramjet engines or
slow-speed systems with large propellers. Chemical rockets can operate at all
altitudes but have limited burn times and require both fuel and oxidizer to be
carried onboard.
High-speed air-breathing propulsion, based on ram/scramjet engines, have well
known difficulties: external and internal flow compression and shock control;
shock-shock and shock-boundary layer interactions in the propulsion flowpath;
mixing, ignition, and flameholding in the combustor; incomplete combustion and
chemical energy release; and very high temperatures and wall heat fluxes in the
combustor. There are limits to what can be done about these problems with
conventional technologies, which is why the use of plasma (ionized gas) with or
without electric and magnetic fields can offer additional opportunities for control
and propulsion enhancement.
Onboard generation and storage of electric power is one of the main problems
encountered with respect to high-altitude, high-speed flight. Hypersonic vehicles,
both air-breathing and unpowered reentry "gliders," have no rotating
turbomach inery to which an electrical generator could be connected. An
attractive power option can be offered by magnetohydrodynamic (MHD) devices.
For example, placing an MHD generator immediately downstream of a scramjet
combustor can, given the high velocities and temperature of the flow and with
metallic additives to the fuel, provide high power (from tens of kW to several
MW) with no moving parts. For reentry vehicles, both external (i.e., surface
integrated) and internal-duct MHD generators can generate high power also
without moving parts. Employing additional equipment like electrical generators
imposes a weight penalty that must be optimized with vehicle performance.
The use of electric and magnetic systems can open new potent ial areas for
aerospace propulsion. While chemical energy sources are limited by the energy
available for particular reactions and are limited to operating conditions that are
conducive to combustion, electromagnetic energy can be added to the flow over
a much wider range of operating conditions. For example, at very high altitudes
(>150 kft), it is difficult to get reliable combustion in hypersonic air-breathing
engines. In an electrothermal system, the combustor would be replaced with an
electrical heating source that can easily and reliably add enthalpy to the flow
even at low pressure. The flow can also be accelerated by manipulating body
forces ( electric and magnetic) on charged particles (ion and electrons) within the
flow.
Outside the atmosphere, we note that operation in space almost always requires
rocket propulsion whether it be chemical, electric, or nuclear. The exceptions
would be sails and tethers. Spacecraft are rapidly transitioning from chemical
rockets to electric (plasma) for most space-based operations .1 The higher
specific impulse (lsp) available for electric systems (2 to 100 times that of
chemical) has a dramatic impact on the vehicle design and operation. Although
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propulsores elétricos (a plasma) existam há décadas, seu uso no espaço era limitado pela energia elétrica disponível a bordo da espaçonave.2 O advento de painéis solares de alta potência tornou práticos sistemas de poucos kW a dezenas de kW. Os sistemas químicos provavelmente continuarão sendo sempre a escolha principal para colocar veículos no espaço. Os níveis de empuxo dos sistemas elétricos são baixos demais para ser práticos com essa finalidade.
Os sistemas de propulsão químicos e elétricos (ou eletromagnéticos) têm diferenças intrínsecas. Por exemplo, a propulsão química é "limitada por energia" porque os reagentes químicos têm uma quantidade finita de energia por unidade de massa (isto é, sua entalpia de combustão ou de reação), o que limita, em última instância, a velocidade de exaustão alcançável. No entanto, como os propelentes são sua própria fonte de energia, a taxa com que a energia é fornecida ao propelente (que é limitada, em última instância, pela cinética da reação) independe da massa de propelente, de modo que podem ser alcançados potências e níveis de empuxo muito altos. Por contraste, os sistemas de propulsão elétrica normalmente não são limitados por energia: uma quantidade arbitrariamente grande de energia pode ser entregue (a partir do sistema externo de energia solar, nuclear ou química) a uma dada massa de propelente, de modo que a velocidade de exaustão pode ser uma ordem de grandeza maior que a de um sistema químico. Em vez disso, os sistemas de propulsão elétrica são "limitados por potência", porque a taxa com que a energia da fonte externa é fornecida ao propelente é proporcional à massa do sistema de energia. Isso limita o empuxo do sistema de propulsão elétrica para uma dada massa do veículo. Por isso, os veículos de propulsão elétrica têm tipicamente baixa razão empuxo-peso (T/W), isto é, baixa aceleração.
PLASMAS FRACAMENTE IONIZADOS PARA APLICAÇÕES DE PROPULSÃO
Esta revisão é dedicada a um grupo de tecnologias emergentes centradas em plasmas fracamente ionizados para propulsão e energia.3 Partículas carregadas (íons e elétrons) precisam estar presentes no escoamento para que ele possa interagir com campos elétricos e magnéticos aplicados. Os propulsores espaciais operam em pressões muito baixas (< 100 mTorr, ou < cerca de 2 psi), com uma fração significativa do fluido/gás de trabalho parcialmente ionizada (de poucos por cento a quase 100 por cento). Em contraste, os sistemas aspirantes de ar operam em pressões muito mais altas e têm baixas frações de ionização. A fração de ionização de interesse (isto é, a fração das moléculas de gás que estão ionizadas) varia de até 10^-8 a 10^-2, daí o termo "fracamente ionizado". A pressão do gás nos plasmas pode assumir quase qualquer valor. Em aplicações ao voo de grande altitude, a pressão estática é da ordem de 10-100 Torr, enquanto aplicações de combustão exigem pressões próximas da atmosférica (~760 Torr) ou acima dela. A temperatura do gás pode estar próxima da ambiente em descargas luminescentes de baixa pressão, subir a 5.000-10.000 K em arcos ou descargas de micro-ondas de alta pressão, ou chegar a 20.000-30.000 K em centelhas geradas por laser. Os plasmas podem ser gerados por campos elétricos ou eletromagnéticos, de CC a RF, por pulsos curtos, micro-ondas e feixes ópticos (laser), ou por várias combinações desses meios. Em geral, plasmas de baixa pressão tendem a ser uniformes (difusos) e fora do equilíbrio. A temperatura dos elétrons e dos modos moleculares internos pode ser muito alta, enquanto o gás como um todo permanece relativamente frio. À medida que a pressão e a carga de potência aumentam, os plasmas tendem a ficar mais quentes, aproximando-se do equilíbrio térmico, e a se romper em canais (streamers e arcos). A realidade, porém, é mais complexa. Em alguns dispositivos, como as descargas de barreira dielétrica, plasmas fora do equilíbrio são gerados mesmo à pressão atmosférica,
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2Nota editorial: Compara foguetes químicos, limitados por energia, com propulsores elétricos, limitados por potência, e introduz os plasmas fracamente ionizados.
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electric (plasma) thrusters have been around for decades, their use in space was
limited by the electric power available onboard the spacecraft. 2 The advent of
high-power solar arrays has made systems from a few kW to tens of kW
practical. Chemical systems will probably always be the primary choice for
getting vehicles into space. The thrust levels for electric systems are too low to
be practical for that purpose.
Chemical and electric (or electromagnetic) propulsion systems have intrinsic
differences. For example, chemical propulsion is "energy limited" because the
chemical reactants have a finite amount of energy per unit mass (i.e., their
enthalpy of combust ion or reaction), which ultimately limits their achievable
exhaust velocity. However, because the propellants are their own energy source,
the rate at which energy is supplied to the propellant (which is ult imately limited
by the reaction kinetics) is independent of the mass of propellant, so very high
powers and thrust levels can be achieved. By contrast, electric propulsion
systems are typically not energy limited; an arbitrarily large amount of energy
can be delivered (from the external solar, nuclear or chemical power system) to
a given mass of propellant so that the exhaust velocity can be an order-of
magnitude larger than that of a chemical system . Instead, electric propulsion
systems are "power limited" because the rate at which energy from the external
source is supplied to the propellant is proportional to the mass of the power
system. This has the result of limiting the thrust of the electric propu lsion system
for a given vehicle mass. Because of this, electr ic propulsion vehicles are
typically low thrust-to-weight (T/W) ratio (i.e., low acceleration) vehicles.
WEAKLY IONIZED PLASMAS FOR PROPULSION APPLICATIONS
This review is devoted to a group of emerging technolog ies centering on weakly
ionized plasmas for propulsion and power. 3 Charged particles (ions and
electrons) must be present in the flow so that it can interact with applied electric
and magnet ic fields. Space thrusters operate at very low pressures ( < 100 mTorr
or < about 2 psi) with a significant fraction of the working fluid/gas being
part ially ionized (from a few percent to nearly 100 percent) . In contrast, air
breathing systems operate at much higher pressures and have low ionization
fractions. The ionization fraction of concern (i.e., the fraction of gas molecules
that are ionized) ranges from as low as 10-s to 10-2, hence the term "weakly
ionized." The gas pressure in the plasmas can take almost any value. In
applications to high-alt itude flight, the static pressure is on the order of 10-100
Torr, whereas combustion applications demand near-atmospheric ( ~760 Torr) or
above-atmospheric pressures. The temperature of the gas can be near-ambient
in low-pressure glow discharges, rising to 5,000-10,000K in arc or high-pressure
microwave discharges, or even 20,000-30,000K in laser-generated sparks. The
plasmas can be generated by electric or electromagnetic fields, from DC to RF,
short pulses, microwaves, and optical (laser) beams, or by various combinations
of the above. In general, low pressure plasmas tend to be uniform (diffuse) and
nonequilibrium. The temperature of electrons and internal molecular modes can
be very high, while the gas as a whole stays relatively cold. As the pressure and
power loading increase, plasmas tend to become hotter, getting closer to
thermal equilibrium, and also break into channels (streamers and arcs). The
reality, however, is more complex. In some devices, such as dielectric barrier
discharges, nonequilibrium plasmas are generated even at atmospheric pressure,
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e em dispositivos como o arco deslizante (gliding arc) o plasma evolui do quase equilíbrio para um estado fortemente fora do equilíbrio em cada um dos ciclos que se repetem periodicamente. Em camadas de choque e camadas limite durante a reentrada, o plasma está próximo do equilíbrio térmico, embora difuso. A razão principal desse comportamento é que a ionização nessas camadas de choque e camadas limite existe sem qualquer campo elétrico e, portanto, não está sujeita a instabilidades de arco.
Características dos plasmas
Que características ou propriedades tornam os plasmas fracamente ionizados interessantes para aplicações de propulsão e aerodinâmica? A característica mais óbvia é o aquecimento, consequência da dissipação Joule em um meio eletricamente condutor colocado em um campo elétrico. Como elemento de aquecimento, o plasma tem vantagens importantes em comparação com aquecedores convencionais. Por exemplo, mesmo uma descarga elétrica de superfície pode aquecer eficazmente o escoamento de gás muito mais longe da parede do que um aquecedor convencional embutido na parede. Feixes de micro-ondas e de laser podem criar plasmas e aquecer o gás mesmo longe de quaisquer superfícies, e o volume e a forma da região aquecida podem, em princípio, ser ajustados. Como regiões aquecidas podem alterar significativamente o escoamento, fazendo o gás passar principalmente ao redor delas, os plasmas podem formar corpos ou superfícies virtuais comutáveis, controláveis e sintonizáveis. Tais superfícies virtuais podem ser acionadas sob demanda para redução de arrasto, controle aerodinâmico (quando aplicadas de forma assimétrica) e otimização do desempenho da entrada de ar do motor, para citar alguns usos. É a implantação localizada e transitória de superfícies virtuais de plasma que resulta nas interações mais interessantes e complexas com os escoamentos de gás, economizando energia em comparação com o uso de plasma em grande volume e em regime permanente, e por isso é especialmente promissora para aplicações.
Outra aplicação útil do aquecimento por plasma é a ignição. Isso pode parecer trivial; afinal, as velas de ignição dos motores de combustão interna convencionais são dispositivos de plasma térmico bem desenvolvidos. No entanto, a ignição por plasma térmico em motores scramjet não é tão simples, pois o sistema de ignição teria de impedir que o plasma fosse facilmente arrastado pelo escoamento supersônico e, mesmo resolvido esse problema, se não fosse projetado de forma adequada (e bastante engenhosa), o ignitor causaria uma perturbação inaceitavelmente forte no escoamento e perda de pressão de estagnação e exigiria potência extremamente alta. Como exemplo, os ignitores de plasma baseados em descargas de micro-ondas subcríticas são bastante sofisticados.
Além do aquecimento, a presença de partículas carregadas é outra característica óbvia e muito importante dos plasmas. As partículas carregadas podem sofrer a ação de campos elétricos e magnéticos, e essa ação pode ser transferida ao gás em volume por colisões íon-molécula. Assim, interações magnetohidrodinâmicas (MHD) e eletro-hidrodinâmicas (EHD) podem ser utilizadas para exercer forças e para desacelerar ou acelerar o gás tanto em escoamentos centrais não viscosos quanto em camadas limite viscosas. A magnitude dessas interações depende da fração de ionização e da intensidade do campo magnético ou elétrico.
Interações MHD
A fração de ionização pode ser bastante alta em camadas de choque e camadas limite em números de Mach muito elevados (como os da reentrada) ou logo a jusante de
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3Nota editorial: Discute o aquecimento por plasma, as superfícies virtuais, a ignição em scramjet e as forças sobre partículas carregadas.
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and in devices such as t he glid ing arc, the plasma evolves from near-equilibrium
to highly nonequilibrium during each of the periodically repeating cycles. In
shock and boundary layers during reentry, the plasma is near therma l
equilibrium while being diffuse. The primary reason for this behavior is that the
ionization in those shock and boundary layers exists without any electric field
and thus is not subject to arcing instabilities.
Plasma Features
What feat ures or properties make weakly ionized plasmas interesting for
propu lsion and aerodynam ic applicatio ns? The most obvious feature is heating - a
consequence of Joule dissipati on in an electrically conducting medium placed in
an electric field. As a heating element, plasma has important advantages
compared with conventional heaters. For example, even a surface electric
discharge can effect ively heat t he gas flow much farther from the wall than a
wall-imbedded conven tional heater would. Microwave and laser beams can
create plasmas and heat the gas even far from any surfaces, and the volume and
shape of the heated region can, in principle, be adjusted. Since heated regions
can significant ly alter the flow by making the gas flow mostly around them,
plasmas can form switchable, controllable, and tunable virtual bodies or
surfaces. Such virtua l surfaces can be deployed on demand for drag reduction,
aerodynamic control (when applied asymmetr ically), and optimization of engine
inlet performance, to name a few. It is the localized and transient deployment of
plasma virtual surfaces that results in the most interest ing and complex
interactions with gas flows while saving energy compared with large -volume,
steady-state plasma uti lization, and thus is especially promis ing for applications.
Another useful applicat ion of plasma heating is ignition. This may seem trivial;
after all, spark plugs in conventional interna l combustion engines are well
developed thermal plasma devices . However, therma l plasma ignit ion for
scramjet engines is not that simple, since the ignition system would have to
prevent the plasma from being easily blown away by the supersonic flow, and
even if this problem is resolved, if not proper ly (and quite ingeniously) designed,
the igniter would cause an unacceptably strong perturbat ion to the flow and loss
of the stagnation pressure and would require extremely high power. As an
example, plasma igniters based on subcritical microwave discharges are quite
sophisticated .
Besides heating, the presence of charged partic les is another obvious, and very
important, feature of plasmas. Charged particles can be acted upon by electric
and magnet ic fields, and this action can be transferred to the bulk gas by ion
molecu le collisions. Thus, magnetohydrodynam ic (MHD) and
electrohydrodynamic (EHD) interactions can be ut ilized to exert forces and to
decelerate or accelerate the gas in both inviscid core flows and viscous boundary
layers. The magnitude of such interactions depends on the ionization fraction and
the magnet ic or electric field strength.
MHD Interactions
The ionization fraction can be quite high in shock and boundary layers at very
high Mach numbers (such as those in reentry flight), or just downstream of
UNCLASSIFIED) POI\ OFF!el»!CL tt.!l!! 8HLY
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câmaras de combustão ram/scramjet, se vapor de metal alcalino for adicionado ao gás. Nessas regiões, as interações MHD podem ser promissoras para geração de energia elétrica ou aceleração do escoamento, bem como para controle do escoamento. No entanto, em números de Mach abaixo de cerca de 12 (excluindo-se a câmara de combustão ou a região logo a jusante dela), o ar é frio demais para uma ionização térmica significativa, mesmo com adição de metal alcalino. O nível de ionização necessário precisa então ser criado e mantido por meios fora do equilíbrio (não térmicos), o que está associado a um orçamento de potência muito substancial e a aquecimento adicional. Portanto, a eficiência da ionização (que pode variar em ordens de grandeza conforme o meio de ionização) é de importância de primeira ordem para toda a operação e eficiência do dispositivo. A energia usada para ionizar e excitar as moléculas de gás pode ser considerada perda no sistema, já que essa energia raramente é recuperada na forma de energia cinética dirigida ou de empuxo. Note-se, a esse respeito, que a ionização por feixes de elétrons de alta energia ou por pulsos repetitivos de alta tensão de nanossegundos é promissora como o meio mais eficiente em energia de ionização fora do equilíbrio.4,5,6,7
Mesmo com as técnicas de ionização mais eficientes, o orçamento de potência e o aquecimento adicional associados ao ionizador normalmente limitam o nível de ionização alcançável. Para obter um efeito MHD substancial,8,9 é preciso usar um campo magnético muito forte (o que traz algumas questões práticas) ou usar a interação MHD em regime localizado e transitório (por exemplo, para controle da camada limite).
Quanto à interação EHD,10,11 ela depende da não neutralidade do plasma e de um campo elétrico para transferir momento ao gás. Embora os fenômenos EHD (ou "vento iônico") sejam conhecidos há muitos anos, nos últimos anos houve uma onda de novo interesse por esse tipo de interação. Esse novo impulso se deve à descarga de barreira dielétrica (DBD) assimétrica, um dispositivo notavelmente simples que se mostrou muito eficaz em retardar e controlar o descolamento do escoamento e talvez até a transição laminar-turbulenta. Embora os detalhes da física dos atuadores de plasma DBD ainda sejam compreendidos de forma incompleta, a simplicidade desses dispositivos, seu baixo consumo de energia e a eficácia notável no controle de descolamento colocam esses sistemas no topo da lista das tecnologias de aerodinâmica por plasma e de propulsão assistida por plasma com perspectivas de aplicação a curto prazo.
Combustão
Outra área em que plasmas fracamente ionizados fora do equilíbrio (não térmicos) são muito promissores é a combustão assistida por plasma. Embora o aquecimento induzido por plasmas possa inflamar misturas combustíveis, como mencionado acima, é a presença de elétrons "quentes" em um gás frio que torna os plasmas fora do equilíbrio bastante interessantes para promover processos químicos como a combustão. A dissociação, a excitação e a ionização de moléculas por impacto de elétrons podem gerar espécies quimicamente ativas, como radicais e átomos e moléculas excitados, e essas espécies podem iniciar ou acelerar reações químicas que de outro modo seriam inexistentes ou lentas em baixa temperatura. Diversas técnicas novas, incluindo (mas não só) pulsos de alta tensão de nanossegundos e o chamado "arco deslizante" (gliding arc), mostraram-se bastante eficazes na combustão assistida por plasma. A investigação dos mecanismos detalhados (muitas vezes bastante complexos e
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4Nota editorial: Explica o custo energético de ionizar o ar abaixo de Mach 12 e distingue os atuadores DBD da combustão assistida por plasma.
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ram/scramjet combustors if alkali vapor is added to the gas. In those regions,
MHD interactions can be promising for electric power generation or acceleration
of the flow, as well as for flow control. However, at Mach numbers below about
12 (and excluding the combustor or the region just downstream of it), the air is
too cold for a significant thermal ionization even with alkal i seeding. The required
level of ionizat ion then has to be created and sustained by nonequilibrium
(nonthermal) means and is associated with a very substantial power budget and
additional heating. Therefore, the efficiency of ionization (which can vary by
orders of magnitude depending on the particular means of ionization) is of first
order significance for the entire operation and efficiency of the device. Energy
used to ionize and excite the gas molecules can be considered as loss in the
system since this energy is rarely recovered in the form of directed kinetic or
thrust energy. Note that in this regard, ionization by high-energy electron beams
or by repetitive high-voltage nanosecond pulses are promising as the most
energy-efficient means of nonequilibrium ionization. 4 ,5,6 ,7
Even with the most efficient ionization techniques, the power budget and
additional heating associated with the ionizer normally limit the achievable level
of ionization. To have a substantial MHD effect, 8• 9 one has to either use a very
strong magnetic field (which is associated with some practical issues) or use the
MHD interaction in a localized and transient regime (e.g., for boundary layer
control).
As for EHD interaction, 10 , 11 it relies upon non-neutral ity of the plasma and an
electric field to impart momentum to the gas. Although EHD (or "ion wind")
phenomena have been known for many years, the last several years saw a surge
of new interest to this type of interaction. This new boom is due to the
asymmetric dielectric barrier discharge (DBD)-a remarkably simple device that
has been demonstrated to be very effective in delaying and controlling flow
separation and perhaps even laminar-turbulent transit ion. Although details of the
physics of DBD plasma actuators are still incompletely understood, the simplicity
of these devices, their low power consumption, and the striking effectiveness in
separation control bring these systems to the top of the list of plasma
aerodynamics and plasma-assisted propulsion technologies that have near-term
application prospects.
Combustion
Another area where nonequilibrium (nonthermal) weakly ionized plasmas are
very promising is plasma-assisted combustion. Although heating induced by
plasmas can ignite combustible mixtures, as mentioned above, it is the presence
of "hot" electrons in a cold gas that makes nonequilibrium plasmas quite
interesting for promoting chemical processes such as combustion . Electron
impact dissociation, excitation, and ionization of molecules can generate
chemically active species such as radicals and excited atoms and molecules, and
those species can initiate or accelerate chemical reactions that would otherwise
be nonexistent or slow at low temperature. A number of novel techniques,
including (but not limited to) high-voltage nanosecond pulses and the so-called
"gliding arc" have been shown to be quite effective in plasma-assisted
combustion . Investigation of detailed mechanisms (often quite complex and
UNCLASSIFIEDtFAR AliFiUi1Ak WSE 8HLY
4Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 8, contando a capa.
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não triviais) dos processos físicos e químicos acoplados nesses plasmas pode levar a uma melhor compreensão deles e ajudá-los a se tornarem práticos.
SISTEMAS DE PROPULSÃO ELÉTRICA
Os propulsores de propulsão elétrica podem ser divididos em três categorias: eletrotérmicos, eletrostáticos e eletromagnéticos. Primeiro, os propulsores eletrotérmicos usam energia elétrica para aquecer diretamente o propelente e adicionar entalpia. O gás aquecido é então acelerado por um bocal gasodinâmico convencional convergente-divergente. Segundo, os propulsores eletrostáticos usam campos elétricos estáticos aplicados para acelerar íons do propelente por forças de corpo. Terceiro, os propulsores eletromagnéticos usam forças de corpo eletromagnéticas (ExB) para acelerar um plasma (cargas positivas e negativas). Um sistema de propulsão elétrica consiste em uma fonte de energia (por exemplo, solar ou nuclear), eletrônica de condicionamento de potência, motor/propulsor (incluindo a entrada de ar, nos sistemas aspirantes de ar) e subsistema de armazenamento e alimentação de combustível/propelente.
A energia pode ser obtida da luz solar, de um reator nuclear ou de fontes químicas. No caso da propulsão elétrica solar (SEP), fótons solares são convertidos em eletricidade por células solares. A energia também poderia ser transmitida ao veículo por fontes de laser ou de micro-ondas. Transmitir a energia permite densidades de potência maiores, mas com a complicação adicional de exigir uma estação de energia e um meio de fazer a energia chegar ao veículo (iluminação direta ou por meio de um sistema de retransmissão). Na propulsão elétrica nuclear (NEP), a energia térmica do reator nuclear é convertida em eletricidade por um sistema estático ou dinâmico de conversão de energia térmica em elétrica. Os sistemas estáticos têm a vantagem de não ter partes móveis, com alta confiabilidade, mas têm baixa eficiência; os sistemas dinâmicos têm partes móveis (por exemplo, turbinas e geradores) e não escalam bem para sistemas pequenos, mas têm eficiência maior. Outros sistemas de armazenamento de energia a bordo, como capacitores de alta densidade, volantes de inércia ou células de combustível, poderiam ser usados.
São necessários sistemas de condicionamento de potência para converter a tensão do sistema de energia na forma exigida pelo propulsor elétrico. Por exemplo, um sistema de energia SEP produz CC de baixa tensão (tipicamente ~100 V); ela precisaria ser convertida (por transformadores etc.) para níveis de quilovolts para uso em um propulsor iônico. O sistema de condicionamento de potência costuma ser chamado de unidade de processamento de potência (PPU); esta, por sua vez, faz parte do subsistema geral de gerenciamento e distribuição de energia (PMAD) do veículo.
São possíveis várias combinações de propulsor e propelente, dependendo da aplicação específica. O propelente ou fluido de trabalho pode ser armazenado a bordo e usado em modo foguete, ou coletado da atmosfera em modo aspirante de ar. A escolha natural, no nível do sistema, entre esses métodos de propelente é massa de combustível/propelente versus massa do sistema de energia. Os sistemas aspirantes de ar exigem menos massa de propelente, mas exigem energias maiores para realizar missões semelhantes. Embora os foguetes operem tanto no espaço quanto no ar, suas durações de empuxo são limitadas pela quantidade de propelente que pode ser transportada.
Parâmetros-chave de desempenho determinam os pontos fortes e fracos relativos de diferentes tecnologias de propulsão. A eficiência do combustível/propelente é caracterizada pelo impulso específico (Isp) nos foguetes e pelo consumo específico de combustível por empuxo (TSFC) nos sistemas aspirantes de ar. É uma medida de quanto
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5Nota editorial: Define propulsores eletrotérmicos, eletrostáticos e eletromagnéticos e os subsistemas de energia e condicionamento de potência.
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UNCLASSIFIED/ /POR. OPPl@IAL ~SI! OHL¥
nontrivial) of the coupled physical and chemical processes in those plasmas can
potentially lead to their better understanding and help them become practical.
ELECTRIC PROPULSION SYSTEMS
Electric propulsion thrusters can be divided into three categories: electrothermal,
electrostatic, and electromagnetic. First, electrothermal thrusters use electric
energy to directly heat the propellant and add enthalpy. The heated gas is then
accelerated using a conventional converging-diverging gas-dynamic nozzle.
Second, electrostatic thrusters use applied static electric fields to accelerate
propellant ions via body forces. Third, electromagnetic thrusters use
electromagnetic body forces (ExB) to accelerate a plasma (positive and negative
charges). An electric propulsion system consists of a power source (e.g., solar or
nuclear), power conditioning electronics, engine/thruster (including inlet for air
breathing systems), and fuel/propellant storage and feed subsystem.
Energy can be obtained from sunlight, a nuclear reactor, or chemical sources. In
the case of solar electric propulsion (SEP), solar photons are converted into
electricity by solar cells. The energy could also be beamed to the vehicle using
laser or microwave sources. Beaming the power allows for higher power
densities but with the added complications of needing a power station and a
means of getting the power to the vehicle (direct illumination or via a relay
system). In nuclear electric propulsion (NEP), thermal energy from the nuclear
reactor is converted into electricity by either a static or dynamic thermal-to
electric power conversion system. Static systems have the advantage of no
moving parts for high reliability, but they have low efficiency; dynamic systems
have moving parts (e.g., turbines and generators) and do not scale well for small
systems, but they do have higher efficiency. Other onboard energy storage
systems such as high-density capacitors, flywheels, or fuel cells could be used.
Power conditioning systems are required to convert the power system voltage to
the form required by the electric thruster. For example, an SEP power system
produces low-voltage DC (typically ~l00V); this would need to be converted (via
transformers, etc.) to kilovolt levels for use in an ion thruster. The power
conditioning system is often referred to as the power processing unit (PPU); this
is, in turn, part of the vehicle's overall power management and distribution
(PMAD) subsystem.
Various combinations of thruster and propellant are possible, depending on the
specific application. The propellant or working fluid can be either stored on board
and used in a rocket mode or collected from the atmosphere in an air-breathing
mode. The natural system-level trade between these propellant methods is
fuel/propellant mass versus power system mass. Air-breathing systems require
less propellant mass but require higher energies to perform similar missions.
Although rockets will operate in a space or air environment, t heir thrust
durations are limited by the amount of propellant that can be carried.
Key performance parameters determine the relative strengths and weaknesses
of different propulsion technologies. The fuel/propellant efficiency is
characterized by the specific impulse (Isp) for rockets and by the thrust-specific
fuel-consumption (TSFC) for air-breathing systems. It is a measure of how much
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5Consultar a ficha do documento ↗ · Página física 9, contando a capa.
Datas e contexto documental
- Acontecimento
- Não estabelecida — Não há evento observado: é um estudo técnico de revisão de conceitos.
- Documento
- 21/11/2010 — Data de 21/11/2010 e data de corte (ICOD) de 20/07/2010, na capa.
- Publicação
- Não estabelecida — A data de liberação pública não consta destas páginas.
Origem e divulgação
Defense Intelligence Agency (DIA), Defense Warning Office, Technology Warning Division (DWO-4); programa AAWSAP · DOW-UAP-D149_AAWSAP-DIRD-MHD-Air-Breathing-Propulsion-and-Power-for-Aerospace-Applications-November-21-2010.pdf
Páginas físicas 1 a 32; capa com data de 21/11/2010, expediente na p. 2, texto principal nas pp. 4 a 29 e notas finais nas pp. 30 a 32.
Relatos relacionados e suas diferenças
- DIA, 2010: DIRD do AAWSAP sobre detecção de veículos hipersônicos
- DIA, 2010: dois estudos do AAWSAP sobre fusão aneutrônica
- DIA, 2010: estudos do AAWSAP sobre propulsão por pósitrons e nuclear
Perguntas para continuar a investigação
- Quem são os autores ocultos como AAP Person 86 e 87, e quais das estimativas de prazo para China, Japão e Rússia foram revistas depois de 2010?
- Que uso a DIA ou o AAWSAP fez deste estudo, além de arquivá-lo na série de relatórios de tecnologia avançada de 2010?
- O experimento de prova de conceito de motor MHD aspirante de ar, citado como estudado pela Lockheed Martin Aeronautics, teve resultados publicados?
GEOGRAFIA DO CASO
Washington, D.C., EUA
Referência aproximada à sede da DIA, onde o relatório foi encomendado e arquivado, posicionada pela redação. Não indica local de evento observado.
RASTRO DOCUMENTAL
Volte às fontes
As referências usam páginas físicas do PDF, contando a capa. Os resumos são apresentados em português; os documentos preservam seu idioma original.
- DOW-UAP-D149_AAWSAP-DIRD-MHD-Air-Breathing-Propulsion-and-Power-for-Aerospace-Applications-November-21-2010.pdf
Páginas físicas 1 e 2 (capa e expediente), 4 (resumo), 20 (Figura 7, conceito Ajax) e 29 (resumo e previsões); páginas 1 a 32 traduzidas na íntegra
DOW · 32 páginas
Síntese editorial baseada no fichamento do acervo, revista em 26/09/2026. Como lemos os documentos.


