sistema diagnostico per esperimenti di iterazione mhd in regimi

SISTEMA DIAGNOSTICO PER ESPERIMENTI DI
ITERAZIONE MHD IN REGIMI IPERSONICI
C.A. Borghi, A. Cristofolini, V.M. Granciu, C. Latini, G. Neretti
Dipartimento di Ingegneria Elettrica dell’Università degli Studi di Bologna
Viale Risorgimento, 2, 40135, Bologna, Italy
In questa memoria vengono descritti i metodi diagnostici messi a punto per le indagini sperimentali
eseguite nell’ambito di progetti sull'interazione magnetofluidodinamica in flussi ipersonici di argon
finanziati dall’Agenzia Spaziale Europea e dall’Agenzia Spaziale Italiana. Tale indagine ha due
fondamentali obiettivi. Il primo riguarda l’evidenziazione del fenomeno e la sua efficacia nel generare
campi elettrici e relativi campi di forze che rappresentino una potenziale tecnologia per il volo
ipersonico. Il secondo obiettivo riguarda l’acquisizione di dati sperimentali adatti alla validazione di
codici numerici che descrivono il fenomeno magnetofluidodinamico. Si passa quindi da un’indagine
qualitativa, nel primo caso, ad un’indagine quantitativa nel secondo.
Le indagini sperimentali sull’interazione MHD in flussi ipersonici fino ad ore sono stati fatti in
galleria ipersonica. Il gas solitamente viene riscaldato per mezzo di una scarica elettrica e quindi viene
accelerato da un ugello ipersonico. All’uscita dell’ugello viene posto il provino MHD dotato di un
dispositivo per la generazione del campo magnetico. Tale provino viene investito dal gas a velocità
ipersonica che provoca un’onda d’urto nel gas alle immediate vicinanze del provino stesso. Nello
strato di gas fra fronte d’urto e superficie del provino il gas risulta essere compresso e con aumento
della temperatura. Lo stato di plasma dell’argon con grado di ionizzazione dell’ordine di 10-3 è
ottenuto in camera di scarica e si conserva durante l’espansione nell’ugello e l’urto contro il provino.
Il sistema diagnostico comprende diagnostiche di tipo termo-fluidodinamico, di tipo elettrico e
diagnostiche del plasma. Le diagnostiche termo-fluidodinamiche sono per lo più le consuete
diagnostiche per la misura della pressione, della temperatura e della velocità del gas. Per mezzo di
sonde elettrostatiche si misurano i campi elettrici generati dall’interazione MHD ed in particolare il
campo di Hall (in direzione del flusso del plasma) in quanto il campo di Faraday nelle configurazioni
adottate negli esperimenti citati è cortocircuitato dal plasma stesso. Le diagnostiche del plasma
utilizzate sono di tipo spettrografico, di imaging, che utilizza tecniche di fotografia digitale
ultrarapido, e ad assorbimento di micro-onde. E’ possibile anche utilizzare la fotografia Schlieren per
evidenziare il regime d’urto e l’influenza su di esso dell’interazione MHD. Purtroppo negli
esperimenti sopra citati l’intensità della luce emessa dal plasma durante l’interazione MHD di gran
lunga supera l’intensità del fascio della lampada utilizzata per la tecnica Schlieren coprendo il suo
effetto. In futuri esperimenti l’utilizzo di una lampada più potente potrebbe ottenere risultati positivi.
In Fig. 1 è mostrato il campo di velocità all’uscita dell’ugello ipersonico nella regione in cui durante
gli esperimenti di interazione viene posto il provino MHD. Tali misure, che costituiscono la
caratterizzazione fluidodinamica del flusso dell’argon, sono essenziali per la validazione del codice
MHD e ne costituiscono i dati di input. I valori della pressione, misurata sulla superficie laterale di un
provino conico, con (linea rossa) e senza campo magnetico (linea blu) e quindi con e senza interazione
MHD, sono mostrate in Fig. 2. In tal caso l’interazione provoca un aumento di pressione di circa il
15%. Nella parte finale dell’esperimento, allo spegnimento della scarica che riscalda il gas, non si
forma il plasma e l’interazione non viene generata pur conservandosi il flusso ipersonico. In tal caso
perciò le due linee rossa e blu si sovrappongono.
In Fig. 3 sono mostrati gli andamenti del potenziale fra sonde poste sulla superficie del provino in
direzione del flusso. I potenziali misurati corrispondono a campi di Hall di circa 0,5 kV. L’immagine
di Fig. 4 si riferisce all’esperimento a delle Figure 1, 2 e 3. In tale figura sono mostrati gli anelli di
plasma generati dalle correnti di Faraday in corrispondenza ai valori massimi del campo di induzione
magnetica ( 0,5 T), generato da magneti permanenti posti immediatamente sotto la superficie del
provino. Le correnti di Faraday infatti raggiungono valori elevati a seguito della corto circuitazione del
campo di Faraday all’interno del plasma. Misure della luminosità emessa dal plasma in camera di
scarica sono mostrate nelle Figure 5 e 6. La prima di esse riporta lo spettro dell’argon. La seconda
mostra l’allargamento della linea H dell’idrogeno che è contenuto nel gas come impurezza. Dallo
spettro di emissione dell’argon è possibile ottenere la temperatura elettronica impiegando differenti
metodi. In Tabella 1 vengono confrontati risultati ottenuti da Boltzmann plot dell’intensità di linea
dell’argon ionizzato con quelli ottenuti da misure del continuo di ricombinazione dell’argon e
confrontando l’intensità del continuo ad una fissata lunghezza d’onda con l’intensità di una linea
dell’argon neutro.
In Tabella 2 sono mostrate misure della densità elettronica a 100, 200 e 300 ms dall’inizio
dell’esperimento. Le misure ottenute dall’allargamento Stark (dovuto all’interazione elettroneelettrone) della linea dell’idrogeno in camera di scarica, sono confrontate con i valori ottenuti dalla
relazione di Saha alla temperatura elettronica. All’uscita dell’ugello la densità elettronica viene
ricavata tramite la misura dell’assorbimento di micro-onde I risultati di tale misura sono riportati
nell’ultima colonna di Tabella 2.
Tabella 1.. Misure della temperatura elettronica.
Tabella2. Misure della densità elettronica
Fig. 1. Campo di velocità misurate nella
regione di uscita dell’ugello.
Fig 2. Misure di pressione con e senza
interazione MHD
Fig. 3. Misure del potenziale
di Hall.
Fig. 4. Immagine ultrarapida
dell’interazione MHD.
Fig. 5. Spettro di emissione dell’Argon
in camera di scarica.
Fig. 6. Linea H dell’idrogeno
(486,1 nm).
1. A. Cristofolini, C.A. Borghi, M. R. Carraro, G. Neretti, A. Passaro, G. Fantoni, L. Biagioni, and F.
Paganucci, MHD Iteraction over an Axisymmetric Body in a Hypersonic Flow, AIAA Journal of
Spacecraft and Rockets, Vol. 45, n. 3, pp. 438-444, May-June 2008
2. A. Cristofolini, C.A. Borghi, M. R. Carraro, G. Neretti, A. Passaro, G. Fantoni, and L. Biagioni,
Hypersonic MHD Interaction on a Conical Test Body with a Hall Electrical Connection, IEEE
Transactions on Plasma Science, Vol. 36, n. 2, pp. 530-541, 2008.