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Introduction

Dès le début des années soixante, un important effort de recherche en MHD avait été initié dans de nombreux pays : Angleterre, URSS, USA, France. Des pays comme l'Allemagne, puis le Japon rejoignirent ce peloton plus tard. Le but était alors de mettre au point des générateurs MHD qui pouvaient en principe avoir des rendements bien supérieurs à ceux des machines thermiques (jusqu'à 60 %). Les sources d'énergie étaient de deux natures : combustions d'hydrocarbures ou énergie nucléaire. Pour que le procédé soit rentable il était essentiel que le fluide dont on se proposait d'extraire le plus d'énergie cinétique possible ait une conductivité électrique suffisante. Or en principe tous les gaz sont de très mauvais conducteurs de l'électricité. Ce sont même… des isolants. On fit donc tout ce qui semblait possible pour doter ces gaz d'une conductivité électrique importante, en les "ensemençant" avec des éléments alcalins, à bas "potentiel d'ionisation" (essentiellement du césium). Mais les résultats s'avérèrent décevants, en dépit des sommes très importantes investies dans cette recherche, à une époque de forte croissance économique. On envisagea alors de faire fonctionner ces générateurs avec "deux températures", en dotant "le gaz d'électrons libres" d'une température plus élevée que celle du gaz lui-même, constitué d'atomes et d'ions. Mais dans ce type de gaz à ionisation hors d'équilibre soumis à un champ magnétique, une redoutable "instabilité électrothermique", découverte théoriquement en 19621 et confirmée expérimentalement en 19652 par le physicien russe Evgeny Velikhov (qui devint par la suite vice-président de l'Académie des Sciences d'URSS) ruina tous ces plans, dès la fin des années soixante. Au milieu des années soixante-dix, la plupart des pays avaient abandonné, à l'exception de l'URSS qui maintint, jusq'à son effondrement économique, un effort important dans ce secteur de recherche.

Lorsque je fus affecté à l'Institut de Mécanique des Fluides de Marseille, en 1965, j'y trouvai une petit équipe, rassemblée autour d'un chercheur, Georges Inglesakis, qui avait effectué (en s'inspirant de travaux faits aux USA par un chercheur d'origine Suisse, Bert Zauderer) des expériences de conversion directe en utilisant comme source de rafale de gaz ce qu'on appelait un "tube à choc". Les expériences étaient de très brèves durées (moins d'une centaine de microsecondes) mais tout l'intérêt résidait dans le fait que le gaz expulsé à très grande vitesse (plus de 2500 m/s), sous une pression importante (un bar) était également très chaud (dix mille degrés) donc très fortement conducteur de l'électricité. Dans ces conditions, il devenait possible de simuler ces générateurs MHD dont on rêvait en comprimant, donc en chauffant et en expulsant à travers une tuyère, des gaz aussi piètrement conducteurs de l'électricité dans des conditions ordinaires (comme l'argon) mais qui le devenaient à la température à laquelle ils étaient portés. Bien sûr, ces expériences n'avaient aucun intérêt sur le plan strictement industriel. Que faire d'un générateur qui ne peut fonctionner, toutes les heures, que pendant un dixième de millionnième de seconde, même s'il crache pendant ce temps là plusieurs mégawatts ? À l'époque personne ne réalisa (sauf les soviétiques) que ces générateurs impulsionnels trouveraient un jour leur réemploi dans ce qui devait s'appeler bien plus tard la "guerre des étoiles", le programme d'armes spatiales à énergie dirigée.

Le lecteur apprendra, peut-être avec surprise, que le père de la MHD soviétique ne fut autre que le génial Andréi Sakharov (également père de la première bombe H russe, et inventeur entre autres du concept de tokamak, machine destinée à contrôler la fusion nucléaire par confinement magnétique). Sakharov n'était pas un chercheur, c'était un trouveur et un visionnaire. Personne, à cet Institut Marseillais où j'avais atterri, ne suspectait les réelles possibilités de la MHD. Quelques résultats spectaculaires furent cependant obtenus. En 1967, deux ans après mon entrée au laboratoire, grâce à une astuce, redécouverte quinze années plus tard par un Japonais, je réussis à faire fonctionner pour la première fois un générateur bitempérature (toujours pendant ces rafales brèves), en prenant de vitesse l'instabilité de Velikhov (laquelle se développait en un millionième de seconde)3,4. Des expériences d'accélération du plasma furent également menées avec succès, avec des gains de vitesse de 5 km/s sur seulement dix centimètres de longueur de tuyère5. Mais tout ceci passa totalement inaperçu, sur la toile de fond de la déconfiture générale.

En France, la recherche est en principe "dirigée". Des organismes comme le CNRS ou autres se dotent donc de "programmes". Le problème est que les gens qui établissent ces programmes et ceux qui ont les idées, effectuent les recherches, ne sont pas les mêmes personnes. De plus les instances françaises dirigeant les recherches expérimentales dépendent étroitement de l'armée et des polytechniciens. Le seul domaine de recherche où l'on puisse envisager des travaux à long terme dans un climat plus indépendant est la recherche théorique.

Au coeur de cette recherche il y avait une idée passionnante : est-il possible de faire évoluer un engin dans l'air à vitesse supersonique, et même hypersonique, en air dense, sans créer de "bang", d'onde de choc ?6 Un étudiant, Bertrand Lebrun, fit une thèse de doctorat sous ma direction, dans cette voie7. Nos travaux théoriques, accompagnés de nombreuses publications scientifiques dans des revues à comité de lecture et de communications dans des congrès internationaux, répondirent par l'affirmative à cette question8,9,10. Au milieu des années quatre-vingt, je réussis à convaincre le directeur général du CNRS de l'époque, Pierre Papon, de nous aider à monter une expérience. Des crédits furent débloqués. L'idée était de travailler une nouvelle fois dans des expériences de brève durée, en utilisant le "tube à choc" comme souflerie à rafale chaude. Un laboratoire de Rouen possédait encore une de ces "antiquités". Nous avions en outre récupéré un important matériel, vestige du premier tokamak de Fontenay-aux-Roses. Nous allions ainsi faire "de la recherche de pointe avec du matériel de rebut". À la fin des années quatre vingt, nous fûmes à deux doigts de réussir.

Mais hélas l'armée décida de nous écarter du projet afin d'exploiter les résultats attendus à ses propres fins, en maintenant cette recherche de manière confidentielle sous le sceau du secret-défense. En effet, un engin capable de voler à vitesse hypersonique sans bruit à basse altitude, donc de manière totalement furtive, représenterait le missile de croisière idéal. On imagine aisément l'atout stratégique que pourrait représenter un "missile de croisière MHD", seul capable de jouer à saute-mouton avec les collines, en hypersonique (pour non-initié : tous les missiles de croisière actuels sont subsoniques). Le fait que l'armée ait à cette époque voulu interdire qu'une telle recherche soit menée dans un contexte civil aurait pu être en soi compréhensible, dans la mesure cette recherche aurait été aurait poursuivie dans ses propres sanctuaires militaires, loin des regards indiscrets. Or, une décennie plus tard il s'est avéré que les militaires français, confrontés à d'importantes difficultés techniques, avaient alors rapidement abandonné ces recherches. L'enquête qui a été menée a simplement apporté la conclusion suivante : il n'y a pas eu de MHD militaire française. Et au vu des dernières annonces11,12 cette MHD militaire n'a fait son come-back en France que vingt ans après ces événements, en 2007, et encore pas dans le domaine des plasmas hypersoniques, mais dans celui bien plus plus simple des études préliminaires sur la propulsion sous-marine, à un niveau comparable aux premières études effectuées dans les années soixante aux États-Unis ou en Union Soviétique.

Le lecteur trouvera dans le dossier qui suit une présentation vulgarisée de cette fameuse manip de flow control par la MHD, d'annihilation des ondes de choc à vitesse supersonique, celle que nous devions réaliser à la fin des années quatre-vingt et qui aurait très vraisemblablement fonctionné au premier essai, tout ayant été déjà théorisé et dûment calculé dans la thèse de Lebrun. Aujourd'hui, le coût des équipement nécessaires a considérablement chuté et cette expérience serait désormais, sur le plan matériel, tout à fait à la portée d'une école technique standard, moyennant mes connaissances théoriques en physique des plasmas hors d'équilibre. Nous prévoyons d'ailleurs de mener enfin à bien cette expérience sur fonds privés, indépendamment de toute pression extérieure.

   
 
     
     
 

References


1 E.P. Velikhov (1962). "Hall instability of current-carrying clightly-ionized plasmas", 1st International Conference on MHD Electrical Power Generation, Newcastle-upon-Tyne, England, paper 47.

2 E.P. Velikhov, A.M. Dykhne, I.Ya Shipuk (1965). "Ionization instability of a plasma with hot electrons", 7th Int. Con! on Ionization Phenomena in Gases, Belgrade, Yugoslavia.

3 J.P. Petit; J. Valensi, J.P. Caressa (24–30 July 1968). "Theoretical and experimental study in shock tube of non-equilibrium phenomena in a closed-cycle MHD generator" in International Symposium on MHD Electrical Power Generation. International Atomic Energy Agency, Warsaw, Poland. Proceedings 2: 745–750.

4 J.P. Petit; J. Valensi, J.P. Caressa (24–30 July 1968). "Electrical characteristics of a converter using as a conversion fluid a binary mix of rare gases with non-equilibrium ionization" in International Symposium on MHD Electrical Power Generation. International Atomic Energy Agency, Warsaw, Poland. Proceedings 3.

5 B. Forestier; B. Fontaine, P. Bournot and P. Parraud (July 20, 1970). "Study of the variations in the aerodynamic flow parameters of ionized argon subjected to Laplacian accelerating forces". Comptes-rendus de l'Académie des Sciences 271: 198–201. Paris: French Academy of Sciences.

6 J.P. Petit (September 1983). "Is supersonic flight without shock wave possible?" in 8th International Conference on MHD Electrical Power Generation. Proceedings, Moscow, Russia.

7 B. Lebrun (dir. J.P. Petit) (1987). "Theoretical study of shock wave annihilation around a flat wing in hot supersonic gas flow with Lorentz forces". Energetic Engineer-Doctor thesis 233, University of Poitiers; & Journal of Mechanics, France.

8 J.P. Petit; B. Lebrun (November 1986). "Shock wave cancellation by Lorentz forces action around a model imbedded in a supersonic flow" in 9th International Conference on MHD Electrical Power Generation. Proceedings, Tsukuba, Japan.

9 J.P. Petit; B. Lebrun (October 1992). "Theoretical analysis of shock wave anihilation with MHD force field" in 11th International Conference on MHD Electrical Power Generation. Beijing, China Proceedings III, Part.9- Fluid dynamics, art.4: 748–753.

10 J.P. Petit; B. Lebrun (1989). "Shock wave annihilation by MHD action in supersonic flows. Two-dimensional steady non-isentropic analysis. Anti-shock criterion, and shock tube simulations for isentropic flows". European Journal of Mechanics 8 (2): 307–326.

11 Modélisation et simulation numérique du couplage magnétohydrodynamique (MHD), Offre de stage Ingénieur mécanique des fluides bac+4/5, DCNS (Direction des Constructions Navales et Sous-marines), ref. IST070742, 23 août 2007.

12 Etude de la discrétion magnétique d’une propulsion navale MHD, Offre de stage Ingénieur bac+4/5, DCNS (Direction des Constructions Navales et Sous-marines).