Магнитный щит против раскаленной плазмы. Физики испытали электромагнитное торможение кораблей на гиперзвуке
Японские инженеры приблизили космические аппараты к необычному способу торможения при входе в атмосферу. Вместо того чтобы полагаться только на форму корпуса и теплозащиту, исследователи предлагают воздействовать на раскалённую плазму мощным магнитным полем. В лабораторном эксперименте такой «магнитный щит» заметно изменил ударный слой перед моделью аппарата, летящего в потоке со скоростью около 7 км/с.
Исследователи из Токийского столичного университета и Университета Тоттори разработали установку для изучения магнитогидродинамического аэроторможения. При входе космического аппарата в атмосферу воздух перед корпусом резко сжимается и разогревается до нескольких тысяч градусов. Часть газа ионизируется и превращается в плазму, поэтому на поток можно воздействовать магнитным полем.
Идея заключается в том, чтобы отодвинуть горячий ударный слой дальше от поверхности аппарата. Теоретически такой подход способен одновременно уменьшить тепловую нагрузку и повысить аэродинамическое сопротивление, помогая кораблю терять скорость. Современные аппараты решают проблему нагрева с помощью жаростойких плиток и абляционных материалов, которые принимают удар на себя, но увеличивают массу конструкции, изнашиваются и усложняют повторное использование.
Раньше подобные эксперименты проводили преимущественно с постоянными неодимовыми магнитами, однако их возможности ограничены фиксированной формой и напряжённостью магнитного поля. Японская команда заменила постоянные магниты импульсным электромагнитом. Специальная система из конденсаторов подавала на катушки ток около 1 кА именно в тот короткий момент, когда гиперзвуковой поток достигал модели. Установка позволила получить магнитное поле напряжённостью до 1,58 тесла. Для модели такого размера показатель более чем вдвое превосходит поле использовавшегося для сравнения неодимового магнита. Сам эксперимент длился всего около 40 микросекунд, поэтому исследователям удалось обойтись без массивной системы охлаждения электромагнита.
Учёные испытали две модели диаметром 20 мм с разными формами носовой части и отдельными конфигурациями катушек. При включённом магнитном поле толщина светящегося слоя перед моделями увеличивалась примерно на 16%. Изменился и спектр излучения нагретого газа. Наблюдения подтвердили, что сильное магнитное поле действительно воздействует на высокотемпературный поток и меняет структуру ударного слоя.
Пока исследователи не доказали, что новая установка уже способна заметно снизить нагрев реального космического корабля или существенно увеличить его торможение. Следующий этап потребует прямых измерений теплового потока, сопротивления, положения ударной волны и плотности электронов. Именно такие эксперименты покажут, насколько эффективным окажется магнитогидродинамическое торможение за пределами лаборатории.
Разработчики рассматривают установку как шаг к испытаниям настоящих возвращаемых аппаратов. В перспективе магнитное поле может дополнить традиционную теплозащиту и дать инженерам новый способ управлять спуском без подвижных аэродинамических поверхностей. Особенно интересной технология выглядит для аппаратов, которые входят в атмосферу на очень высокой скорости, включая возвращаемые капсулы и будущие межпланетные миссии.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Spacecraft and Rockets. Экспериментальная система достигла одного из самых сильных магнитных полей, использовавшихся в испытаниях магнитогидродинамического аэроторможения при потоке порядка 7 км/с.