Японці випробували «силове поле» для гальмування повернених кораблів в атмосфері

Дослідники Токійського столичного університету (Tokyo Metropolitan University) створили наземну експериментальну установку для перевірки магнітногідродинамічного аероторможення (MHD) космічних апаратів під час входу в атмосферу. Ідея полягає в тому, щоб використовувати магнітне поле на кораблі для захисту апарата від нагріву та для додаткового гальмування, немов силове поле з наукової фантастики, і це працює.

Джерело зображення: Tokyo Metropolitan University

Під час входу в атмосферу перед спускаємим апаратом формуються ударні хвилі, а повітря в ударному шарі нагрівається до кількох тисяч градусів і частково іонізується. Магнітне поле корабля здатне взаємодіяти з цим слабкоіонізованим плазмовим потоком, що дозволяє відсунути гарячий ударний шар далі від поверхні апарата, одночасно збільшуючи його аеродинамічний опір. Це знижує підвищені вимоги до теплового екрану повертаючих апаратів і створює безкоштовний ресурс для зниження швидкості.

У всіх попередніх експериментах для імітації магнітного поля корабля вчені поміщали всередину невеликих моделей постійні неодимові магніти. Це обмежувало діапазон магнітних полів і не дозволяло оперативно змінювати їх конфігурацію. Група під керівництвом Коєї Сімамури (Kohei Shimamura) замінила постійний магніт імпульсним електромагнітом, що складається з набору спеціально підібраних котушок. Для його живлення використовувалася імпульсна схема, здатна на дуже короткий час подавати великий струм.

Випробувальна платформа синхронізувала включення магніта з проходженням ударної хвилі. При цьому модель корабля поміщали в гіперзвукову аеродинамічну трубу з потоком повітря зі швидкістю понад 7 км/с, що відповідає швидкості газів навколо корабля під час реального входу в атмосферу. У експерименті тривалість впливу потоку на модель становила всього десятки мкс, але цього достатньо, щоб виявити тенденції.

Під час випробувань дві моделі з різною геометрією отримали різні конфігурації котушок. Імпульсний електромагніт сформував магнітні поля напруженістю 1,24 і 1,58 Тл. Останнє значення більш ніж у два рази перевищує поле звичайних неодимових магнітів, що суттєво розширює діапазон параметрів для експериментів. Синхронно з ударною хвилею працювала високошвидкісна камера, що реєструвала власне світіння нагрітого ударного шару. При ввімкненому магнітному полі товщина цього світного шару збільшувалася більш ніж на 15 % — експериментальне свідчення того, що область плазми дійсно віддалялася від поверхні моделі.

Для повертаємого космічного апарата розробка потенційно забезпечує подвійний ефект: магнітне поле може збільшити відстань між корпусом і найгарячішою частиною ударного шару, зменшуючи потік тепла на поверхню, і одночасно посилюючи аеродинамічний опір, перенаправляючи частину кінетичної енергії апарата на нагрів атмосфери. На відміну від традиційної теплової захисту, що базується на важких керамічних плитках і абляційних матеріалах, MHD-аероторможення теоретично дозволяє зменшити масу і знос теплової захисту і є вкрай цікавим для багаторазових апаратів.

Проте, поки що йдеться про лабораторні випробування з мініатюрними моделями, але створення електромагніта з керованим полем до 1,58 Тл розглядається авторами як наступний крок до експериментів з більш масштабними моделями і, в перспективі, як перехід до випробувань технології на справжніх космічних кораблях під час їх повернення в атмосферу.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки