Новый метод тестирует магнитное торможение для безопасного возвращения космических аппаратов

Исследователи из Токийского столичного университета создали новую систему для тестирования магнитогидродинамического аэродинамического торможения при входе космических аппаратов в атмосферу. Их платформа генерирует интенсивные магнитные поля с помощью мощного электромагнита, когда миниатюрный аппарат сталкивается с ударной волной, движущейся со скоростью более семи километров в секунду (4,3 мили в секунду). Магниты достигли гораздо более высоких полей, чем в предыдущих работах с постоянными магнитами, что является ключевым шагом к испытаниям с реальными аппаратами в атмосфере. Об этом сообщает издание Phys.org.

При входе в атмосферу космические аппараты сталкиваются с ударными волнами, превышающими несколько километров в секунду, которые нагревают воздух у поверхности аппарата до нескольких тысяч градусов. Для противодействия этому нагреву современные технологии используют термостойкие плитки и жертвенные материалы, которые рассеивают тепло и защищают аппарат. Этот подход надежен, но имеет серьезные ограничения: увеличивает вес, износ поверхности, стоимость и время ремонта, что особенно критично при росте спроса на многоразовые аппараты.

Перспективная технология для преодоления этих проблем — магнитогидродинамическое аэродинамическое торможение (МГД). Применяя магнитное поле к слабо ионизированной плазме ударной волны, можно расширить и отодвинуть сверхгорячий ударный слой от поверхности аппарата. Это не только снижает тепловой поток внутрь аппарата, но и увеличивает аэродинамическое сопротивление, замедляя его. Предыдущие работы подтверждают этот метод, но тестирование таких систем — сложная задача: обычно используют постоянный магнит внутри небольшой модели, что затрудняет систематическое тестирование различных напряженностей и форм поля.

Команда под руководством доцента Кохея Шимамуры из Токийского столичного университета разработала новую систему с мощным электромагнитом, установленным внутри небольшой модели. Электромагнит состоит из настраиваемого набора катушек и питается от формирователя импульсов (PFN), который подает интенсивный импульс тока, создавая сильное поле на короткий период времени.

В ходе испытаний модель сталкивается с ударной волной со скоростью более семи километров в секунду в течение десятков микросекунд в гиперзвуковой расширительной трубе — наземной установке для тестирования в экстремальных условиях. Система отслеживает прибытие ударной волны и точно синхронизирует магнитное поле с ее длительностью, достигая напряженностей, значительно превышающих возможности постоянного неодимового магнита. Высокоскоростная камера также синхронизирована с ударной волной для записи свечения нагретого ударного слоя.

Команда создала две модели с конфигурациями катушек, адаптированными под их форму, и подтвердила создание полей напряженностью 1,24 и 1,58 тесла, причем последняя более чем вдвое превышает напряженность обычных неодимовых магнитов. Слой самосвечения при включенном поле стал более чем на 15% толще. Эта работа — важный шаг к запланированным испытаниям реальных аппаратов и разработке ключевой технологии для будущих космических миссий с входом в атмосферу.