Японцы испытали «силовое поле» для торможения возвращаемых кораблей в атмосфере

Исследователи Токийского столичного университета (Tokyo Metropolitan University) создали наземную экспериментальную установку для проверки магнитогидродинамического аэроторможения (MHD) космических аппаратов при входе в атмосферу. Идея заключается в том, чтобы использовать магнитное поле на корабле для защиты аппарата от нагрева и для дополнительного торможения, словно силовое поле из научной фантастики, и это работает.

При входе в атмосферу перед спускаемым аппаратом формируется ударная волна, а воздух в ударном слое нагревается до нескольких тысяч градусов и частично ионизируется. Магнитное поле корабля способно взаимодействовать с этим слабоионизированным плазменным потоком, что позволяет оттеснить горячий ударный слой дальше от поверхности аппарата, одновременно увеличивая его аэродинамическое сопротивление. Это снижает повышенные требования к тепловому экрану возвращаемых аппаратов и создаёт бесплатный ресурс для снижения скорости.

Во всех предыдущих экспериментах для имитации магнитного поля корабля учёные помещали внутрь небольших моделей постоянные неодимовые магниты. Это ограничивало диапазон магнитных полей и не позволяло оперативно менять их конфигурацию. Группа под руководством Коэи Симамуры (Kohei Shimamura) заменила постоянный магнит импульсным электромагнитом, состоящим из набора специально подобранных катушек. Для его питания использовалась импульсная цепь, способная на очень короткое время подавать большой ток.

Испытательная платформа синхронизировала включение магнита с прохождением ударной волны. При этом модель корабля помещали в гиперзвуковую аэродинамическую трубу с потоком воздуха со скоростью свыше 7 км/с, что соответствует скорости газов вокруг корабля при реальном входе в атмосферу. В эксперименте продолжительность воздействия потока на модель составляла всего десятки мкс, но этого достаточно, чтобы выявить тенденции.

Во время испытаний две модели с разной геометрией получили разные конфигурации катушек. Импульсный электромагнит сформировал магнитные поля напряжённостью 1,24 и 1,58 Тл. Последнее значение более чем вдвое превышает поле обычных неодимовых магнитов, что существенно расширяет диапазон параметров для экспериментов. Синхронно с ударной волной работала высокоскоростная камера, регистрировавшая собственное свечение нагретого ударного слоя. При включённом магнитном поле толщина этого светящегося слоя увеличивалась более чем на 15 % — экспериментальное свидетельство того, что область плазмы действительно отдалялась от поверхности модели.

Для возвращаемого космического аппарата разработка потенциально обеспечивает двойной эффект: магнитное поле может увеличить расстояние между корпусом и наиболее горячей частью ударного слоя, уменьшая поток тепла на поверхность, и одновременно усиливая аэродинамическое сопротивление, перенаправляя часть кинетической энергии аппарата на нагрев атмосферы. В отличие от традиционной теплозащиты, основанной на тяжёлых керамических плитках и абляционных материалах, MHD-аэроторможение теоретически позволяет уменьшить массу и износ теплозащиты и крайне интересно для многоразовых аппаратов.

Впрочем, пока речь идёт о лабораторных испытаниях с миниатюрными моделями, но создание электромагнита с управляемым полем до 1,58 Тл рассматривается авторами как следующий шаг к экспериментам с более масштабными моделями и, в перспективе, как переход к испытаниям технологии на настоящих космических кораблях при их возвращении в атмосферу.