Японские исследователи испытали технологию, которая в будущем может одновременно помогать космическим аппаратам тормозить и защищать их от экстремального нагрева при возвращении на Землю. Учёные из Токийского столичного университета создали экспериментальную систему магнитогидродинамического аэроторможения — MHD. Сильное магнитное поле воздействует на раскалённый и частично ионизированный газ вокруг корабля, фактически формируя дополнительный защитный барьер между плазмой и корпусом.

Лабораторные испытания подтвердили работоспособность идеи. В гиперзвуковом потоке со скоростью более 7 км/с исследователям удалось создать управляемое магнитное поле напряжённостью до 1,58 Тл. После его включения светящийся ударный слой перед моделью космического аппарата увеличился более чем на 15%, то есть наиболее горячая область действительно отодвинулась от поверхности. В перспективе технология может снизить тепловую нагрузку на корабль и одновременно увеличить сопротивление атмосферы, помогая ему эффективнее гасить скорость.

Зачем космическому кораблю магнитное поле

Возвращение из космоса — один из наиболее тяжёлых этапов любого полёта. Аппарат входит в плотные слои атмосферы с огромной скоростью, а перед его корпусом формируется ударная волна.

Газ в этой области разогревается до нескольких тысяч градусов и частично ионизируется, превращаясь в плазму. Именно поэтому возвращаемым аппаратам необходима мощная теплозащита.

Обычно проблему решают при помощи специальных термостойких материалов. Это могут быть керамические элементы или абляционная защита, которая постепенно разрушается, унося вместе с собой часть тепловой энергии.

Японские исследователи предлагают дополнить традиционный подход другим физическим эффектом.

Поскольку раскалённый газ частично ионизирован, на его движение можно воздействовать магнитным полем. В результате появляется возможность изменить структуру потока вокруг аппарата и отодвинуть наиболее горячую его область дальше от корпуса.

У технологии сразу две потенциальные задачи

Магнитогидродинамическое аэроторможение интересно не только возможностью уменьшения нагрева.

Изменяя движение плазмы перед аппаратом, магнитное поле способно увеличить сопротивление, возникающее при прохождении атмосферы. Следовательно, часть кинетической энергии корабля будет эффективнее передаваться окружающему газу.

Получается своеобразный активный аэродинамический тормоз без дополнительных механических поверхностей.

В идеальном случае одна система сможет выполнять сразу две функции: снижать тепловую нагрузку на корпус и помогать аппарату быстрее терять скорость.

Именно поэтому внешне технология напоминает фантастическое «силовое поле». Правда, в реальности никакого непроницаемого энергетического щита вокруг корабля не возникает — магнитное поле лишь воздействует на ионизированный газ.

Раньше возможности экспериментов ограничивали постоянные магниты

Сам принцип MHD-взаимодействия с плазмой изучается не впервые. Проблемой оставался способ создания магнитного поля в экспериментальных моделях.

Ранее исследователи размещали внутри небольших макетов постоянные неодимовые магниты. Такое решение относительно простое, однако возможности управления полем сильно ограничены.

Нельзя быстро менять его интенсивность и конфигурацию, что затрудняет проведение полноценных сравнительных экспериментов.

Команда под руководством Коэи Симамуры из Tokyo Metropolitan University пошла другим путём и разработала импульсный электромагнит.

Вместо постоянного магнита внутри экспериментальной установки разместили специально подобранный набор катушек. Электрическая система на очень короткое время подаёт на них большой ток, создавая мощный магнитный импульс.

Модель поместили в поток со скоростью более 7 км/с

Для проверки технологии потребовались условия, приближенные к тем, которые возникают возле настоящего космического аппарата при входе в атмосферу.

Модели испытывались в гиперзвуковой аэродинамической установке. Скорость потока превышала 7 км/с, или примерно 25 000 км/ч.

Сам эксперимент длился совсем недолго. Воздействие гиперзвукового потока на модель продолжалось лишь десятки микросекунд.

Система должна была практически идеально синхронизировать несколько процессов. В нужный момент через экспериментальную установку проходила ударная волна, одновременно включался импульсный электромагнит, а высокоскоростная камера фиксировала происходящее.

Именно собственное свечение разогретого газа позволило исследователям наблюдать изменение положения ударного слоя.

Магнитное поле достигло 1,58 Тл

В ходе экспериментов использовались две модели различной формы и соответствующие им конфигурации электромагнитных катушек.

Исследователям удалось получить поля напряжённостью 1,24 и 1,58 Тл.

Максимальный показатель оказался более чем вдвое выше уровня, который обеспечивали применявшиеся в подобных экспериментах обычные неодимовые магниты.

Но важна не только мощность. Электромагнит позволяет управлять параметрами поля, поэтому учёные получают значительно больше возможностей для дальнейших исследований и поиска наиболее эффективной конфигурации.

Горячая плазма отдалилась от поверхности

Главным результатом эксперимента стало заметное изменение ударного слоя.

Когда магнитное поле было включено, толщина наблюдаемой светящейся области увеличивалась более чем на 15%.

Это указывает на то, что взаимодействие магнитного поля с ионизированным потоком действительно способно менять положение плазменной области относительно поверхности модели.

Для будущего космического аппарата увеличение такого расстояния потенциально означает снижение теплового потока, непосредственно достигающего корпуса.

Однако лабораторный результат пока нельзя напрямую переносить на полноразмерный корабль. Для этого потребуются значительно более масштабные исследования.

Особенно интересна технология для многоразовых кораблей

Современная теплозащита является не только технически сложной, но зачастую и тяжёлой частью космического аппарата. Кроме того, после полёта её приходится тщательно проверять, ремонтировать или полностью заменять отдельные элементы.

Если MHD-система позволит хотя бы частично уменьшить максимальную тепловую нагрузку, требования к традиционному теплозащитному экрану потенциально можно будет снизить.

Особенно привлекательным это выглядит для многоразовой космической техники, где стоимость и сложность обслуживания между полётами имеют огромное значение.

Но у технологии появится и собственная цена. Для создания мощного магнитного поля на реальном аппарате потребуется соответствующее оборудование, система электропитания и эффективное управление. Поэтому итоговый выигрыш по массе и сложности ещё предстоит доказать.

До настоящего «силового поля» на корабле ещё далеко

Проведённый эксперимент пока следует воспринимать как подтверждение физического принципа, а не как готовую систему для установки на следующий космический корабль.

Исследователи работали с небольшими моделями, а гиперзвуковое воздействие продолжалось лишь очень короткое время. Настоящий спускаемый аппарат значительно крупнее и подвергается экстремальным нагрузкам гораздо дольше.

Следующей задачей станет переход к более масштабным экспериментам. Созданная система с регулируемым импульсным полем до 1,58 Тл как раз позволяет проводить исследования в значительно более широком диапазоне условий.

Если технологию удастся масштабировать, магнитное поле однажды действительно сможет стать активной частью системы возвращения космических аппаратов. Оно не заменит фантастический энергетический щит, зато вполне реально может помочь отодвинуть раскалённую плазму от корпуса и одновременно использовать атмосферу для более эффективного торможения корабля.