从烧蚀防热到主动控流：日本测试航天器磁流体再入减速技术
不用只靠耐热瓦硬扛？日本1.58特斯拉强磁场试验瞄准航天器再入减速
航天器高速返回地球时，未来或许可以不再完全依靠耐热瓦和烧蚀材料“硬扛”数千摄氏度高温。
据Universe Space Tech 8月31日报道，日本东京都立大学等机构正在推进磁流体力学气动制动（MHD aerobraking）研究。研究团队近期在接近大气再入速度的地面试验中，将宇宙飞行器模型置于秒速约7公里的极超声速流场内，并利用脉冲电磁铁产生最高1.58特斯拉的强磁场。试验显示，施加磁场后，模型前方高温激波自发光区域厚度增加约16%，证实强磁场能够明显改变再入高温流场结构。
这项研究由东京都立大学和鸟取大学团队开展，成果于7月23日发表于美国航空航天学会《Journal of Spacecraft and Rockets》，论文题为《用于磁流体气动制动的脉冲形成网络准稳态磁场生成》。东京都立大学7月28日随后发布研究成果。
不是用磁铁直接“拉住”飞船
所谓MHD气动制动，并不是简单利用磁场直接给航天器“踩刹车”。
航天器以每秒数公里速度进入大气后，前方空气会被剧烈压缩、加热并发生部分电离，形成高温、高压的激波层。传统航天器主要依靠隔热瓦、耐高温结构或烧蚀材料承受热流，但由此带来的防热系统重量、材料消耗以及重复使用后的检测维修，一直是再入飞行器设计的重要约束。
MHD气动制动则试图利用这一高温电离气体本身。
当航天器产生足够强的磁场后，磁场与激波层中的带电粒子相互作用，可通过电磁力改变高温气流运动，将部分高温区域向远离机体表面的方向推移。理论上，这既有望降低传向航天器表面的热流，又可能增加飞行阻力，辅助航天器减速。
问题在于，过去实验通常把钕铁硼永久磁铁安装在小型模型内部。永久磁铁不仅磁场强度有限，而且磁场空间分布基本固定，很难按照不同飞行器外形进行调整，制约了对MHD气动制动规律的系统验证。
1.58特斯拉，超过同尺寸永久磁铁两倍
此次研究的突破点首先在实验手段。
研究人员研制了一套由脉冲形成网络（PFN）和空芯线圈组成的电磁场发生系统。由于极超声速风洞的有效观测窗口只有约40微秒，团队无需让电磁铁长时间持续工作，而是在激波到达模型的瞬间释放约千安级脉冲电流，将强磁场、极超声速流和高速摄影在微秒尺度上同步起来。
研究人员设计了两种直径约20毫米、头部曲率不同的模型，并针对外形分别设计线圈。其中一套模型参考了日本“隼鸟”探测器样品返回舱外形。
实验测得两种模型前方最大磁场分别达到1.24特斯拉和1.58特斯拉，约为对比用同尺寸球形钕磁铁的1.7倍和2.1倍。东京都立大学称，就秒速7公里级MHD气动制动试验而言，这一磁场强度达到世界领先水平。
强磁场开启后，高速摄像机记录到两种模型前方自发光区域厚度分别增加约15.7%和16.2%；氮分子及氮分子离子的发射光谱也出现变化。研究团队据此判断，脉冲磁场确实作用于高温激波层，并改变了其空间结构和内部能量状态。
真正关键的是“可调”，而不是单纯把磁场做强
从航天工程角度看，这项研究更重要的价值，是建立了一套能够改变磁场强度和空间分布的地面试验工具。
使用电磁线圈后，工程人员可以针对返回舱、升力体等不同外形重新设计磁场分布，并系统研究磁场强弱、作用范围与激波层变化之间的关系。过去大量依靠理论计算和数值模拟讨论的热流降低、阻力增加等效应，由此有望进入更加接近真实再入环境的实验验证阶段。
但目前还不能据此判断“磁场热盾”已经成熟。
此次试验直接测量并确认的是激波自发光区域扩大和光谱变化，并没有直接给出实际航天器表面热流降低多少、气动阻力增加多少，也没有完成真实大气环境中的飞行验证。未来还需同步测量热流、阻力、激波位置和电子密度，并解决线圈、电源、磁体重量以及航天器内部空间占用等工程问题。
研究团队已把下一步目标指向飞行试验。公开资料显示，相关研究计划进一步研究电离增强方法以及磁场强度与设备安装空间之间的平衡，并计划利用观测火箭发射低轨再入试验舱，验证电磁力气动制动在真实飞行环境中的效果。日本宇宙航空研究开发机构宇宙科学研究所公开研究项目中，也列有面向“电磁力气动制动实飞任务”的低轨再入舱关键技术研究。
对于可重复使用航天器，这一路线具有较明确的工程吸引力。一旦磁场能够在再入阶段承担部分热防护和减速任务，理论上可降低传统耐热材料的负荷，减少烧蚀材料消耗和重复飞行后的检修压力；对于地球返回舱以及火星等具有大气层天体的高速进入任务，也可能提供一种新的主动热防护手段。
不过，从直径20毫米模型、几十微秒风洞试验走向真正的再入飞行器，还存在明显尺度跨越。1.58特斯拉和约16%的激波层扩展，是MHD气动制动试验技术取得的重要进展，但距离“用磁场给飞船刹车”成为现实装备，还有一系列热流、阻力、功耗、质量和可靠性问题需要回答。
信息来源：东京都立大学、鸟取大学、美国航空航天学会《Journal of Spacecraft and Rockets》、日本宇宙航空研究开发机构宇宙科学研究所（JAXA/ISAS）、Phys.org、Universe Space Tech。
东京都立大学相关研究发布信息
Phys.org：New method tests magnet-powered braking for safer, more reusable spacecraft reentry
Universe Space Tech原始报道
论文DOI：10.2514/1.A36635
免责声明：本公 众号目前所载内容为本公 众号原创、网络转载或根据非密公开性信息资料编辑整理，相关内容仅供参考及学习交流使用。所载内容观点不代表本公 众号观点，仅供参考。由于部分文字、图片等来源于互联网，无法核实真实出处，如涉及相关争议，请跟我们联系。我们致力于保护作者知识产权或作品版权，本公众 号所载内容的知识产权或作品版权归原作者所有。本公众 号拥有对此声明的最终解释权。
