一种强大的脉冲磁体能够扩大航天器模型周围的激波层，为抵御重返大气层时产生的高温提供了一种潜在的新方法。这项由东京都立大学研究人员开发的实验系统，在模拟重返大气层条件下产生了高达1.58特斯拉的磁场，为磁流体动力空气制动技术的未来应用奠定了实验室基础。
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强大的新型磁系统或可助航天器抵御重返大气层时的严酷高温
研究人员产生了1.58特斯拉的磁场，并改变了模型在模拟重返大气层条件下穿过时的激波层。
东京都立大学的研究人员构建了一套脉冲电磁铁系统，可在以约7.7公里/秒速度传播的冲击波下测试磁空气制动。
该系统产生了1.24特斯拉和1.58特斯拉的磁场，分别达到用于对比的永磁体强度的约1.7倍和2.1倍。
施加磁场使发光的激波层扩大了约16%，这支持了这样一种观点：磁力有朝一日或许能帮助航天器在重返大气层时提供保护并减速。
当航天器冲入大气层时，面临的环境极其剧烈，足以将其表面的气体加热到数千度。传统上，工程师通过在飞行器和热量之间放置坚韧、可消耗或两者兼有的材料来应对这种严酷考验。
而另一种方法最终可能会利用磁场将部分过热气体推开。
东京都立大学的研究人员开发了一种实验系统，该系统在微型航天器模型内部产生异常强大的磁场，同时使其暴露在以约7.7公里/秒速度传播的冲击波中。该装置使工程师能够在模拟大气层重返的短暂爆发条件下，研究磁流体动力空气制动（MHD空气制动）。
在副教授岛村浩平（Kohei Shimamura）的带领下，团队产生了高达1.58特斯拉的磁场，并观察了其模型周围发光激波层的变化。这项工作并未展示可用于飞行的磁隔热罩。相反，它提供了一个实验室平台，用于测试传统永磁体难以检测的磁场强度和形状。
为什么重返大气层会让航天器承受极端应力
当航天器以每秒数公里的速度进入大气层时，其前方会形成强大的激波。该激波层中的气体变得极热并部分电离，产生一种带电粒子可与磁场相互作用的混合物。
目前的热防护系统主要依赖被动材料。耐热瓦可以保护航天器表面，而烧蚀盾则在吸收和带走热量时故意牺牲材料。这些系统很可靠，但也伴随着成本。
表面侵蚀、可能的分层以及任务之间的维修会使重复飞行变得更加困难，同时防护硬件增加了重量，而这些重量本可用于有效载荷。
MHD空气制动利用了热气本身的电学特性。施加的磁场与弱电离等离子体中的电流相互作用，产生洛伦兹力。该力对抗气流，将激波层推离航天器更远。
扩大的层可以减少流向表面的热量。同时，反向力可以增加空气动力阻力，帮助飞行器减速。
永磁体造成的实验瓶颈
这一基本想法已得到数值计算和早期风洞实验的支持。在研究人员描述的一项数值研究中，重返大气层胶囊周围0.5特斯拉的磁场将计算出的壁面热通量降低到无磁场时数值的约53%。同一模拟产生的空气动力阻力大约是其四倍。
实验还显示了激波位置、热传递和阻力的变化。然而，系统地研究这种影响一直很困难，因为许多膨胀管测试依赖于放置在小模型内部的永磁钕磁铁。
这些磁铁通常提供约0.8特斯拉的磁场，其固定的几何形状限制了研究人员改变磁场分布的方式。这使得测试不同航天器形状如何对更强或不同配置的磁场做出响应变得更加困难。
东京团队用由脉冲形成网络供电的空心电磁铁取代了永磁体。系统不是让磁铁持续通电，而是在极短的时间内向线圈发送强烈的电流。
这种短暂的脉冲非常适合膨胀管，因为有用的测试条件仅持续几十微秒。
一千安培的脉冲产生更强的磁场
研究人员使用了一种自由活塞驱动的膨胀管，能够产生接近8公里/秒的冲击波。压力测量使系统能够检测逼近的激波并定时电脉冲，以便磁场在实验期间达到其最强、相对稳定的状态。
脉冲形成网络包含七级电容器和电感器，产生了约1千安培的电流。其脉冲持续了大约1毫秒，远长于有用的测试窗口。
建造了两个20毫米宽的航天器模型，具有不同的鼻锥形状。每个模型都包含一个为其特定几何形状设计的线圈。一个使用了49匝、直径12毫米的线圈，而第二个使用了更窄的54匝、直径4.5毫米的线圈。
测量表明，第一个模型产生了约1.24特斯拉的峰值磁场。第二个达到了1.58特斯拉。这些数值大约是用作为参考的球形钕磁铁强度的1.7倍和2.1倍。
同样重要的是，改变线圈设计改变了磁场在每个模型周围的分布方式。这种灵活性为研究人员提供了一种方法，可以根据不同的飞行器形状定制实验，而不是围绕固定的永磁体进行妥协。
磁场改变了激波层
高速摄像机以每秒200,000帧的速度记录了模型周围受热气体发出的光。然后，团队将这一自发光区域的厚度与磁系统开启和关闭时进行了比较。
两种设计中的差异都是可测量的。磁场施加使第一个模型的发射区厚度增加了约15.7%，第二个模型增加了16.2%。这些增加与理论预测和之前的膨胀管实验基本一致。
光谱测量提供了另一个迹象，表明磁场正在改变激波层内的条件。在第二个模型中，研究人员检测到约420至460纳米之间的氮带发射显著增加。该特征对电子温度敏感，因此这种变化可能表明电子温度升高，或包含较热电子的区域扩大。
该实验并未直接确定完整的航天器隔热罩会受益多少。在这些短时条件下，研究人员只能对热防护进行定性比较。该脉冲系统也是专门为脉冲风洞实验设计的，而不是在真实的大气层下降过程中持续产生磁场。
未来磁隔热罩的测试平台
这些局限性正是该系统所代表的核心。它是一个用于探索MHD空气制动的实验室工具，而不是可以直接放置在航天器上的原型。
它的优势在于赋予工程师对重要实验变量的更大控制力。可以在没有磁饱和的情况下产生更强的磁场，并且不同的线圈设计可以重塑磁场以匹配不同的测试飞行器。由于每次实验仅持续几分之一毫秒，线圈可以在无需长时间运行电磁铁所需的冷却系统的情况下运行。
研究人员最终希望此类实验有助于弥合实验室MHD研究与涉及实际重返大气层飞行器的测试之间的差距。他们的结果表明，同步脉冲电磁铁可以在高超音速条件下改变激波层，同时达到远超传统永磁体产生的磁场强度。
对于预计将飞行多次的航天器，其吸引力是显而易见的。未来的飞行器可能不会要求表面材料独自承受重返大气层的所有严酷考验，而是利用磁力在大部分热量到达机身之前改变敌对的气流。
资讯来源
- thebrighterside.news (2026-08-30)
- 原文： 强大的新型磁系统或可助航天器抵御重返大气层时的严酷高温
- The Brighter Side of News