磁流体动力学在高焓空气等离子体中的热防护作用：磁场与表面电导率对热通量的影响及意义

为解决航天器大气进入时的高热通量问题，研究人员探究了高焓空气等离子体中磁流体动力学（MHD）屏蔽的热通量缓解潜力，发现 MHD 等离子体探针总热通量最多降低 83%，为航天器热防护提供关键依据。

　　

当航天器以高超音速冲入地球大气层时，剧烈的空气压缩和摩擦会产生高达数千摄氏度的高温，形成的激波层如同一个 “火盾”，将海量热量传递给航天器表面，这对热防护系统是极大考验。传统热防护依赖被动材料消耗，面对高椭圆或双曲线轨迹的早期进入阶段，其效能往往不足。因此，寻找主动且高效的热防护手段，成为航天领域的重要课题。

在欧盟 “磁流体动力学增强空间运输进入系统（MEESST）” 项目框架下，德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）、斯图加特大学（University of Stuttgart）等机构的研究人员，聚焦磁流体动力学（MHD）技术在高焓空气等离子体中的热通量缓解作用，开展了系统实验研究，相关成果发表于《Vacuum》。该研究揭示了磁场与表面电导率对航天器热防护的关键影响，为提升大气进入阶段的热安全提供了新视角。

研究采用的关键技术方法包括：利用自场磁等离子体动力发生器（SF-MPG RD5）生成高焓空气等离子体，模拟航天器大气进入环境；通过高温超导（HTS）螺线管产生可变磁场（0-0.67 T），探究磁场强度对热通量的影响；结合量热法、红外热成像、光学发射光谱（OES）、超高清成像等诊断技术，测量滞止点热通量、压力、等离子体参数及激波层结构；采用氮化硼（BN）涂层改变探针表面电导率，分析其对 MHD 效应的影响。

3.1 激波层增强

磁场作用下，等离子体激波层发生显著变化。高分辨率图像显示，施加最大磁场时，激波层向上游推移，形成从激波前沿到滞止点的漏斗状高亮区域，该结构与磁场线分布一致。OES 分析表明，漏斗区域内原子（如 N、O）和离子（如 N⁺）发射占优，分子发射（如 N₂⁺、N₂）减少，说明磁场增强了局部离解和电离过程。电子受强磁场约束，绕磁场线回旋，局部电子密度升高，电子激发温度（T_ex,e）从约 5×10³ K 增至 1.0×10⁴ K。此外，氮化硼涂层在 RD5 181 kW 条件下使激波脱体距离增加约 20%，印证了表面绝缘对 Hall 效应的调控作用。

3.2 表面温度与热通量缓解

红外热成像显示，施加磁场后，MHD 等离子体探针表面温度显著降低，RD5 181 kW 条件下最高降低 19%，RD5 227 kW 条件下最高降低 39%。热通量测量表明：滞止点压力随磁场增强而升高，RD5 227 kW 条件下增幅达 36%；滞止点热通量（q?_CuO,cw,sp）在 RD5 181 kW 时呈上升趋势，而 RD5 227 kW 时先升后降并趋于稳定；壳体热通量（q?_CuO,cw,s）随磁场增强持续降低，且受表面涂层影响较小。综合来看，总热通量缓解效果显著，RD5 181 kW 时最高达 38%，RD5 227 kW 时高达 83%，表明 MHD 技术能有效减少航天器表面受热。

研究结论与讨论强调，磁场通过约束电子增强局部离解和电离，氮化硼涂层通过调控 Hall 电流行为影响滞止点热通量，而壳体区域的热通量缓解主要依赖洛伦兹力推动等离子体远离表面。这些发现揭示了 Hall 参数和局部电流在 MHD 流场控制中的核心作用，为高焓环境下的主动热防护设计提供了实验依据。尽管等离子体风洞环境与实际飞行存在差异，但该研究为验证数值模拟工具、开发先进热防护策略奠定了重要基础，对提升航天器大气进入阶段的安全性具有重要意义。