超导磁流体动力学屏蔽技术在高焓空气等离子体中的热流减缓机制研究

为解决航天器再入大气层时面临的热防护挑战，研究人员基于MEESST项目框架，利用高温超导(HTS)螺线管产生的磁场(B-field)调控高焓空气等离子体流动。实验表明，磁流体动力学(MHD)相互作用可使总热流降低83%，并通过硼氮化物(BN)涂层验证了表面电导率对霍尔参数(β/B)的影响。该研究为航天器主动热防护系统设计提供了关键实验依据。

　　

航天器再入大气层时，剧烈的气动加热会导致数千度的高温等离子体包裹飞行器，传统热防护材料已接近性能极限。如何突破"热障"成为深空探测任务的关键瓶颈。磁流体动力学(MHD)技术通过施加磁场改变电离气体的流动特性，理论上可将热负荷降低50%以上，但地面实验始终难以复现理论预测效果，特别是空气等离子体与氩气等离子体的差异机制尚不明确。

德国斯图加特大学空间系统研究所(IRS, University of Stuttgart)的研究团队在欧盟"地平线2020"计划支持下，开展了名为MEESST的突破性研究。他们创新性地采用第二代高温超导材料(REBCO)制造的环形螺线管，在自场磁等离子体动力(SF-MPG)风洞中模拟了类似高椭圆轨道再入的高焓条件(49-69 MJ/kg)。通过结合光谱诊断、超高清成像和红外热像等技术，首次系统揭示了磁场强度(0-0.67 T)与表面电导率对热流分布的调控规律。

研究采用三大关键技术：1) 基于光学发射光谱(OES)的非平衡等离子体参数反演，通过Abel变换和玻尔兹曼图法确定电子温度T_e；2) 模块化MHD探针设计，集成HTS线圈与双路水冷系统，可快速更换BN涂层(σ=6.62×10^-8 S/m)与铜氧化层；3) 多物理场同步采集系统，包括HR4PRO-XR-ES光谱仪、FLIR A6750红外相机和Siemens磁流量计，实现热流(q?)、压力(p_sp)等参数的毫秒级监测。

【激波层增强】
UHD成像显示磁场使激波层形成独特的漏斗状结构，径向延伸达40 mm。光谱分析证实该区域内原子/离子发射增强而分子谱线减弱，电子激发温度T_ex,e最高提升至10⁴ K。当斯图尔特数St^*>1000时，BN涂层使激波驻点距离增加20%，验证了Bityurin理论中绝缘边界对霍尔电流的抑制作用。

【表面温度与热流减缓】
红外热像显示227 kW工况下非驻点区域温度降低39%。总热流分析表明：1) 驻点热流受霍尔参数β显著影响，181 kW工况下BN涂层使其增幅从48%降至24%；2) 非驻点区域热流主要受洛伦兹力(F_Lorentz)支配，227 kW工况最高降低83%；3) 驻点压力(p_sp)与电子温度正相关，最大提升36%。

该研究首次实验证实了MHD屏蔽技术在高焓空气等离子体中的工程可行性。特别重要的是，发现表面绝缘处理可有效抑制霍尔效应带来的不利影响，这为下一代热防护系统的材料选型提供了直接依据。研究建立的St^*-β参数关联模型，将为飞行器MHD控制系统的优化设计奠定理论基础。团队创新的HTS线圈方案(重量仅2.3 kg)证明超导技术在航天器轻量化方面的巨大潜力，其揭示的"等离子体漏斗"效应更为突破黑障通信提供了新思路。