石墨阳极液态金属μCAT放电特性与磁流体动力学增强空间运输系统的热流缓解研究

为解决航天器再入大气层时面临的高热流问题，欧盟地平线2020项目MEESST团队利用高温超导螺线管（HTS）产生的磁场（B-field）研究磁流体动力学（MHD）对高焓空气等离子体的热流缓解作用。实验表明，MHD等离子体探针总热流降低达83%，同时发现表面电导率对驻点热流和激波脱体距离的影响与霍尔参数（β）相关。该研究为改进航天器热防护系统提供了新思路。

　　

航天器再入大气层时，剧烈的气动加热会导致表面温度急剧升高，传统热防护材料已接近性能极限。如何突破这一瓶颈？磁流体动力学（MHD）热防护技术因其通过电磁场主动控制等离子体流动的特性，被视为下一代热防护系统的革命性解决方案。然而，高焓空气等离子体中MHD效应的作用机制尚不明确，特别是霍尔效应和表面电导率对热流分布的影响亟待实验验证。

德国斯图加特大学空间系统研究所（IRS, University of Stuttgart）的Johannes W. Oswald团队在《Vacuum》发表的研究中，利用自场磁等离子体动力发生器（SF-MPG RD5）产生模拟再入条件的高焓空气等离子体，结合高温超导（HTS）螺线管和硼氮化物（BN）涂层表面，系统研究了磁场强度（0-0.67 T）和表面电导率对热流分布的影响。研究采用光学发射光谱（OES）分析等离子体特性，超高清成像观测激波层结构，并通过量热法测量驻点和壳体的热流（HF）。

2.1 MHD等离子体探针
研究团队设计了集成HTS螺线管的MHD探针，其环形超导线圈（内径33 mm）在50 A电流下产生0.67 T磁场。通过横向和轴向霍尔探头验证了磁场分布与COMSOL仿真的一致性（误差<1×10^-2 T）。

3.1 激波层增强
OES数据显示磁场使电子激发温度（T_ex,e）提升2倍至1.0×10⁴ K，形成漏斗状高发光区。在霍尔参数β≈145的RD5 181 kW条件下，BN涂层使激波脱体距离增加20%，验证了Bityurin理论中绝缘表面对霍尔电流的抑制作用。

3.2 表面温度与热流缓解
红外热成像显示壳体表面温度最高降低39%。值得注意的是，虽然驻点压力因电子约束增加36%，但BN涂层将驻点热流增幅限制在24%（未涂层时为48%）。在RD5 227 kW条件下，总热流降低达83%，表明高电离度等离子体中洛伦兹力（F_Lorentz）主导流动偏转。

这项研究首次在高焓空气等离子体中量化了表面电导率对MHD热防护的影响，为飞行器磁屏蔽设计提供了关键数据。特别值得注意的是，团队发现电子在磁场中可完成94-381次回旋才发生碰撞（Ω=ω_c/ν_ej），这种强磁化特性解释了观测到的漏斗状等离子体结构。尽管风洞实验存在霍尔效应放大的局限性，但研究建立的Stuart数（St^*）标度关系为跨平台数据比对提供了重要参考。该成果对发展适用于高超音速飞行器的主动热防护系统具有里程碑意义。