高超声速飞行器常规螺线管磁控热防护系统可行性分析李开，刘伟强（国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙410073）摘要：针对高超声速飞行器鼻锥热防护，构造了常规圆柱螺线管磁控热防护系统的物理模型。采用低磁雷诺数磁流体数学模型，对外加磁场作用下的高超声速鼻锥流场进行了数值模拟；分析了常规螺线管磁控热防护系统的有效磁感应强度范围；给出了满足导线电流密度工作极限的螺线管几何参数的要求。研究表明，由于磁控“饱和现象”及导线电流密度的限制，系统可行工作范围为驻点磁感应强度B0=0.05~0.20T；B0=0.20T时，驻点热流密度和总热流分别降低了31.3%、56.6%，热防护效果良好；但磁控系统导线质量仍然较重，应采用可缩短与驻点间距离的异形螺旋管或超导磁铁等替代方法来满足工程防热需求。关键词：磁流体控制；高超声速飞行器；热防护；螺线管磁铁：V211.1文献标志码：A：FeasibilityAnalysisofSolenoid-basedMagnetohydrodynamicHeatShieldSystemforHypersonicVehiclesLIKai1,LIUWeiqiang1(1.CollegeofAerospaceScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China)Abstract:Inordertoanalyzethefeasibilityofmagnetohydrodynamic(MHD)heatshieldsystem,anormalcolumnedsolenoid-basedMHDthermalprotectionsystemmodelisbuilt.Byusingthelowmagneto-ReynoldsMHDmodel,asetofnumericalsimulationsareperformedandthefeasiblerangeofmagneticinductionintensitywithinwhichthesystemisnormallyworkingisobtained.Afterthat,therequirementsofthesolenoid’sgeometricparametersaredrawntomeetthelimitofcoilcurrentdensity.Resultsshowthat,consideringthesaturationeffectexistinginprocessofMHDthermalprotection,theMHDheatshieldsystemworksbetterwhenthestagnationmagneticinductionintensityB0isintherangeof0.05~0.20T.Thestagnationheatfluxdensityandtotalwallheatfluxcanbereducedby31.3%and56.6%respectively,thuspreliminarilyprovingtheeffectivenessofsolenoid-basedMHDheatshieldsystem.However,therequiredcoilmassissoheavythatanditsstructuremustbeoptimizedtobeactuallyutilized.Keywords:Magnetohydrodynamicflowcontrol;Hypersonicvehicle;Thermalprotection;Solenoidmagnet未来临近空间高超声速飞行器的飞行条件将会越来越恶劣，热防护问题也将越来越突出由于传统防热瓦热防护方法存在可重复性差、容错率低等弊端，近年来学者们提出了许多新型热防护的概念并进行了大量可行性研究，如充气式防热罩、凹腔逆喷、层板发汗、疏导式防热等等。磁控热防护的概念最早诞生于上世纪50年代末，原理见。磁铁位于返回舱内部。当磁场作用于头部微电离等离子区域时，激波层内的环形感应电流和磁场相互作用会产生与流动方向相反的洛伦兹力，减速等离子流并将激波推出，从而降低表面温度梯度，实现热防护。磁控热防护系统的能量为电能，可以使用机载电源；并且位于防热材料以内，不会改变飞行器的表面结构，可靠性高，可根据需要开闭，可和其他被动热防护方法配套使用，很符合未来高超声速飞行器可重复使用的要求。收稿日期：2015-09-25基金项目：国家自然科学基金资助项目（90916018）；湖南省自然科学基金资助项目（13JJ2002）作者简介：李开（1989－），男，河南开封人，博士研究生，E-mail：LiKai898989@126；刘伟强（通信作者），男，教授，博士，博士生导师，E-mail：liuweiqiang_1103@1631上世纪末以来，磁控热防护技术出现了一个新的研究热潮，得益于以下原因：1）能量旁路超燃冲压发动机的提出；2）高焓风洞试验条件的进步；3）稀土磁铁、超导磁铁技术的发展；4）高温磁流体力学的发展等。图1磁控热防护系统原理图Fig.1SchematicofhypersonicflowaroundareentryvehiclewiththeMHDheatshield.其中，俄高温研究所Bityurin等首次研究了直径不同的两种外加电磁铁磁场热防护效果的差异以及烧蚀条件下的磁控热防护效果；美空军研究实验室的Bisek等首次提出了头部浸渍碱金属烧蚀材料提高流场电导率进行翼前缘磁控热防...