Uzay araçlarının atmosfere yeniden girişi sırasında parçalarının dağılması yaygın bir durumdur. Bu, aracın karşılaştığı muazzam enerjiyi emmenin en kolay yollarından biridir. Ancak bu durum, ısı kalkanlarının onarılmasını gerektiren uzun bakım sürelerine yol açarken, aynı zamanda yük kapasitesini sınırlayan “ölü ağırlık” oluşturur. Yeniden kullanılabilir roketlere olan ilginin artması ve yük kapasitesine verilen önem nedeniyle, mühendisler yeniden giriş sorununa alternatif çözümler aramaktadırlar; bunlardan en umut vadedenlerden biri manyetohidrodinamik (MHD) frenleme sistemidir. Tokyo Metropolitan Üniversitesi’ndeki araştırmacıların yeni bir makalesi, bu gelişmiş frenleme sistemlerinin tasarımcılarının sistemlerinin yeniden girişte neler yaptığına dair daha doğru veriler elde etmelerine yardımcı olacak yeni bir test sistemi açıklamaktadır.
Öncelikle MHD sistemlerinin nasıl çalıştığını anlamak önemlidir. Bir uzay aracı Dünya atmosferine yeniden girerken, önündeki hava ışıltılı, zayıf iyonlaşmış bir plazmaya dönüşür. MHD frenleri, uzay aracının içindeki manyetik alanı kullanarak bu plazmaya karşı bir kuvvet uygular. Bu olaya Lorentz Kuvveti denir ve bu manyetik alan, plazma ile araç arasında görünmez bir manyetik tampon oluşturur. Bu durum iki önemli işlevi yerine getirir: İlk olarak, uzay aracının ısı kalkanı üzerindeki ısıyı azaltır ve ikinci olarak, aracın aerodinamik sürtünmesini artırarak yavaşlamasını sağlar.
Bu sistem teoride harika görünse de, pratikte test etmek oldukça zordur. Bu zorluğun temelinde, sistemin kritik bir bileşeni olan neodimyum mıknatısların sınırlamaları bulunmaktadır. Bu mıknatısların manyetik gücü yaklaşık 0.8 Tesla ile sınırlıdır; bu yüksek bir değer gibi görünse de, yüksek hızlardaki kuvvetlerle karşılaştırıldığında yeterli olmayabilir. Ayrıca, katı şekilleri nedeniyle farklı uzay aracı geometrilerine uyum sağlamakta zorlanırlar, bu da bazı tasarımlar için daha az etkili olmalarına neden olur.
Burada devreye “Pulse Forming Network” (PFN) giriyor. PFN, alternatif kapasitörler ve indüktörlerden oluşan bir elektrik devresidir ve büyük miktarda enerjiyi kısa sürede depolayıp boşaltabilir. PFN’ler, çok kısa bir süre için yüksek güç sağlasalar da, kendi soğutma sistemlerine ihtiyaç duymazlar çünkü sadece birkaç saniye çalışırlar.
Araştırmacılar, yeni manyetik sistemi test etmek için 8 metre uzunluğunda “MX-6.0” adlı bir genişleme tüpü tesisi inşa ettiler. Bu tesis, yeniden giriş yapan bir uzay aracının deneyimleyeceği şok dalgalarını simüle eder ve 7.7 km/s’ye kadar hızlara ulaşabilir. Ancak bir test odasının faydalı olabilmesi için üzerinde test edilecek bir şey olması gerekir; bu nedenle farklı manyetik özelliklere sahip iki adet 20 mm’lik test modülü inşa ettiler.
1 numaralı model, hafif bir burun eğrisine sahip düz bir silindirdi ve yaklaşık 1.24 Tesla manyetik akı yoğunluğu (manyetik alan gücünün bir ölçüsü) üretiyordu; bu, neodimyum mıknatısın maksimum çıkışının %50’si daha yüksekti. 2 numaralı model, MUSES-C asteroid örneklerini getirme uzay aracına benzer şekilde tasarlanmıştı ve benzer büyüklükte bir bobin kullanarak 1.58 Tesla manyetik alan üretiyordu.
Test odasına yerleştirildiklerinde, PFN başarıyla gelen şok dalgalarıyla senkronize oldu ve 110 ila 148 mikrosaniye arasında süren sabit bir manyetik alan oluşturdu. Bu kısa bir süre gibi görünse de, deneysel kurulumun etkili test süresinden iki kat daha uzundu.
Odanın etrafına yerleştirilen yüksek hızlı kameralar, her iki modelin işlevselliğinde önemli iyileşmeler kaydetti. 1 numaralı modelde, parlayan şok emisyon bölgesinde %15.7’lik bir artış gözlemlenirken, 2 numaralı modelin kalınlığında ise %16.2’lik bir artış kaydedildi. Bu kalınlıklar doğrudan aerodinamik sürtünmeyle ilişkili olduğundan, bu artışlar MHD sisteminin performansı hakkında önemli bilgiler sunmaktadır.
Ancak belirtmek gerekir ki, bu fikrin tam ölçekli bir uzay aracında kullanılmak üzere tasarlanmadığı açıktır. Bu başarılı pilot proje, özellikle rüzgar tüneli testleri için tasarlanmıştır ve görünüşe göre bu işlevi mükemmel bir şekilde yerine getirmektedir. Mühendisler MHD frenleme sistemleri üzerinde çalışmaya devam ettikçe, daha fazla sayıda tasarımcı sistemlerini bu küçük test odasında, çok büyük bir manyetik varlığın eşliğinde test etmeyi tercih edebilir.
