|
Плазменный туннель, с которыми сталкивается звездолет
|
|
|
|
Представьте, что космический аппарат возвращается на Землю после долгого путешествия. Аппарат врезается в атмосферу планеты со скоростью примерно 17 000 миль в час. Возникает ударная волна. Молекулы в воздухе разрываются на части, образуя плазму — газ, состоящий из заряженных частиц, температура которого может достигать десятков тысяч градусов по Фаренгейту, что во много раз горячее, чем на поверхности Солнца. Зрелище захватывающее, но в то же время опасное, сказал Хишам Али, доцент кафедры аэрокосмической инженерии Энн и Х.Дж. Смид.
|
|
|
|
Катастрофа в Колумбийском университете является трагическим примером. 1 февраля 2003 года, когда космический челнок вновь вошел в атмосферу Земли, плазма хлынула в аппарат через дефект в защитном экране из плиток. Шаттл развалился на части, и семь членов экипажа, включая выпускницу университета Боулдера Калпну Чавлу, погибли.
|
|
|
|
Али посвятил свою карьеру предотвращению подобных происшествий.
|
|
|
|
"Один из самых важных и опасных этапов любой космической миссии - это когда космический аппарат входит в атмосферу Земли", - сказал он. "Если мы хотим вывести на орбиту больше людей с помощью космического туризма, нам нужно сделать это безопасно и эффективно, и это сложная проблема".
|
|
|
|
Ученые называют такой полет "гиперзвуковым". Транспортные средства развивают гиперзвуковую скорость, когда они движутся со скоростью 5 Махов, что в пять раз превышает скорость звука, и даже быстрее. На уровне моря это ошеломляющие 3800 миль в час.
|
|
|
|
|
|
|
Али и его команда пытаются воссоздать невероятную физику, которая возникает на таких скоростях, не выходя из-под земли.
|
|
|
|
Для этого в конце 2025 года группа открыла в кампусе исследовательский центр нового типа. Известная как плазменный туннель с индуктивной связью, установка генерирует потоки плазмы, которые движутся со скоростью от сотен до тысяч миль в час и горят при температуре до 9000 градусов по Фаренгейту и выше.
|
|
|
|
Он и его студенты используют это единственное в своем роде оборудование для проверки того, как новые материалы и другие технологии ведут себя в такой опасной среде. Они также изучают новую идею: могут ли инженеры использовать мощные магниты для управления транспортными средствами, летящими с невероятной скоростью, что сегодня невозможно.
|
|
|
|
"Нигде в мире нет такой камеры, как эта", - сказал Али.
|
|
Лаборатория, которая светится
|
|
|
|
Эта машина сейчас оживает в лаборатории без окон в Восточном кампусе Калифорнийского университета в Боулдере. Там работает 40-киловаттный генератор, и из-за шума трудно что-либо расслышать.
|
|
|
|
Али и небольшая команда аспирантов отслеживают ряд показателей на компьютерном терминале. Рядом с ними находятся основные компоненты плазменной аэродинамической трубы, разработанной группой ученых: первая - это трубка из кварцевого стекла, известная как сопло, которая по размеру и форме напоминает бутылку вина. Он подается в гораздо большую камеру, которая закрыта нержавеющей сталью толщиной в несколько дюймов.
|
|
|
|
"Я думаю, мы готовы к запуску", - говорит Али своей команде.
|
|
|
|
В одно мгновение в трубке из кварцевого стекла вспыхивает лавандовый свет. Жуткое свечение исходит от плазмы, подобной той, которая угрожает космическим кораблям, когда они возвращаются на Землю.
|
|
|
|
Оттуда плазма устремляется в металлическую камеру, в которую можно заглянуть через иллюминатор. Внутри каждая поверхность излучает оранжевое тепло.
|
|
|
|
Чтобы смоделировать условия гиперзвукового полета, группе нужны две вещи: скорость и тепло.
|
|
|
|
Чтобы увеличить скорость, он и его ученики вводят в туннель струю газообразного аргона. Затем мощная вакуумная система быстро всасывает этот газ через туннель. Пылесос способен всасывать более 20 000 кубометров воздуха в час, что делает его одним из самых мощных аппаратов такого рода в любом университете Соединенных Штатов.
|
|
|
|
Затем следует нагрев. Исследователи воздействуют на плазму сильными радиоволнами, которые перемещаются взад и вперед. Эти волны генерируют электрические токи внутри газа, в конечном итоге превращая его в плазму. Как только аргон зажжен, команда может закачать в туннель обычный земной воздух.
|
|
|
|
"Мы с моими учениками много работали допоздна, чтобы это произошло", - сказал Али.
|
|
|
|
Увлечение Али гиперзвуковыми полетами началось во время школьной экскурсии.
|
|
|
|
Инженер вырос в Алабаме, а когда учился в пятом классе, посещал Космический лагерь в Американском ракетно-космическом центре в Хантсвилле. Там гид достал плитку, похожую на те, которые инженеры НАСА когда-то использовали для защиты космических челноков от перегрева при входе в атмосферу.
|
|
|
|
"Они приложили паяльную лампу к одной стороне и позволили нам взяться за другую. Все равно чувствовалось, что это было круто", - сказал Али. "Я подумал, что это было очень интересно".
|
|
|
|
Это положило начало мечте всей жизни Эли — помочь людям исследовать Солнечную систему и благополучно вернуться обратно.
|
|
|
|
Новый плазменный туннель еще на шаг приблизил его к этой цели.
|
|
|
|
Али объяснил, что он и его ученики могут использовать металлическую руку, чтобы опускать в поток плазмы практически все, что угодно — например, новый тип термостойкого материала или конструкцию датчика. Струящаяся плазма мгновенно формирует ударную волну вокруг препятствия. Затем команда может протестировать, как технологии ведут себя в таких экстремальных условиях.
|
|
|
|
Исследователи уже сотрудничали с одной аэрокосмической компанией, чтобы протестировать новый тип термостойкого материала. В ближайшие месяцы они планируют сотрудничать еще с несколькими компаниями.
|
|
|
|
Но это предприятие не просто собирает атмосферу Земли в бутылку. Он также может имитировать атмосферу многих других планет. Что произойдет, например, если космическая капсула врежется в тонкую, богатую углекислым газом атмосферу Марса?
|
|
|
|
"Как только наша плазма зажжется, мы сможем ввести углекислый газ и создать плазму, состоящую из текучего углекислого газа, аналогичную той, с которой космический корабль мог бы столкнуться на Марсе", - сказал Али.
|
|
Пространство для маневра
|
|
|
|
Команда решает, пожалуй, самую сложную проблему гиперзвуковых полетов: как только транспортное средство достигает таких скоростей, им практически невозможно управлять. Это связано с тем, что все, что торчит из самолета или космического корабля, например, крылья или закрылки, сгорает почти сразу. В результате пилоты не могут легко изменить траекторию полета космического корабля после его возвращения на орбиту Земли, если что-то пойдет не так.
|
|
|
|
Команда Али надеется обойти это ограничение с помощью необычного свойства - магнетизма.
|
|
|
|
Али отметил, что плазма состоит из заряженных частиц. Если у вас есть достаточно мощный магнит, вы потенциально можете изменять поток этих заряженных частиц, подобно тому, как вы можете использовать игрушечный магнит для перемещения железных опилок.
|
|
|
|
Исследователи предполагают, что в будущих космических аппаратах можно будет использовать сверхсильные магниты для создания плазменных ударных волн вокруг них. В процессе работы они могут развить достаточную силу, чтобы поворачиваться — по крайней мере, немного.
|
|
|
|
Вскоре команда начнет проводить эксперименты, чтобы проверить эту идею.
|
|
|
|
На данный момент Али рад видеть воплощение своей мечты, которая началась с паяльной лампы много лет назад.
|
|
|
|
"Расширение понимания человечеством нашего мира и других людей - это то, что я всегда находил по-настоящему вдохновляющим", - сказал он.
|
|
|
|
Источник
|
