電力推進推進器的突破性研究有望徹底改變未來的太空旅行
維吉尼亞大學的研究小組正在透過對電力推進推進器的突破性研究徹底改變未來的太空旅行。透過深入研究電子在等離子體束中的行為,他們的工作有望提高太空船的效率和安全性,確保像美國國家航空暨太空總署的阿耳特彌斯(Artemis)計畫這樣的任務能夠在降低風險和提高永續性的情況下進一步探索太空。
圖為美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室正在運作的6 千瓦霍爾推進器。 資料來源:美國國家航空暨太空總署
更快、更遠、更有效率–這就是像維吉尼亞大學工程與應用科學學院助理教授Chen Cui 這樣的太空船推進工程師所肩負的使命。 Cui 專注於推動未來太空探索的基石技術–電力推進(EP)推進器。
“為了確保這項技術在長期任務中的可行性,我們需要優化EP 與太空船系統的集成,”Cui 解釋說。
Cui與他的前導師、南加州大學教授Joseph Wang合作,最近在等離子體源科學與技術上發表了突破性研究成果。 他們的研究為等離子體束中的電子行為提供了新的視角,有可能塑造下一代太空推進系統。
太陽能EP 太空船設計圖。 資料來源:美國國家航空暨太空總署
Cui 秋季加入機械與航空航天工程系,他的研究重點是了解電子–微小、快速移動的帶電粒子–在電動推進器發射的等離子體束中的行為。他說:”這些粒子雖然很小,但它們的運動和能量在決定電推進推進器發出的羽流的宏觀動態方面發揮著重要作用。”
透過研究這些微觀相互作用,Cui 希望更了解等離子體噴出的羽流如何與太空船本身相互作用。 “對於可能持續數年的任務來說,EP推進器必須長時間平穩、穩定地運作”。
電推進器的工作原理是電離中性氣體(通常是氙氣),然後利用電場加速產生的離子。 離子形成高速等離子體束,推動太空船前進。
與化學火箭相比,EP 系統的燃料效率要高得多,使太空船能夠在攜帶較少燃料的情況下飛行更遠的距離。 這些系統通常由太陽能電池板或小型核反應器提供動力,因此非常適合執行長時間的太空任務,例如美國宇航局的阿耳特彌斯計劃,該計劃旨在讓人類重返月球,並最終將宇航員送往火星及更遠的地方。
Chen Cui 是維吉尼亞大學工程學院機械與航空航天工程系的新副教授。 資料來源:維吉尼亞大學工程系
然而,推進器噴出的羽流不僅僅是氣體,它也是整個推進系統的生命線。 如果不能很好地理解,羽流可能會導致意想不到的問題。 一些粒子可能會倒流向航天器,這可能會損壞航天器上的重要部件,例如太陽能電池板或通訊天線。
Cui說:「對於可能持續數年的任務來說,EP推進器必須長時間平穩、穩定地運作。這意味著科學家和工程師必須深入了解等離子體羽流的行為方式,以防止任何潛在的損害。 “
Cui 擅長建立先進的電腦模擬,以研究等離子體在EP 推進器等離子體流中的表現。 這些模擬不是普通的模擬。 它們由現代超級電腦驅動,使用一種名為弗拉索夫模擬的方法,這是一種先進的”無噪音”計算方法。
EP 光束中電子的行為並不完全符合簡單模型的預測。 在不同的溫度和速度下,它們的表現各不相同,從而形成不同的模式。
能夠精確地看到電子交互作用的複雜性,同時剔除混淆大局的資料是關鍵所在。
“電子就像裝在管子裡的彈珠,”Cui 說。 “在光束內部,電子溫度高,移動速度快。 如果沿著光束方向移動,它們的溫度不會有太大變化。 但是,如果’彈珠’從管子中間滾出,它們就會開始冷卻。 這種冷卻較多發生在某些方向,即與光束方向垂直的方向。
在他們的最新論文中,他們發現電子速度分佈在光束方向上呈現出近似麥克斯韋[鐘形曲線]的形狀,而在光束的橫向方向上則呈現出他們所描述的”頂帽”輪廓。
此外,Cui 和Wang 還發現,電子熱通量–熱能在EP 等離子體束中移動的主要方式–主要沿著電子束的方向發生,其獨特的動態特性是以前的模型無法完全捕捉到的。
編譯自/ scitechdaily