为实现深空探索 科学家设计等离子体动力火箭

这种以等离子体为动力的微型装置的直径不到一英寸并去掉了围绕等离子体推进剂的墙壁从而创造出创新的推进器配置。等离子体是一种由自由漂浮的电子和原子核或离子组成的物质状态。这些创新中包括最初在PPPL构思和研究的圆柱形霍尔推进器、完全无壁的霍尔推进器。这两种配置都减少了由等离子体跟壁的相互作用产生的通道侵蚀，而这种侵蚀限制了推进器的寿命--这是典型的环形或环形霍尔推进器的一个主要问题，特别是用于小型卫星的小型化低功率推进器。

广泛研究

圆柱形霍尔推进器是由PPPL的物理学家Yevgeny Raitses和Nat Fisch于1999年发明的，并且从那时起跟实验室的霍尔推进器实验(HTX)的学生一起研究。包括韩国、日本、中国、新加坡和欧盟在内的国家也对PPPL装置进行了研究，韩国和新加坡则正在考虑飞行它们的计划。

虽然无壁霍尔推进器可以最大限度地减少通道侵蚀，但它们面临着等离子体推力羽流广泛扩大或发散的问题，这会使得系统的性能出现下降。为了减少这个问题，PPPL在其新的无壁式系统上安装了一项关键的创新，即分段式电极，这是一个同心连接的电流载体。Raitses指出，这项创新不仅减少了发散，这有助于加强火箭的推力，而且还抑制了小尺寸霍尔推进器等离子体的打嗝，而这些打嗝会干扰动力的顺利输送。

普林斯顿大学机械和航空航天工程系的研究生Jacob Simmonds跟他的博士合作导师Raitses一起发表了一系列论文，PPPL的物理学家Masaaki Yamada则是另一位合作导师。Raitses表示：“在过去的两年里，我们已经发表了三篇关于等离子体推进器的新物理学论文，这些论文带来了这篇论文中描述的动态推进器。它描述了一种新的效应，进而有望促进在这一领域有新的发展。”据悉，Raitses领导PPPL的低温等离子体物理学和HTX的研究。

将分段电极应用于霍尔推进器并不新鲜。Raitses和Fisch以前就曾用过这种电极来控制传统环形霍尔推进器中的等离子体流动。但Simmonds在最近发表在《Applied Physics Letters》上的论文中测量和描述的效果要强得多，其对整个推进器的运行和性能有更大的影响。

聚焦羽流

新装置有助于克服无壁霍尔推进器的问题，即允许等离子体推进剂以大角度从火箭上射出。Simmonds说道：“简而言之，无壁霍尔推进器虽然很有前景，但由于缺乏通道壁，所以有一个不聚焦的羽流。因此，我们需要找出一种方法来集中烟羽以增加推力和效率，从而使其成为航天器的一个更好的整体推进器。”

分段式电极将一些电流从推进器的高压标准电极上引开以塑造等离子体并缩小和改善羽流的焦点。电极通过改变等离子体内的力的方向来创造这种效果，特别是那些在系统加速推动火箭的电离氙等离子体上的力。电离则将该过程中使用的氙气变成了自由的电子和原子核或离子。

这些发展通过在一个较小的体积内塑造更多的推力提高了推力的密度，这是霍尔推进器的一个关键目标。分段式电极的一个额外好处是减少了被称为呼吸模式振荡的等离子体不稳定性，“在这种情况下，随着电离率随时间的变化，等离子体的数量会周期性地增加和减少，”Simmonds说道。另外，他还补充称，令人惊讶的是，分段式电极使这些振荡消失了，“由于这些原因，分段式电极对霍尔推进器非常有用。”

新高推力密度火箭对微小的立方体卫星即CubeSats特别有利。Simmonds的联合博士生导师Masaaki Yamada是Magnetic Reconnection Experiment的负责人，据悉，该实验研究太阳耀斑、北极光和其他空间现象背后的过程。Yamada提议使用无墙分段电极系统为立方体卫星供电。Simmonds和他的本科生团队则接受了这一建议并由此开发了一个CubeSat和这样的火箭。不过遗憾的是，这个项目因为COVID-19大流行而在接近完成时停止了，但未来有望恢复。