為實現深空探索 科學家設計等離子體動力火箭

這種以等離子體為動力的微型裝置的直徑不到一英寸并去掉了圍繞等離子體推進劑的墻壁從而創造出創新的推進器配置。等離子體是一種由自由漂浮的電子和原子核或離子組成的物質狀態。這些創新中包括最初在PPPL構思和研究的圓柱形霍爾推進器、完全無壁的霍爾推進器。這兩種配置都減少了由等離子體跟壁的相互作用產生的通道侵蝕，而這種侵蝕限制了推進器的壽命--這是典型的環形或環形霍爾推進器的一個主要問題，特別是用于小型衛星的小型化低功率推進器。

廣泛研究

圓柱形霍爾推進器是由PPPL的物理學家Yevgeny Raitses和Nat Fisch于1999年發明的，并且從那時起跟實驗室的霍爾推進器實驗(HTX)的學生一起研究。包括韓國、日本、中國、新加坡和歐盟在內的國家也對PPPL裝置進行了研究，韓國和新加坡則正在考慮飛行它們的計劃。

雖然無壁霍爾推進器可以最大限度地減少通道侵蝕，但它們面臨著等離子體推力羽流廣泛擴大或發散的問題，這會使得系統的性能出現下降。為了減少這個問題，PPPL在其新的無壁式系統上安裝了一項關鍵的創新，即分段式電極，這是一個同心連接的電流載體。Raitses指出，這項創新不僅減少了發散，這有助于加強火箭的推力，而且還抑制了小尺寸霍爾推進器等離子體的打嗝，而這些打嗝會干擾動力的順利輸送。

普林斯頓大學機械和航空航天工程系的研究生Jacob Simmonds跟他的博士合作導師Raitses一起發表了一系列論文，PPPL的物理學家Masaaki Yamada則是另一位合作導師。Raitses表示：“在過去的兩年里，我們已經發表了三篇關于等離子體推進器的新物理學論文，這些論文帶來了這篇論文中描述的動態推進器。它描述了一種新的效應，進而有望促進在這一領域有新的發展。”據悉，Raitses領導PPPL的低溫等離子體物理學和HTX的研究。

將分段電極應用于霍爾推進器并不新鮮。Raitses和Fisch以前就曾用過這種電極來控制傳統環形霍爾推進器中的等離子體流動。但Simmonds在最近發表在《Applied Physics Letters》上的論文中測量和描述的效果要強得多，其對整個推進器的運行和性能有更大的影響。

聚焦羽流

新裝置有助于克服無壁霍爾推進器的問題，即允許等離子體推進劑以大角度從火箭上射出。Simmonds說道：“簡而言之，無壁霍爾推進器雖然很有前景，但由于缺乏通道壁，所以有一個不聚焦的羽流。因此，我們需要找出一種方法來集中煙羽以增加推力和效率，從而使其成為航天器的一個更好的整體推進器。”

分段式電極將一些電流從推進器的高壓標準電極上引開以塑造等離子體并縮小和改善羽流的焦點。電極通過改變等離子體內的力的方向來創造這種效果，特別是那些在系統加速推動火箭的電離氙等離子體上的力。電離則將該過程中使用的氙氣變成了自由的電子和原子核或離子。

這些發展通過在一個較小的體積內塑造更多的推力提高了推力的密度，這是霍爾推進器的一個關鍵目標。分段式電極的一個額外好處是減少了被稱為呼吸模式振蕩的等離子體不穩定性，“在這種情況下，隨著電離率隨時間的變化，等離子體的數量會周期性地增加和減少，”Simmonds說道。另外，他還補充稱，令人驚訝的是，分段式電極使這些振蕩消失了，“由于這些原因，分段式電極對霍爾推進器非常有用。”

新高推力密度火箭對微小的立方體衛星即CubeSats特別有利。Simmonds的聯合博士生導師Masaaki Yamada是Magnetic Reconnection Experiment的負責人，據悉，該實驗研究太陽耀斑、北極光和其他空間現象背后的過程。Yamada提議使用無墻分段電極系統為立方體衛星供電。Simmonds和他的本科生團隊則接受了這一建議并由此開發了一個CubeSat和這樣的火箭。不過遺憾的是，這個項目因為COVID-19大流行而在接近完成時停止了，但未來有望恢復。