作者:普林斯顿等离子体物理实验室的约翰·格林沃尔德
研究生雅各布·西蒙兹(中)与顾问山田正明(左)和叶夫根尼·雷茨(右)身后有无墙霍尔推进器的身影
信用:Kiran Sudarsanan 人们对深空探测越来越感兴趣，这引发了对强大的长寿火箭系统的需求，以驱动宇宙飞船
美国的科学家
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美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)现在已经开发了一种基于等离子体的推进系统的微小改进版本，称为霍尔推进器，既能延长火箭的寿命，又能产生高功率
由等离子体驱动的小型化系统——由自由漂浮的电子和原子核或离子组成的物质状态——直径不超过一英寸，并消除了等离子体推进器周围的壁，从而创造出创新的推进器配置
在这些创新中，圆柱形霍尔推力器和完全无壁霍尔推力器首次在PPPL提出和研究
这两种配置都减少了等离子体-壁相互作用导致的通道侵蚀，而等离子体-壁相互作用限制了推进器的寿命——这是传统环形霍尔推进器的一个关键问题，尤其是小型卫星上应用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物理学家叶夫根尼·雷塞斯和纳特·菲舍尔在1999年发明的，从那时起，他们就在实验室的霍尔推进器实验(HTX)中与学生们一起进行研究
包括韩国、日本、中国、新加坡和欧盟在内的一些国家也对PPPL设备进行了研究，韩国和新加坡正在考虑飞行这些设备的计划
尽管无壁霍尔推进器可以将通道侵蚀降至最低，但它们面临着等离子体推力羽流大范围扩大或发散的问题，这会降低系统的性能
为了减少这个问题，PPPL在其新型无壁系统上安装了一项关键创新，其形式为分段电极，即同心连接的电流载体
Raitses说，这一创新不仅减少了发散，有助于增强火箭推力，而且抑制了小尺寸霍尔推力器等离子体的打嗝，这些等离子体会中断电力的平稳输送
这一新发现是普林斯顿大学机械与航空航天工程系研究生雅各布·西蒙兹和他的博士共同顾问雷瑟斯发表的一系列论文的总结；PPPL物理学家山田正明是另一位顾问
“在过去的两年里，我们发表了三篇关于等离子推进器新物理的论文，导致了本文中描述的动态推进器，”领导PPPL低温等离子体物理和高温超导研究的雷茨说
“它描述了一种新颖的效应，预示着这一领域的新发展
" 分段电极在霍尔推进器上的应用并不新鲜
Raitses和Fisch以前曾使用这种电极来控制传统环形霍尔推进器中的等离子体流
但是西蒙兹在最近发表在《应用物理快报》上的论文中测量和描述的影响要大得多，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，这种推进器允许等离子推进剂从火箭大角度发射，对火箭推力的贡献很小
“简而言之，无壁霍尔推进器虽然有希望，但由于缺乏通道壁，羽流不集中，”西蒙兹说
“因此，我们需要找到一种方法来聚焦羽流，以增加推力和效率，并使其成为航天器更好的整体推进器
" 分段电极从推进器的高压标准电极转移一些电流，以形成等离子体，并缩小和改善羽流的焦点
电极通过改变等离子体中的力的方向来产生这种效果，特别是电离氙等离子体上的力，系统加速以推动火箭
电离过程将氙气转化为独立的电子和原子核，或离子
这些发展通过缩小体积来增加推力密度，这是霍尔推进器的一个关键目标
西蒙兹说，分段电极的另一个好处是减少了被称为呼吸模式振荡的等离子体不稳定性，“等离子体的量随着电离率随时间的变化而周期性地增加和减少”
令人惊讶的是，他补充说，分段电极导致这些振荡消失
“由于这些原因，分段电极对霍尔推进器非常有用，”他说
这种新的高推力密度火箭对小型立方卫星尤其有利
研究太阳耀斑、北极光和其他空间现象背后的过程的磁重联实验(MRX)负责人、西蒙兹的联合博士顾问Masaaki Yamada建议使用无壁分段电极系统为立方体卫星供电
西蒙兹教授和他的本科生团队
丹尼尔·马洛，埃文斯·克劳福德1911年在普林斯顿大学的物理学教授，接受了开发立方体卫星和这样一个火箭的建议——这个项目被新冠肺炎·疫情中止了，在未来可能会恢复
这项研究发表在《应用物理快报》上
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