На фото двигатель Холла мощностью 6 кВт, работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА. Изображение предоставлено: НАСА-Лаборатория реактивного движения/Калифорнийский технологический институт.
Двигайтесь быстрее, дальше и эффективнее. Это цель инженеров-двигателей космических кораблей, таких как Чэнь Цуй, новый доцент Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии. Кюи исследует способы улучшения электрических маршевых двигателей — ключевой технологии для будущих космических миссий.
«Чтобы гарантировать, что технология останется жизнеспособной для длительных миссий, мы должны оптимизировать интеграцию EP с системами космических кораблей», — сказал Цюй.
Сотрудничая со своим бывшим научным руководителем, профессором Джозефом Вангом из Университета Южной Калифорнии, Цюи в декабре 2024 года опубликовал в журнале Plasma Sources Science and Technology результаты, которые дают новое представление о кинетическом поведении электронов внутри плазменных струй, потенциально определяющих «форму» вещей. прийти раскрыть.
Будущее освоения космоса
Кюи, который осенью поступил на факультет машиностроения и аэрокосмической техники, сосредоточил свои исследования на понимании того, как электроны — крошечные, быстро движущиеся заряженные частицы — ведут себя в плазменных струях, испускаемых двигателями EP.
«Эти частицы могут быть небольшими, но их движение и энергия играют важную роль в определении макроскопической динамики шлейфа, испускаемого электродвигателем», — сказал он.
Изучая эти микроскопические взаимодействия, Кюи хочет лучше понять, как испускаемое плазменное облако взаимодействует с самим космическим кораблем.
При электрическом движении нейтральный газ, обычно ксенон, ионизируется, а полученные ионы затем ускоряются с помощью электрических полей. Ионы, которые теперь образуют высокоскоростную плазменную струю, толкают космический корабль вперед.
По сравнению с химическими ракетами, системы EP гораздо более экономичны, что позволяет космическим кораблям путешествовать дальше, используя меньше топлива. Эти системы часто питаются от солнечных батарей или небольших ядерных реакторов, что делает их идеальными для длительных миссий в космосе, таких как программа НАСА «Артемида», цель которой — вернуть людей на Луну и в конечном итоге отправить астронавтов на Марс и за его пределы.
Однако облако, выбрасываемое двигателями, не просто состоит из выхлопных газов, а является источником жизни всей двигательной установки. Если облако не понимается должным образом, оно может вызвать неожиданные проблемы. Некоторые частицы могут вернуться обратно на космический корабль, потенциально повреждая важные компоненты космического корабля, такие как солнечные панели или антенны связи.
«Для миссий, которые могут длиться годами, двигатели EP должны работать плавно и стабильно в течение длительных периодов времени», — сказал Цюй. Это означает, что ученые и инженеры должны иметь глубокое понимание того, как ведет себя плазменный шлейф, чтобы предотвратить потенциальный ущерб.
Что выявило исследование
Кюи специализируется на создании передовых компьютерных моделей для изучения поведения плазмы в плазменных потоках двигателей EP. Это не просто симуляции. Они оснащены современными суперкомпьютерами и используют метод, называемый симуляцией Власова, усовершенствованный «бесшумный» метод расчета.
Электроны в ЭП-пучке ведут себя не совсем так, как предсказывают простые модели. Они функционируют по-разному при разных температурах и скоростях и создают разные узоры.
Ключ заключается в способности точно увидеть сложность электронных взаимодействий и одновременно исключить данные, которые сбивают с толку общую картину.
«Электроны напоминают шарики, упакованные в трубку», — сказал Цюй.
«Внутри пучка электроны горячие и быстро движутся. Их температура существенно не меняется при движении вдоль направления луча. Однако по мере того, как «камешки» выкатываются из центра трубки, они начинают остывать. Это охлаждение имеет тенденцию происходить в определенном направлении, перпендикулярном направлению струи».
В своей недавней работе они обнаружили, что распределение электронов по скоростям имеет близкое к максвелловскому распределению. [bell-curve-like] Форма в направлении балки и так называемый профиль «цилиндр» в поперечном направлении балки.
Кроме того, Цуй и Ван обнаружили, что тепловой поток электронов — основной путь движения тепловой энергии через плазменную струю ЭП — происходит в основном вдоль направления луча и имеет уникальную динамику, которая не была полностью учтена в предыдущих моделях.
Информация от: Университетом Вирджинии
