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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(jìn)劑的墻壁從而創(chuàng)造出創(chuàng)新的推進(jìn)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(zhì)狀態(tài)。這些創(chuàng)新中包括最初在PPPL構(gòu)思和研究的圓柱形霍爾推進(jìn)器、完全無壁的霍爾推進(jìn)器。這兩種配置都減少了由等離子體跟壁的相互作用產(chǎn)生的通道侵蝕，而這種侵蝕限制了推進(jìn)器的壽命--這是典型的環(huán)形或環(huán)形霍爾推進(jìn)器的一個主要問題，特別是用于小型衛(wèi)星的小型化低功率推進(jìn)器。

廣泛研究

圓柱形霍爾推進(jìn)器是由PPPL的物理學(xué)家Yevgeny Raitses和Nat Fisch于1999年發(fā)明的，并且從那時起跟實驗室的霍爾推進(jìn)器實驗(HTX)的學(xué)生一起研究。包括韓國、日本、中國、新加坡和歐盟在內(nèi)的國家也對PPPL裝置進(jìn)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(jìn)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(kuò)大或發(fā)散的問題，這會使得系統(tǒng)的性能出現(xiàn)下降。為了減少這個問題，PPPL在其新的無壁式系統(tǒng)上安裝了一項關(guān)鍵的創(chuàng)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(chuàng)新不僅減少了發(fā)散，這有助于加強(qiáng)火箭的推力，而且還抑制了小尺寸霍爾推進(jìn)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(xué)機(jī)械和航空航天工程系的研究生Jacob Simmonds跟他的博士合作導(dǎo)師Raitses一起發(fā)表了一系列論文，PPPL的物理學(xué)家Masaaki Yamada則是另一位合作導(dǎo)師。Raitses表示：“在過去的兩年里，我們已經(jīng)發(fā)表了三篇關(guān)于等離子體推進(jìn)器的新物理學(xué)論文，這些論文帶來了這篇論文中描述的動態(tài)推進(jìn)器。它描述了一種新的效應(yīng)，進(jìn)而有望促進(jìn)在這一領(lǐng)域有新的發(fā)展。”據(jù)悉，Raitses領(lǐng)導(dǎo)PPPL的低溫等離子體物理學(xué)和HTX的研究。

將分段電極應(yīng)用于霍爾推進(jìn)器并不新鮮。Raitses和Fisch以前就曾用過這種電極來控制傳統(tǒng)環(huán)形霍爾推進(jìn)器中的等離子體流動。但Simmonds在最近發(fā)表在《Applied Physics Letters》上的論文中測量和描述的效果要強(qiáng)得多，其對整個推進(jìn)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(jìn)器的問題，即允許等離子體推進(jìn)劑以大角度從火箭上射出。Simmonds說道：“簡而言之，無壁霍爾推進(jìn)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(jìn)器。”

分段式電極將一些電流從推進(jìn)器的高壓標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)的力的方向來創(chuàng)造這種效果，特別是那些在系統(tǒng)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(fā)展通過在一個較小的體積內(nèi)塑造更多的推力提高了推力的密度，這是霍爾推進(jìn)器的一個關(guān)鍵目標(biāo)。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(wěn)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(shù)量會周期性地增加和減少，”Simmonds說道。另外，他還補(bǔ)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(jìn)器非常有用。”

新高推力密度火箭對微小的立方體衛(wèi)星即CubeSats特別有利。Simmonds的聯(lián)合博士生導(dǎo)師Masaaki Yamada是Magnetic Reconnection Experiment的負(fù)責(zé)人，據(jù)悉，該實驗研究太陽耀斑、北極光和其他空間現(xiàn)象背后的過程。Yamada提議使用無墻分段電極系統(tǒng)為立方體衛(wèi)星供電。Simmonds和他的本科生團(tuán)隊則接受了這一建議并由此開發(fā)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(fù)。

關(guān)鍵詞：等離子體物理學(xué)家