Скрытые «формы» в плазменных лучах могут улучшить работу космических ракет следующего поколения

На фото двигатель Холла мощностью 6 кВт, работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА. Автор: NASA-JPL/CalTech

Летайте быстрее, дальше и эффективнее. Именно эта цель движет инженерами-двигателями космических аппаратов, такими как Чен Цуй, новый доцент Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии. Цуй изучает пути совершенствования электрических двигательных установок — ключевой технологии для будущих космических полетов.

"Чтобы гарантировать, что технология останется жизнеспособной для долгосрочных миссий, нам необходимо оптимизировать интеграцию EP с системами космических аппаратов", - сказал Цуй.

Работая со своим бывшим научным руководителем, профессором Университета Южной Калифорнии Джозефом Ваном, Цуй опубликовал в декабре 2024 года результаты в журнале Plasma Sources Science and Technology, которые дают новое представление о кинетическом поведении электронов в плазменных пучках и, возможно, раскрывают «форму» будущих событий.

Будущее космических исследований

Цуй, который осенью поступил на факультет машиностроения и аэрокосмической инженерии, фокусирует свои исследования на понимании того, как электроны — крошечные, быстро движущиеся заряженные частицы - ведут себя в пучках плазмы, испускаемых электронно—лучевыми двигателями.

"Эти частицы могут быть небольшими, но их движение и энергия играют важную роль в определении макроскопической динамики шлейфа, испускаемого электрическим двигательным аппаратом", - сказал он.

Изучая эти микроскопические взаимодействия, Cui стремится лучше понять, как поток испускаемой плазмы взаимодействует с самим космическим аппаратом.

Электродвигатель работает за счет ионизации нейтрального газа, обычно ксенона, а затем использует электрические поля для ускорения образующихся ионов. Ионы, которые теперь образуют высокоскоростной плазменный пучок, толкают космический аппарат вперед.

По сравнению с химическими ракетами, системы EP гораздо более экономичны по расходу топлива, что позволяет космическим аппаратам перемещаться дальше при меньшем расходе топлива. Эти системы часто питаются от солнечных батарей или небольших ядерных реакторов, что делает их идеальными для длительных полетов в космос, таких как программа НАСА «Артемида», целью которой является возвращение людей на Луну и, в конечном счете, отправка астронавтов на Марс и за его пределы.

Однако выхлопные газы, выбрасываемые двигателями малой тяги, — это не просто выхлопные газы, это жизненно важный элемент всей двигательной установки. Если не понимать, что такое выхлоп, это может привести к неожиданным проблемам. Некоторые частицы могут течь в обратном направлении к космическому аппарату, потенциально повреждая важные компоненты аппарата, такие как солнечные батареи или антенны связи.

"Для миссий, которые могут длиться годами, двигатели EP должны работать плавно и стабильно в течение длительного периода времени", - сказал Цуй. Это означает, что ученые и инженеры должны иметь глубокое представление о том, как ведет себя плазменный поток, чтобы предотвратить любое потенциальное повреждение.

Что обнаружили результаты исследования

Cui специализируется на создании передовых компьютерных моделей для изучения поведения плазмы в плазменных потоках двигателей малой тяги. Это не просто моделирование. Они оснащены современными суперкомпьютерами и используют метод, называемый моделированием по Власову, - усовершенствованный метод «бесшумных» вычислений.

Электроны в электронном пучке ведут себя не совсем так, как предсказывают простые модели. При разных температурах и скоростях они ведут себя по-разному, создавая различные паттерны.

Ключевым моментом является способность точно оценить сложность электронных взаимодействий, при этом исключая данные, которые искажают общую картину.

"Электроны во многом похожи на шарики, упакованные в трубку", - сказал Цуй.

"Внутри луча электроны горячие и движутся быстро. Их температура не сильно меняется, если двигаться вдоль направления луча. Однако, если «шарики» выкатываются из середины трубки, они начинают остывать. Это охлаждение происходит в определенном направлении, перпендикулярном направлению луча."

В своей недавней работе они обнаружили, что распределение электронов по скоростям имеет форму, близкую к максвелловской [колоколообразной кривой], в направлении пучка и то, что они описывают как профиль «цилиндра» в поперечном направлении пучка.

Кроме того, Цуй и Ван обнаружили, что электронный тепловой поток — основной способ прохождения тепловой энергии через плазменный пучок EP — в основном возникает вдоль направления пучка с уникальной динамикой, которая не была полностью отражена в предыдущих моделях.

Дополнительные материалы: Чэнь Цуй и др., моделирование Власовым электрического двигательного пучка, Наука и техника о плазменных источниках (2024). DOI: 10.1088/1361-6595/ad98c0

Источник: University of Virginia