|
Создание космических ракет следующего поколения
|
|
|
|
Действуйте быстрее, дальше и эффективнее. Именно эта цель движет инженерами-двигателями космических аппаратов, такими как Чэнь Цуй, новый доцент Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии. Компания Cui изучает пути совершенствования электроракетных двигателей — ключевой технологии для будущих космических полетов. "Чтобы гарантировать, что технология останется жизнеспособной для долгосрочных полетов, нам необходимо оптимизировать интеграцию EP с системами космических аппаратов", - сказал Цуй.
|
|
|
|
Работая со своим бывшим научным руководителем, профессором Университета Южной Калифорнии Джозефом Ваном, в декабре 2024 года Цуй опубликовал результаты в журнале Plasma Sources Science and Technology, которые дают новое представление о кинетическом поведении электронов в плазменных пучках и, возможно, раскрывают "облик" грядущих событий.
|
|
Будущее освоения космоса
|
|
|
|
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, образующие теперь высокоскоростной плазменный пучок, толкают космический корабль вперед.
|
|
|
|
По сравнению с химическими ракетами, системы EP гораздо более экономичны с точки зрения расхода топлива, что позволяет космическим аппаратам летать дальше, перевозя при этом меньше 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 панели или коммуникационные антенны.
|
|
|
|
"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 любые потенциальные повреждения.
|
|
Что обнаружили результаты исследования
|
|
|
|
Cui специализируется на создании передовых компьютерных симуляторов для изучения поведения плазмы в плазменных потоках двигателей малой тяги. Это не просто моделирование. Они работают на современных суперкомпьютерах и используют метод, называемый моделированием по Власову, - усовершенствованный "бесшумный" вычислительный метод.
|
|
|
|
Электроны в электронном пучке ведут себя не совсем так, как предсказывают простые модели. Они ведут себя по-разному при разных температурах и скоростях, создавая различные закономерности.
|
|
|
|
Ключевым моментом является возможность точно оценить сложность электронных взаимодействий и при этом исключить данные, которые искажают общую картину.
|
|
|
|
"Электроны во многом похожи на шарики, упакованные в трубочку", - сказал Цуй.
|
|
|
|
"Внутри пучка 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 большей степени 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 происходит вдоль направления пучка с уникальной динамикой, которая не была полностью отражена в предыдущих моделях.
|
|
|
|
Источник
|
