弗吉尼亚大学的一个研究小组正在通过对电力推进推进器的突破性研究彻底改变未来的太空旅行。通过深入研究电子在等离子体束中的行为，他们的工作有望提高航天器的效率和安全性，确保像美国国家航空航天局的阿耳特弥斯（Artemis）计划这样的任务能够在降低风险和提高可持续性的情况下进一步探索太空。

图为美国国家航空航天局喷气推进实验室正在运行的 6 千瓦霍尔推进器。 资料来源：美国国家航空航天局

更快、更远、更高效--这就是像弗吉尼亚大学工程与应用科学学院助理教授 Chen Cui 这样的航天器推进工程师所肩负的使命。 Cui 专注于推进未来太空探索的基石技术--电力推进（EP）推进器。

"为了确保这项技术在长期任务中的可行性，我们需要优化 EP 与航天器系统的集成，"Cui 解释说。

Cui与他的前导师、南加州大学教授Joseph Wang合作，最近在等离子体源科学与技术上发表了突破性研究成果。 他们的研究为等离子体束中的电子行为提供了新的视角，有可能塑造下一代太空推进系统。

太阳能 EP 航天器设计图。 资料来源：美国国家航空航天局

Cui 于秋季加入机械与航空航天工程系，他的研究重点是了解电子--微小、快速移动的带电粒子--在电动推进器发射的等离子体束中的行为。他说："这些粒子虽然很小，但它们的运动和能量在决定电推进推进器发出的羽流的宏观动态方面发挥着重要作用。"

通过研究这些微观相互作用，Cui 希望更好地了解等离子体喷出的羽流如何与航天器本身相互作用。"对于可能持续数年的任务来说，EP推进器必须长时间平稳、稳定地运行"。

电推进器的工作原理是电离中性气体（通常是氙气），然后利用电场加速产生的离子。 离子形成高速等离子体束，推动航天器前进。

与化学火箭相比，EP 系统的燃料效率要高得多，使航天器能够在携带较少燃料的情况下飞行更远的距离。 这些系统通常由太阳能电池板或小型核反应堆提供动力，因此非常适合执行长时间的太空任务，例如美国宇航局的阿耳特弥斯计划，该计划旨在让人类重返月球，并最终将宇航员送往火星及更远的地方。

Chen Cui 是弗吉尼亚大学工程学院机械与航空航天工程系的新任副教授。 资料来源：弗吉尼亚大学工程系

然而，推进器喷出的羽流不仅仅是气体，它还是整个推进系统的生命线。 如果不能很好地理解，羽流可能会导致意想不到的问题。 一些粒子可能会倒流向航天器，从而可能损坏航天器上的重要部件，如太阳能电池板或通信天线。

Cui说："对于可能持续数年的任务来说，EP推进器必须长时间平稳、稳定地运行。 这意味着科学家和工程师必须深入了解等离子体羽流的行为方式，以防止任何潜在的损害。"

Cui 擅长建立先进的计算机模拟，以研究等离子体在 EP 推进器等离子体流中的表现。 这些模拟不是普通的模拟。 它们由现代超级计算机驱动，使用一种名为弗拉索夫模拟的方法，这是一种先进的"无噪声"计算方法。

EP 光束中电子的行为并不完全符合简单模型的预测。 在不同的温度和速度下，它们的表现各不相同，从而形成不同的模式。

能够精确地看到电子相互作用的复杂性，同时剔除混淆大局的数据是关键所在。

"电子就像装在管子里的弹珠，"Cui 说。"在光束内部，电子温度高，移动速度快。 如果沿着光束方向移动，它们的温度不会有太大变化。 但是，如果'弹珠'从管子中间滚出，它们就会开始冷却。 这种冷却更多地发生在某些方向，即与光束方向垂直的方向。"

在他们的最新论文中，他们发现电子速度分布在光束方向上呈现出近似麦克斯韦[钟形曲线]的形状，而在光束的横向方向上则呈现出他们所描述的"顶帽"轮廓。

此外，Cui 和 Wang 还发现，电子热通量--热能在 EP 等离子体束中移动的主要方式--主要沿电子束的方向发生，其独特的动态特性是以前的模型无法完全捕捉到的。

编译自/scitechdaily