更好的推进系统如何改善太空探索

 
现在用于将卫星保持在稳定轨道上的一类引擎可以适用于为长距离空间探测器供电。图片来源：NASA / JPL-Caltech /科学信息来源Aero / Astro工程师Ken Hara正在开发计算机模型，以帮助使鲜为人知但用途广泛的推进器发动机更适合于长距离任务。
当大多数人想到太空旅行时，他们会想象火箭像高耸的土星V，将阿波罗宇航员送入月球。
那枚巨大的火箭中的大部分都由燃烧所产生的燃料组成，该燃料是将一个载着微小人员的太空舱发射到轨道上的。在那儿，没有地球引力，燃烧燃料的推进器发出的小脉冲将阿波罗太空舱引向月球并返回。
从那时起，科学家们开发了不燃烧重燃料的替代推进器技术。取而代之的是，这些推进器利用来自太阳能电池的电将气体原子中的电子剥离，产生带正电的离子流(称为等离子体)，使诸如氙气和k气之类的稳定气体电离。航天器将这种等离子体从排气中推出，以推动自身通过失重的空隙。
这种推进器，被称为电动推进器，或等离子推进器，目前使数百个GPS，军事和通信卫星能够进行微小的航向校正并保持稳定的轨道。但是现在，科学家们正在研发新一代的离子推力器，这些离子推力器能够在整个太阳系中执行长途飞行任务，例如访问小行星9969 Braille和Borrelly彗星的“深空1”舱以及前往该舱的“黎明”飞船。火星和木星之间的小行星带。
航空航天学助理教授肯·哈拉(Ken Hara)说：“等离子推进器代表着太空探索的未来。”他正在帮助开发计算机模型，以使离子发动机更加强大，高效和实用。
Hara说，等离子推进器比其前身具有许多优势。首先，在等离子推进器中用作推进剂的离子化气体的重量比阿波罗时代的推进器燃烧的燃料轻。航天器通过减轻燃料负荷而节省的每一磅重量，意味着重量更大，可以承载更大的科学有效载荷。而且，一旦等离子动力飞行器进入太空，它就可以随着时间的推移以燃油燃烧器无法实现的方式加速，最终也使这些轻型发动机也具有速度优势。
理解为什么会这样涉及一个称为排气速度的概念，即推进剂离开发动机的速度。传统的燃油发动机燃烧大量的燃油，但排气速度较低，两者结合会产生巨大的推力。想一想火箭在发射台上的运动，首先，它会随着巨大的烈焰升起而缓慢移动，然后随着产生的巨大推力加速而加速，从而打破了重力，使火箭飞向天空。
相比之下，等离子引擎是为不同的环境设计的-推动已经处于低重力或无重力环境的航天器。等离子发动机通过以极高的排气速度但极小的体积发射离子化的粒子来实现这一目标，从而推动了航天器的呼吸。在太空的真空中，没有减少飞船向前运动的动力，这些离子化的推力使飞船随着时间的流逝而加快速度，比燃烧燃料的飞船更快，更远。
最近被电火箭推进协会授予荣誉的原良(Hara)正在创建计算机模型，以探索等离子体如何实现更快，更强大的排气速度，从而进一步帮助改善等离子体推进器。为此，他需要开发能够求解新方程的计算模型，并在严格的数学分析下验证它们的正确性。然后，他需要通过将自己的数学预测与实验科学家在现实世界中的等离子推进器中进行的比较来验证这些结果。 “我们在数学上是否合理，我们的模型在物理上是否正确?”原声问道。 “那是我的真实所在。”