這種以等離子體為動(dòng)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(gè)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(shí)起跟實(shí)驗(yàn)室的霍爾推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)(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(duì)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(jì)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(huì)使得系統(tǒng)的性能出現(xiàn)下降。為了減少這個(gè)問題，PPPL在其新的無壁式系統(tǒng)上安裝了一項(xiàng)關(guān)鍵的創(chuàng)新，即分段式電極，這是一個(gè)同心連接的電流載體。Raitses指出，這項(xiàng)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(huì)干擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)。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(duì)整個(gè)推進(jìn)器的運(yùn)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(gè)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(gè)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(diǎn)。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(dòng)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(gè)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(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。分段式電極的一個(gè)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(shí)間的變化，等離子體的數(shù)量會(huì)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(duì)霍爾推進(jìn)器非常有用。”

新高推力密度火箭對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)則接受了這一建議并由此開發(fā)了一個(gè)CubeSat和這樣的火箭。不過遺憾的是，這個(gè)項(xiàng)目因?yàn)镃OVID-19大流行而在接近完成時(shí)停止了，但未來有望恢復(fù)。