足球比赛结果 ISP 实验室研究生研究

卫星计算和通信系统的进步使得更小的 卫星执行以前只能通过大量技术才能完成的任务 更大、更昂贵的航天器。这些卫星的一项使能技术 是一种在太空中操纵微型飞行器的可扩展且有效的方法。现有 部署在较大卫星上的推进技术无法规模化 在保持性能的同时缩小尺寸。一种有前景的微推进解决方案 称为电喷雾。这种推进方法使用电能来加速 产生推力的雾化液体推进剂。传统上，这种推进方法 需要针状结构来产生喷涂所需的电应力 液体。 2012年，离子空间推进实验室的成员展示了一种新方法 使用铁磁流体进行电喷雾。铁磁流体是可以操纵的磁性液体 使用磁铁。当这些流体处于磁场中时， 流体界面自然变形为一系列峰和谷，称为 由于罗森威格不稳定。在这些峰的尖端，电场为 可以实现放大和电喷雾发射。结果是推进器包括 许多小峰——每个峰都会产生一股离子射流——从推进剂中自行组装出来。 足球比赛结果正在申请该离子液体铁磁流体推进技术的专利。 尽管铁磁流体并不是一项新技术，但铁磁流体的开发 具有用作航天器推进剂所需的所有特性。这样的 一种流体首先由布赖恩·霍克特（Brian Hawkett）和尼尔梅什·贾恩（Nirmesh Jain）在 澳大利亚悉尼。足球比赛结果与悉尼大学合作 正在研究利用该技术生产可销售的推进器。

非常小的卫星需要非常小的推进器。设计这样的推进器需要 对微观尺度流体力学的详细了解。 ISP 实验室维护 致力于探索表面不稳定性的成像和可视化设施 以及微观尺度复杂液体的界面动力学。我们采用准直 蓝色激光背光和立体显微镜可可视化磁性等效果 以及电液体表面不稳定性和微射流破碎不稳定性。这些 光学诊断可用于确定电、磁和电的平衡 电喷雾推进器尖端变形流体界面中的毛细管应力。 为了了解原子尺度上的流体物理，我们采用成像技术 比光学仪器所能达到的功能要强大得多。我们可以插入操作电喷雾 微型推进器进入电子显微镜的标本成像室进行观察 液体推进剂中的纳米级物理。我们可以将分子形象化 离子射流底部的运动，细节小至几纳米。使用这个 技术，我们观察到当极端电场如此高时从未见过的行为 因为每米 10 GigaV 的电压适用于导电液体界面。

等离子推进器以其燃油效率而闻名。与化学品相比 火箭，典型的等离子推进器可能只需要推进剂数量的十分之一 完成既定的使命。然而，由于可用电力 航天器的功率被限制在几十千瓦，等离子体推进器的功率被限制在 它们可以提供的瞬时推力。结果是，虽然等离子体 推进器需要的燃料较少，完成给定任务所需的时间比 高推力化学系统。对于某些任务来说，获得 航天器到达目的地的时间比它节省推进剂要短。这些 各种类型的任务需要比目前最先进的技术更大的推力 霍尔推进器。

ISP 实验室的工作重点是增加可用推力 给定输入电功率的霍尔推进器。这些所谓的“高推力功率 “比率”装置将成为许多任务和民用任务的一项使能技术 作为军事用途，需要快速重新定位太空资产。研究人员正在研究 当前霍尔推进器的各种推力和功率损失机制 确定改进方法。一个微妙但关键的相关研究领域 涉及了解热电子空心阴极/中和器之间的耦合电压 和推进器等离子体。

霍尔效应推进器（以埃德温·霍尔发现的电磁效应命名） 1879 年）是用于在太空中操纵卫星的等离子火箭。霍尔效应推进器 可以改变卫星的轨道，在存在扰动的情况下保持特定的轨道 诸如拖动或将卫星从地球推进到太阳系中的另一个位置等效果 系统。 最先进的霍尔推进器使用气态氙作为推进剂。的 在所有在环境条件下呈气态的元素中，氙具有最好的 用作等离子体燃料的化学性质的混合物。然而，有可能认识到 如果非气体的其他元素可以，则霍尔推进器具有卓越的性能 用于代替氙气。许多候选元素在房间内凝结（固体） 温度，因此被称为“可冷凝”推进剂以区分 它们来自氙气等气体。

ISP 实验室一直在对可冷凝推进剂燃料霍尔推进器进行研究 自 2004 年以来。铋、锌和镁推进器已通过使用成功测试 可凝性推进剂测试设施。这些金属推进剂具有优越的性能 许多任务都采用氙气，并且比氙气便宜得多。最 使用金属推进剂时面临的挑战是它们需要汽化 在供应给推进器之前。这个汽化过程会消耗大量 大量的电力——导致系统效率极低。密歇根州 Tech 已申请专利并开发了一种独特的蒸发金属推进剂的工艺 通过利用等离子体放电产生的废热，将霍尔推进器安装在霍尔推进器内。

可冷凝推进剂霍尔推进器的另一个潜在好处是行星 研究表明，锌和镁在整个环境中的含量都很高。 太阳系。使用其中一种推进剂的霍尔效应推进器可以 可能会在任务期间通过从火星收集这些来源来补充能量 土壤或小行星风化层。

等离子推进器通过排出高速带正电流来运行 离子产生反作用推力。然而，一个孤立的航天器不断地发射 由于正离子的电荷很快就会产生很大的不平衡 机上有过量的负电子。因此，等离子推进器需要一个装置 称为阴极，能够以相同的速率将电子发射到太空中 推进器发射离子。

典型的阴极通过使用少量推进剂气体产生等离子体来工作 放电——将多余的电子排出到太空中。由于这种气体不 有效地产生任何推力，实际上都是对宝贵推进剂的浪费。整体 通过能够发射的技术可以大大提高推进器的性能 不使用任何气体的电子。场发射阴极技术可以 无需任何外部供气或电加热器即可产生电子束。领域 发射阴极依赖于非常尖锐（10纳米半径）的量子力学发射 电极尖。由于纳米尺寸尖端的脆弱性，该结构 容易受到损坏，导致尖端变钝并破坏设备功能。 这种类型的太空故障将使推进系统失效并离开 航天器搁浅。

在密歇根理工学院，我们开发了一种场发射阴极并获得了专利 带有等离子推进器，当发射器尖端有能力再生 被损坏。阴极是利用强电场塑造一个小的 液态金属（例如铟或镓）的体积。金属被拉成纳米锋利的 尖端通过电场，然后所得结构被永久冻结 通过去除电热。然后纳米尖端充当有效的电子源。 与传统的场发射器一样，尖端仍然会受到侵蚀和变钝； 然而，锐化过程只需几秒钟，并且可以无限次重复 多次，不断地将尖端刷新到新的状态和渲染 生命周期无限制。

等离子体特性的测量，例如电子温度和密度，可以 通过将小的电偏置探针插入等离子体区域来获得 兴趣。当电流冲击探针时，探针的电压发生变化 测量血浆。使用这些技术，我们可以确定我们的推进器的性能如何 正在利用电磁能以及耗尽的等离子体如何相互作用 航天器在轨道上运行。

在某些情况下，这些探针的物理存在会扰乱等离子体中的等离子体 被测量的区域，最终改变被测量的属性。激光 汤姆逊散射 (LTS) 是 ISP 中采用的一种非侵入式测量技术 可用于测定自由电子温度和密度的实验室 仅使用光的等离子体。我们使用高功率激光器来发射光子 已知频率（颜色）进入等离子体。这些光子与自由电子碰撞 在等离子体中并向各个方向弹性散射。我们使用敏感 光谱仪将散射光子的颜色与其原始颜色进行比较 从激光中出来——微小的差异可以告诉我们自由电子的速度有多快 正在移动，并由此得出等离子体温度。

当强电场施加到流体表面时，流体会拉伸。 随着电场强度不断增加，可以达到一个点 流体不再能抵抗电拉力。此时，一架喷气式飞机，或 发射部位会产生液体喷雾，这种现象称为电喷雾。 这种液体的排放会产生微量的推力。通过打包数十个 将数百个这样的发射点排列成一个阵列，就可以构建一个可扩展的推进器 非常适合小型卫星（通常为数十公斤或更小）。结果 在离子液体铁磁流体微推进器的持续研究中，ISP 实验室开发了 一系列计算机模拟来模拟复杂的交互式铁水动力学和电流体动力学 这些液体。

利用高放大倍率成像设置，研究人员能够对 流体在可控电场和磁场中的表面变形。这些 图像可作为模拟性能的验证。