Суперкомпьютер смоделировал «выхлоп» электродвигателя ракеты

© Naukatv.ru

Двигаться быстрее, дальше, эффективнее — именно эту цель ставят инженеры, разрабатывающие двигатели космических аппаратов. В частности, новый доцент кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Виргинского университета Чэнь Цуй.

Будущее космических путешествий

Электротяга все чаще используется в космосе взамен традиционной химической. Электрический ракетный двигатель (ЭРД) работает путем ионизации нейтрального газа — обычно ксенона, и ускорения полученных ионов при помощи электрического поля. Ионы, образующие высокоскоростной плазменный луч, толкают космический корабль вперед.

По сравнению с химическими двигателями, ЭРД гораздо экономичнее, что позволяет космическим кораблям путешествовать дальше, перевозя меньше топлива. Эти системы часто питаются от солнечных батарей или небольших ядерных реакторов, что делает их идеальными для длительных полетов, таких как программа возвращения на Луну Artemis, а также отправка астронавтов на Марс и дальше.

Однако шлейф, выбрасываемый ионными двигателями, — это не просто выхлоп: он может вызвать неожиданные проблемы. Некоторые частицы могут притянуться обратно к космическому кораблю и повредить его важные компоненты — например солнечные панели или антенны связи.

Кинетическому поведению электронов в испускаемых ЭРД плазменных пучках посвящено исследование, которое Цуй со своим бывшим научным руководителем опубликовал в журнале Plasma Sources Science and Technology.

Что обнаружили исследования

Цуй специализируется на создании передовых компьютерных симуляций для изучения поведения плазмы в плазменных потоках ракетного электродвигателя. Это не просто симуляции: они работают на современных суперкомпьютерах и используют моделирование Власова — передовой «бесшумный» вычислительный метод.

Электроны в пучке ЭРД ведут себя не совсем так, как предсказывают простые модели — они движутся по-разному в зависимости от температуры и скорости, и важно как можно точнее определить их взаимодействие, отбросив лишние данные, запутывающие общую картину.

Кроме того, обнаружено, что распределение скоростей электронов близко к максвелловской (колоколообразной) форме вдоль пучка и похоже на шляпу в поперечном к нему направлении. Таким образом, перенос тепловой энергии через плазменный пучок ЭРД происходит преимущественно вдоль направления «выхлопа» с уникальной динамикой, которая ранее не была полностью учтена в существующих моделях.

В России разработали двигатель для межпланетных путешествий

Ракеты смогут летать быстрее и дальше: протестировали новое ядерное топливо