摘要：
电动推进作为化学火箭的更高效替代方案，面临着来自离子羽流反向散射对航天器造成损害的挑战。研究人员Cui和Wang的超级计算机模拟揭示了离子羽流中电子的行为，帮助未来的发动机设计以减少损害。这一进展可能增强太空探索任务的寿命和效率。
正文：
一幅由电动推进提供动力的航天器的艺术印象图。（图片来源：NASA）
得益于新的超级计算机模拟，由电动推进提供动力的航天器可能很快能更好地抵御自身的排气。
电动推进是传统化学火箭的更高效替代方案，正越来越多地用于太空任务，最初在1998年和2003年分别在NASA的深空1号（Deep Space 1）和欧洲航天局（European Space Agency，ESA）的SMART-1上进行原型测试，随后在NASA的黎明号（Dawn）和灵神星任务（Psyche missions）等旗舰科学任务中得到应用。甚至有计划在NASA的月球门户（Lunar Gateway）空间站上使用电动推进。
电动推进的原理是电流使储存在航天器上的中性气体（如氙或氪）的原子电离（即去除一个电子）。电离过程产生离子和电子云。然后，霍尔效应（Hall effect）原理产生一个电场，加速离子和电子，并将它们引导成一个特有的蓝色羽流，从航天器中以超过60,000公里每小时的速度喷出。因此，电动推进系统也被称为离子发动机。
根据艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）的第三运动定律，每一个作用力都有一个相等且相反的反作用力。因此，从航天器喷出的离子羽流提供了推力。然而，由于离子羽流虽然速度很快但相对稀疏，积累动量需要一段时间。产生的冲量不像化学火箭那样立即强大，但离子发动机需要的燃料更少，因此质量更小，降低了发射成本，并且离子发动机不像化学火箭那样迅速耗尽燃料。
在NASA格伦研究中心（Glenn Research Center）进行测试的先进电动推进系统。（图片来源：NASA/Jef Janis）
电磁场的能量通常由太阳能电池板提供，因此该技术有时被称为太阳能电动推进。但对于远离太阳的任务，阳光较弱时，也可以使用放射性同位素热电发电机（radioisotope thermoelectric generators，RTGs）形式的核能来驱动电动推进。
尽管电动推进技术现在已经成熟，并在各种任务中使用，但它并不是完美的技术。一个特别的问题是离子羽流可能会损坏航天器。尽管羽流是指向探测器外的，但羽流中的电子可能会被重新定向，逆着羽流的行进方向移动并撞击航天器，损坏太阳能电池板、通信天线和其他暴露的部件。可以说，这对探测器是不利的。
“对于可能持续多年的任务，[电动推进]推进器必须在长时间内平稳且一致地运行，”弗吉尼亚大学工程与应用科学学院（University of Virginia School of Engineering and Applied Science）的Chen Cui在一份声明中说。
在可以采取措施保护航天器免受这些反向散射电子的影响之前，必须首先了解它们在离子发动机羽流中的行为，这就是Cui和南加州大学（University of Southern California）的约瑟夫·王（Joseph Wang）所做的工作。他们进行了离子发动机排气的超级计算机模拟，模拟电子的热力学行为及其如何影响羽流的整体特性。
“这些粒子可能很小，但它们的运动和能量在决定从电动推进器发射的羽流的宏观动力学中起着重要作用，”Cui说。
Cui和王发现，羽流中的电子行为因其温度和速度而异。
“电子就像装在管子里的弹珠，”崔说。“在光束内部，电子是热的，移动得很快。如果沿着光束方向走，它们的温度变化不大。然而，如果‘弹珠’从管子中间滚出来，它们就开始冷却。这种冷却在某个方向上更明显，即垂直于光束方向的方向。”
换句话说，光束核心中移动最快的电子温度大致恒定，但外部的电子冷却得更快，减速并移出光束，可能被反向散射并撞击航天器。
现在科学家们更好地理解了离子羽流中电子的行为，他们可以将其纳入未来电动推进发动机的设计中，寻找限制反向散射的方法，或者可能将电子更多地限制在光束的核心。最终，这可以帮助由电动推进提供动力的任务飞得更远、更久，被其离子羽流的温和蓝色微风推动。
张sir
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