一颗正在建造中的微型等离子体动力卫星可能会开启太空探索的新纪元

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)正在建造的一颗微型卫星可能为太空探索开辟新的天地。普林斯顿大学的学生们正在建造一个立方体卫星，作为一个小型火箭推进器的试验台。

普林斯顿大学的研究生和本科生聚集在立方体卫星底盘模型周围。左起:雅各布·西蒙兹、杰瑞·翔、尼尔巴夫·乔普拉、丹尼尔·马洛、叶夫根尼·拉伊茨、赛斯·弗里曼、马修·布莱索和丹尼尔·皮亚特克(西顿霍尔学生)。

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Elle Starkman, Princeton Plasma Physics Laboratory

由PPPL物理学家叶夫根尼·雷茨(Yevgeny Raitses)领导开发的立方体卫星推进器有望提高微型卫星的灵活性。目前，世界各地的大学、研究中心和商业机构已经发射了1000多颗微型卫星。该推进装置由等离子体提供动力，可以提高和降低环绕地球的立方体卫星的轨道，这一能力目前还不为小型航天器所广泛具备，并具有探索深太空的潜力。

“本质上，我们将能够在许多任务中使用这些微型推进器，”Raitses说。

一群立方体卫星

其中一个例子是:物理学家Masaaki Yamada说，由数百个这样的微型动力立方体卫星组成的舰队可以捕捉到磁层(环绕地球的磁场)重新连接过程的细节。Yamada是PPPL磁力线重连实验的首席研究员，该实验研究的是磁力线重连，即等离子体中磁力线的分离和爆炸性断裂，这些磁力线会触发极光、太阳耀斑和地磁风暴，从而破坏地球上的手机服务和电网。

关键优势

这台小型化的发动机缩小了一个圆柱形推力器的尺寸，该推力器具有高体积到表面的几何形状，是由PPPL霍尔推力器实验开发的。该实验研究了等离子体——由自由漂浮的电子和原子核或离子组成的物质的状态——用于太空推进。

小型化的圆柱形霍尔推进器的一个关键优势是，它能够产生比目前大多数环绕地球运行的立方体卫星使用的等离子体推进器更高的火箭推力密度。小型化的推力器可以达到更高的密度和高比冲(火箭燃烧燃料效率的技术术语)，这将比通常用于小型卫星的化学火箭和冷气体推力器产生的能量大很多倍。

高比冲推力器使用更少的燃料，可以延长卫星的任务，使它们更划算。同样重要的是，高比冲可以产生足够大的卫星动量增加，使航天器能够改变轨道，这是目前绕着立方体卫星轨道运行的卫星所没有的。最后，高推力密度将使卫星能够在合理的时间内完成复杂的燃料优化轨道。

这些功能提供了许多好处。例如，立方体卫星可能会下降到较低的轨道，以跟踪飓风或监测海岸线的变化，然后返回到较高的轨道，在那里卫星的阻力较弱，需要更少的燃料推进。

这个一英尺长的立方体卫星被普林斯顿大学称为“老虎卫星”，由三个4英寸高的铝立方体垂直堆叠而成。传感器、电池、无线电设备和其他仪器将填满立方体卫星，在两端安装一个直径大致相当于两个美国基地的微型推进器。当卫星经过地球赤道时，推进器会点火改变轨道。

机械和航天工程专业的学生

建造立方体卫星的是普林斯顿大学机械和航天工程系的大约10名研究生和本科生，丹尼尔·马洛(Daniel Marlow)是1911年埃文斯·克劳福德(Evans Crawford)物理学教授，担任教员顾问。本科生包括安德鲁·雷德(2020级)和赛斯·弗里曼(2022级)，雷德负责立方体卫星的设计和建造。从事推进器开发的是雅各布·西蒙兹(Jacob Simmonds)，他是一名三年级的工程学研究生，他的论文导师是Raitses和Yamada。Simmonds说:“这个项目最初是Yamada的立方体卫星的原型，现在已经发展成为它自己的等离子体推进器试验台。”

PPPL还在建设一个测试设施，旨在模拟立方体卫星运行的关键方面。大学生们利用自己的时间建造卫星和这个设施。马洛说:“只要学生和他们的导师已经确定了与TigerSat项目相关的明确定义的问题，他们就可以获得独立的学分。”“此外，在我教授的本科生物理入门课程的一些习题中，有一些问题与TigerSat飞行计划有关。”

西蒙兹正在为美国宇航局的立方卫星发射计划起草一份提案。这项旨在促进公私技术合作和低成本技术开发的计划所选择的项目，其发射成本涵盖了商用和NASA的运载火箭。计划要求在2021年秋季发射一颗老虎卫星。

合作的价值

对于Raitses来说，这个项目展示了普林斯顿工程系学生与PPPL合作的价值，以及大学教师与实验室合作的价值。“这是一件互惠互利的事情，”他说，“也是我们想要鼓励的事情。”

推进器工作的支持来自实验室指导的研究和开发资金，这些资金通过美国能源部科学办公室提供。这种新型的基于低温磁化等离子体的推力器的基础科学方面得到了美国空军科研办公室的支持。普林斯顿大学支持建造立方体卫星和测试设施。

普林斯顿大学(Princeton University)位于新泽西州普兰斯博罗(Plainsboro)的福雷斯塔尔(Forrestal)校园，致力于创造关于等离子体物理的新知识——超热、带电气体——并为聚变能的产生开发实用的解决方案。该实验室由美国能源部科学办公室管理，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，目前正致力于解决我们这个时代一些最紧迫的挑战。更多信息，请访问energy.gov/science。