小衛(wèi)星有望同時兼顧速度與續(xù)航了！

近期，麻省理工學院（MIT）團隊開發(fā)出一種雙模式推進系統(tǒng)，小型衛(wèi)星基于該系統(tǒng)可以用一個燃料箱同時為化學推進器和電推進器提供動力。

要知道，在傳統(tǒng)方案中，這兩種推進器都需要單獨的、笨重的燃料源，因此往往只能在速度與續(xù)航方面“二選一”。

該系統(tǒng)采用了美國空軍開發(fā)的環(huán)保型 ASCENT 推進劑，它既能像傳統(tǒng)燃料那樣快速機動，又能驅動指甲蓋大小的電噴霧推力器實現(xiàn)高效長距離飛行。也就是說，它有可能讓衛(wèi)星既具備“短跑”的爆發(fā)力又擁有“長跑”的耐力。

（來源：MIT）

相關論文發(fā)表于 Journal of Propulsion and Power，論文題目為“Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant”[1]。

研究團隊認為，這種推進劑在小型航天器領域具有廣闊的應用潛力。根據美國航空航天局（NASA）“綠色推進雙?！比蝿沼媱?，將于今年 11 月發(fā)射一顆手提箱大小的立方體衛(wèi)星進行首次在軌驗證。

如果驗證成功，小型衛(wèi)星不僅有望以更低成本執(zhí)行深空探測、火星及小行星帶任務，還可以靈活部署用于氣象監(jiān)測等近地應用。

“我們可以將立方體衛(wèi)星送往火星或小行星帶，它們可以利用電噴霧推進器緩慢飛行，”該論文作者之一、麻省理工學院 Amelia Bruno 博士說?！叭缓?，你可以使用化學推進器快速移動，觀測感興趣的地貌特征。這樣一來，你就能擁有更大的靈活性，開展更多任務?！?/p>

電噴霧推進器（Electrospray Thruster）是一種微型推進裝置，大小與硬幣類似，它利用電場使液體推進劑中的粒子帶電。這些帶電粒子隨后被噴射到太空中，從而產生推力。

這些推進器燃料效率極高，非常適合緩慢、精確的機動。它們可以逐步推動航天器跨越廣闊的距離，因此適用于長期巡航、姿態(tài)控制、深空飛行等。

化學推進器是一種高推力推進系統(tǒng)，通常用于火箭發(fā)射以及在太空進行高難度、高速度的機動飛行。研究團隊的想法是，或許可以找到一種推進劑能同時適用于兩種推進系統(tǒng)，這樣小型衛(wèi)星將更加靈活。

研究團隊設計的小型衛(wèi)星，尺寸從午餐盒大小到小型手提箱大小不等，與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比體積更小，并且發(fā)射成本也更低。但是，小型航天器需要的其他部件也更小，包括推進系統(tǒng)。

為此，該團隊開發(fā)了僅指甲蓋大小的推進器，每個推進器都安裝在一個裝有少量離子液體推進劑的小型儲液罐上。當儲液罐連接到電池時，電池會提供一定電壓，讓液體中相應數(shù)量的離子帶電。然后，帶電粒子從儲液罐中噴出，通過推進器的噴嘴，以噴霧的形式噴射到太空中，最終產生推力。

在過去的十年時間中，研究人員使用各種類型的離子液體推進劑（一種本質上由可以保持液態(tài)的鹽制成的燃料），在不同條件下進行了多種推進器設計的測試。

“離子液體非常穩(wěn)定，甚至在太空中也能保持液態(tài)，這是很多材料做不到的，”Bruno 說，“它本質上是由大量自由離子組成的，而這項技術也是圍繞它展開的，我們可以把這些離子提取出來形成電噴霧?！?/p>

圖丨電噴霧推進器的圖像（來源：Journal of Propulsion and Pow）

該團隊與美國空軍合作，合成了一種新型離子液體推進劑 ASCENT（Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic Propellant）。ASCENT 的設計初衷是作為一種綠色、低毒的替代品，取代傳統(tǒng)的化學推進燃料肼，后者是一種極其危險且難以處理的物質。

在這項研究中，研究人員測試了使用 ASCENT 燃料的電噴霧推進器的性能。他們使用的每個推進器都連接到一個小型立方體儲液罐，尺寸類似于樂高積木。他們向每個儲液罐中注入 1 克 ASCENT，這種液體的粘度與嬰兒油相似。

然后，研究人員將推進器連接到立方體衛(wèi)星的相對兩側，并將立方體衛(wèi)星放置在磁懸浮支架上。磁懸浮支架是一種定制的測試平臺，旨在利用磁力懸浮樣品或設備。研究團隊的磁懸浮裝置安裝在一個大型真空室內，研究人員通過調節(jié)真空室，來對太空環(huán)境進行模擬。

（來源：MIT）

研究團隊通過多次實驗，遠程施加不同電壓來激活推進器，推進器產生的噴射離子流使立方體衛(wèi)星在真空環(huán)境中緩緩自轉。研究人員對每次試驗產生的推力進行測試，并在推進器持續(xù)運行長達 100 小時的情況下，計算了 ASCENT 衛(wèi)星的燃料效率。

實驗測試結果顯示，ASCENT 在電噴霧推力器中可以實現(xiàn)約 600 秒比沖和 15% 總效率，盡管性能方面低于傳統(tǒng)離子液體，但足以滿足許多小衛(wèi)星任務需求。更重要的是，這種最初用于化學推進的推進劑，在推動電推進器方面，在驅動電噴霧推進器時，其性能已接近專門用于電推進的傳統(tǒng)離子液體。

另一方面，ASCENT 還具有長壽命優(yōu)勢。研究團隊的實驗表明，它在 167 小時連續(xù)點火中沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象或顯著衰減，并支持真空環(huán)境下在軌補液。這意味著，未來衛(wèi)星在軌補充推進劑或許將成為可能，不必在燃料耗盡后直接退役，而是派個小飛船去給它在太空中“加油”。

ASCENT 已被證實能夠在化學推進和電推進兩種模式下運行，也就是說，只需一個燃料箱即可同時為兩種推進器提供動力。該系統(tǒng)將裝入小型立方體衛(wèi)星，其將攜帶一個化學推進器和四個電噴霧推進器，所有推進器均由同一個推進劑罐供能。

該團隊將利用 NASA 的綠色推進雙模任務對該系統(tǒng)的性能進行實際驗證，該任務計劃于 11 月發(fā)射，這將是全球首次在軌驗證同一推進劑同時驅動化學推進和電推進的雙模式推進系統(tǒng)。

MIT 團隊這次的突破不僅僅是一項推進技術，而是為整個小衛(wèi)星設計的基本規(guī)則提供了一種新的思路：小衛(wèi)星或許未來不再只是大型探測器的配角，而有機會成為獨立執(zhí)行深空任務的新主角。

參考資料：

https://doi.org/10.2514/1.B40175

https://aeroastro.mit.edu/news-impact/new-propulsion-system-could-make-tiny-satellites-both-fast-and-fuel-efficient/

https://scitechdaily.com/mits-new-dual-mode-rocket-system-could-send-tiny-satellites-to-mars/

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成