小衛(wèi)星有望同時兼顧速度與續(xù)航了！

近期，麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊開發(fā)出一種雙模式推進(jìn)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(xué)推進(jìn)器和電推進(jìn)器提供動力。

要知道，在傳統(tǒng)方案中，這兩種推進(jìn)器都需要單獨(dú)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(jìn)劑，它既能像傳統(tǒng)燃料那樣快速機(jī)動，又能驅(qū)動指甲蓋大小的電噴霧推力器實(shí)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(guān)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(tuán)隊認(rèn)為，這種推進(jìn)劑在小型航天器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。根據(jù)美國航空航天局（NASA）“綠色推進(jìn)雙?！比蝿?wù)計劃，將于今年 11 月發(fā)射一顆手提箱大小的立方體衛(wèi)星進(jìn)行首次在軌驗(yàn)證。

如果驗(yàn)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(wù)，還可以靈活部署用于氣象監(jiān)測等近地應(yīng)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(jìn)器緩慢飛行，”該論文作者之一、麻省理工學(xué)院 Amelia Bruno 博士說。“然后，你可以使用化學(xué)推進(jìn)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(wù)?！?/p>

電噴霧推進(jìn)器（Electrospray Thruster）是一種微型推進(jìn)裝置，大小與硬幣類似，它利用電場使液體推進(jìn)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(chǎn)生推力。

這些推進(jìn)器燃料效率極高，非常適合緩慢、精確的機(jī)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(xué)推進(jìn)器是一種高推力推進(jìn)系統(tǒng)，通常用于火箭發(fā)射以及在太空進(jìn)行高難度、高速度的機(jī)動飛行。研究團(tuán)隊的想法是，或許可以找到一種推進(jìn)劑能同時適用于兩種推進(jìn)系統(tǒng)，這樣小型衛(wèi)星將更加靈活。

研究團(tuán)隊設(shè)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(jìn)系統(tǒng)。

為此，該團(tuán)隊開發(fā)了僅指甲蓋大小的推進(jìn)器，每個推進(jìn)器都安裝在一個裝有少量離子液體推進(jìn)劑的小型儲液罐上。當(dāng)儲液罐連接到電池時，電池會提供一定電壓，讓液體中相應(yīng)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(jìn)器的噴嘴，以噴霧的形式噴射到太空中，最終產(chǎn)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(jìn)劑（一種本質(zhì)上由可以保持液態(tài)的鹽制成的燃料），在不同條件下進(jìn)行了多種推進(jìn)器設(shè)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(zhì)上是由大量自由離子組成的，而這項技術(shù)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(jìn)器的圖像（來源：Journal of Propulsion and Pow）

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

在這項研究中，研究人員測試了使用 ASCENT 燃料的電噴霧推進(jìn)器的性能。他們使用的每個推進(jìn)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(jìn)器連接到立方體衛(wèi)星的相對兩側(cè)，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(shè)備。研究團(tuán)隊的磁懸浮裝置安裝在一個大型真空室內(nèi)，研究人員通過調(diào)節(jié)真空室，來對太空環(huán)境進(jìn)行模擬。

（來源：MIT）

研究團(tuán)隊通過多次實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程施加不同電壓來激活推進(jìn)器，推進(jìn)器產(chǎn)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(zhuǎn)。研究人員對每次試驗(yàn)產(chǎn)生的推力進(jìn)行測試，并在推進(jìn)器持續(xù)運(yùn)行長達(dá) 100 小時的情況下，計算了 ASCENT 衛(wèi)星的燃料效率。

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果顯示，ASCENT 在電噴霧推力器中可以實(shí)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(wù)需求。更重要的是，這種最初用于化學(xué)推進(jìn)的推進(jìn)劑，在推動電推進(jìn)器方面，在驅(qū)動電噴霧推進(jìn)器時，其性能已接近專門用于電推進(jìn)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(tuán)隊的實(shí)驗(yàn)表明，它在 167 小時連續(xù)點(diǎn)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(bǔ)液。這意味著，未來衛(wèi)星在軌補(bǔ)充推進(jìn)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(shí)能夠在化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)兩種模式下運(yùn)行，也就是說，只需一個燃料箱即可同時為兩種推進(jìn)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(xué)推進(jìn)器和四個電噴霧推進(jìn)器，所有推進(jìn)器均由同一個推進(jìn)劑罐供能。

該團(tuán)隊將利用 NASA 的綠色推進(jìn)雙模任務(wù)對該系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，該任務(wù)計劃于 11 月發(fā)射，這將是全球首次在軌驗(yàn)證同一推進(jìn)劑同時驅(qū)動化學(xué)推進(jìn)和電推進(jìn)的雙模式推進(jìn)系統(tǒng)。

MIT 團(tuán)隊這次的突破不僅僅是一項推進(jìn)技術(shù)，而是為整個小衛(wèi)星設(shè)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(jī)會成為獨(dú)立執(zhí)行深空任務(wù)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(yùn)營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成