麻省理工开发全新双模式航天推进系统 让微小卫星飞向火星的新引擎

美国麻省理工学院（MIT）研究团队正在测试一套全新的航天推进系统，有望大幅提升微小卫星的深空探索能力。 这一系统将两种截然不同的推进形式集成在同一平台上，使卫星既能进行快速机动，又能执行高效率的长距离飞行。

该设计的核心是一种可同时为化学推进和电推进提供动力的单一推进剂。 传统上，两类系统往往需要各自独立的燃料和推进单元，不仅结构复杂，还占用了宝贵的舱内体积。 研究负责人之一、曾在麻省理工航空航天学院（AeroAstro）工作的Amelia Bruno表示，如果能在一个小型平台上同时实现化学和电推进，“就相当于兼得两种技术的优点”，让小卫星在更小、更便宜的平台上执行更多科学观测和复杂任务。

相关成果已发表于美国航空航天学会（AIAA）主办的《推进与动力期刊》（Journal of Propulsion and Power）。 论文显示，一种最初由美国空军为化学推进开发、相对更加环保的单组元推进剂，可以成功用于驱动微型电推进装置——所谓“静电喷射（electrospray）”推力器。

静电喷射推力器是一种极小型的电推进器，尺寸大致只有硬币甚至指甲盖大小。 其工作原理是利用电场为液体推进剂中的粒子充电，再将这些带电粒子喷射出装置，从而产生推力。 这类推力器的燃料利用效率极高，适合执行缓慢且精细的姿态控制和轨道微调，能够在长时间内为航天器提供累积的速度增量，非常适合深空长航时任务。

与之相对，化学推力器则提供短时间内的高推力，适用于快速加速、急剧变轨等高需求机动场景。 MIT团队认为，如果能找到一种既适用于化学推进又适用于电推进的共同推进剂，小卫星将在任务设计上获得前所未有的灵活性。 目前他们正与美国国家航空航天局（NASA）合作，准备在名为“绿色推进双模式”（Green Propulsion Dual Mode，GPDM）的任务中进行在轨验证。

GPDM任务采用一颗约公文包大小的立方体卫星（CubeSat），上面搭载一台化学喷管推力器以及四台静电喷射推力器，共用同一推进剂储箱。 这将是小卫星平台上首次在轨测试此类双模式推进系统。 Bruno指出，如果任务成功，将为未来采用紧凑平台开展深空探测的构想打下基础，例如将立方体卫星送往火星甚至小行星带，通过电推进“慢慢飘行”完成长途飞行，再利用化学推进在目标附近进行快速机动和就位。

论文合作者之一、MIT航空航天学院的Miguel Alemán Velasco讲席教授Paulo Lozano表示，在这种新模式下，CubeSat可以像“深空侦察机”一样执行复杂探测：先用静电喷射长时间推送至目标附近，再用化学推进迅速机动，对感兴趣的地形或现象进行多角度近距离观测。 这样一来，小型探测器的任务规划弹性将显著提升。

Lozano领导的实验室长期专注于为从“午餐盒”大小到小型随身行李大小的卫星开发静电喷射推进系统。 相比传统大型卫星，这类小型航天器发射成本显著降低，但对体积和质量的要求极其苛刻，因此推进系统必须高度紧凑。 静电喷射技术恰好满足这一需求：MIT团队开发的推力器本体仅指甲盖大小，安装在微小储液仓之上，内部充满离子液体推进剂。

在通电后，推力器对储液中的离子施加电压，使其带电并通过微型喷射发射结构喷出，形成连续而稳定的离子束。 过去十年间，团队测试了多种推力器结构和推进剂配方，重点集中在“离子液体”这一类材料上。 这类基于盐类的液体在极端环境下仍能保持液态，在太空真空和低温条件下同样稳定，因此非常适合作为电推进系统的工作介质。

Bruno介绍说，离子液体本质上是“充满离子的液体海洋”，这正适合静电喷射技术从中抽取离子形成喷流。 与同时期常见的其他推进剂不同，离子液体不易挥发，处理更安全，也降低了地面测试和在轨运行的风险。

在此次研究中，Bruno和Lozano团队与美国空军合作，引入了一种名为“ASCENT”（Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic）的新型离子液体推进剂。 ASCENT原本是为空间化学推进系统开发的，用以替代高度有毒、但广泛使用的联氨燃料，从而在保证能量密度的前提下提升安全性和环保性。

由于ASCENT本身就是一种离子液体混合物，MIT团队推测它应当可以用于静电喷射系统，于是启动了系统性的实验验证。 在实验中，研究人员将ASCENT注入立方体形状的小型储液仓，每个仓体积约与一块乐高积木相当，充入的推进剂质量约为1克，黏度接近婴儿油。

装有ASCENT的静电喷射推力器被安装在一颗立方体卫星的两侧，整个装置置于定制的“磁悬浮（MagLev）”测试平台中。 该平台位于真空舱内，通过磁力实现卫星的部分悬浮，从而模拟太空中的无摩擦环境。 研究团队在不同电压条件下驱动推力器，使喷流产生的扭矩带动卫星像陀螺一样缓慢旋转，并通过测量旋转响应来反推推力水平与推进效率。

测试结果表明，ASCENT可以稳定驱动静电喷射推力器，其性能与当前常用的电推进离子液体推进剂相当。 在长达约100小时的连续运行实验中，系统表现出良好的稳定性和可持续性。 Bruno表示，相较于实验室常用的传统静电喷射推进剂，ASCENT提供了类似的推力表现，“在确认兼容性之后，我们就可以进一步思考如何在此基础上继续优化系统性能”。

由于ASCENT既可用于化学推进，又可为静电喷射等电推进系统提供能量，未来航天器可以通过单一推进剂储箱同时供应两类推进系统。 这一设计大幅简化了总体构型，在减少管路与储箱数量的同时，保留了两类推进技术各自的优势。 MIT与NASA计划在今年11月发射的“绿色推进双模式”CubeSat任务中首次进行空间实测，这也将是首次有卫星真正实现“共享推进剂储箱”。

Lozano指出，这一技术不仅适用于星际探索，还将对近地任务产生重要影响，例如天气监测和气候观测星座。 他举例称，当某地即将发生强烈风暴时，运营方可以根据观测需求，将一组小卫星快速机动至目标区域上空，或在较长时间内缓慢调整轨道；这种“快慢可控”的部署方式只有在同时拥有高推力化学推进与高效率电推进时才可行，而双模式系统正是为此提供了技术基础。

这项研究以《使用高能离子液体单组元推进剂的静电喷射推力器性能表征》（Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant）为题，于2026年5月31日发表于《推进与动力期刊》，研究亦获得NASA的部分资助。