MIT团队造出“二合一”太空推进器，小卫星有望奔赴火星

小卫星有望同时兼顾速度与续航了！

近期，麻省理工学院（MIT）团队开发出一种双模式推进系统，小型卫星基于该系统可以用一个燃料箱同时为化学推进器和电推进器提供动力。

要知道，在传统方案中，这两种推进器都需要单独的、笨重的燃料源，因此往往只能在速度与续航方面“二选一”。

该系统采用了美国空军开发的环保型 ASCENT 推进剂，它既能像传统燃料那样快速机动，又能驱动指甲盖大小的电喷雾推力器实现高效长距离飞行。也就是说，它有可能让卫星既具备“短跑”的爆发力又拥有“长跑”的耐力。

（来源：MIT）

相关论文发表于 Journal of Propulsion and Power，论文题目为“Performance Characterization of Electrospray Thrusters with Energetic Ionic Liquid Monopropellant”[1]。

研究团队认为，这种推进剂在小型航天器领域具有广阔的应用潜力。根据美国航空航天局（NASA）“绿色推进双模”任务计划，将于今年 11 月发射一颗手提箱大小的立方体卫星进行首次在轨验证。

如果验证成功，小型卫星不仅有望以更低成本执行深空探测、火星及小行星带任务，还可以灵活部署用于气象监测等近地应用。

“我们可以将立方体卫星送往火星或小行星带，它们可以利用电喷雾推进器缓慢飞行，”该论文作者之一、麻省理工学院 Amelia Bruno 博士说。“然后，你可以使用化学推进器快速移动，观测感兴趣的地貌特征。这样一来，你就能拥有更大的灵活性，开展更多任务。”

电喷雾推进器（Electrospray Thruster）是一种微型推进装置，大小与硬币类似，它利用电场使液体推进剂中的粒子带电。这些带电粒子随后被喷射到太空中，从而产生推力。

这些推进器燃料效率极高，非常适合缓慢、精确的机动。它们可以逐步推动航天器跨越广阔的距离，因此适用于长期巡航、姿态控制、深空飞行等。

化学推进器是一种高推力推进系统，通常用于火箭发射以及在太空进行高难度、高速度的机动飞行。研究团队的想法是，或许可以找到一种推进剂能同时适用于两种推进系统，这样小型卫星将更加灵活。

研究团队设计的小型卫星，尺寸从午餐盒大小到小型手提箱大小不等，与传统卫星相比体积更小，并且发射成本也更低。但是，小型航天器需要的其他部件也更小，包括推进系统。

为此，该团队开发了仅指甲盖大小的推进器，每个推进器都安装在一个装有少量离子液体推进剂的小型储液罐上。当储液罐连接到电池时，电池会提供一定电压，让液体中相应数量的离子带电。然后，带电粒子从储液罐中喷出，通过推进器的喷嘴，以喷雾的形式喷射到太空中，最终产生推力。

在过去的十年时间中，研究人员使用各种类型的离子液体推进剂（一种本质上由可以保持液态的盐制成的燃料），在不同条件下进行了多种推进器设计的测试。

“离子液体非常稳定，甚至在太空中也能保持液态，这是很多材料做不到的，”Bruno 说，“它本质上是由大量自由离子组成的，而这项技术也是围绕它展开的，我们可以把这些离子提取出来形成电喷雾。”

图丨电喷雾推进器的图像（来源：Journal of Propulsion and Pow）

该团队与美国空军合作，合成了一种新型离子液体推进剂 ASCENT（Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic Propellant）。ASCENT 的设计初衷是作为一种绿色、低毒的替代品，取代传统的化学推进燃料肼，后者是一种极其危险且难以处理的物质。

在这项研究中，研究人员测试了使用 ASCENT 燃料的电喷雾推进器的性能。他们使用的每个推进器都连接到一个小型立方体储液罐，尺寸类似于乐高积木。他们向每个储液罐中注入 1 克 ASCENT，这种液体的粘度与婴儿油相似。

然后，研究人员将推进器连接到立方体卫星的相对两侧，并将立方体卫星放置在磁悬浮支架上。磁悬浮支架是一种定制的测试平台，旨在利用磁力悬浮样品或设备。研究团队的磁悬浮装置安装在一个大型真空室内，研究人员通过调节真空室，来对太空环境进行模拟。

（来源：MIT）

研究团队通过多次实验，远程施加不同电压来激活推进器，推进器产生的喷射离子流使立方体卫星在真空环境中缓缓自转。研究人员对每次试验产生的推力进行测试，并在推进器持续运行长达 100 小时的情况下，计算了 ASCENT 卫星的燃料效率。

实验测试结果显示，ASCENT 在电喷雾推力器中可以实现约 600 秒比冲和 15% 总效率，尽管性能方面低于传统离子液体，但足以满足许多小卫星任务需求。更重要的是，这种最初用于化学推进的推进剂，在推动电推进器方面，在驱动电喷雾推进器时，其性能已接近专门用于电推进的传统离子液体。

另一方面，ASCENT 还具有长寿命优势。研究团队的实验表明，它在 167 小时连续点火中没有出现短路现象或显著衰减，并支持真空环境下在轨补液。这意味着，未来卫星在轨补充推进剂或许将成为可能，不必在燃料耗尽后直接退役，而是派个小飞船去给它在太空中“加油”。

ASCENT 已被证实能够在化学推进和电推进两种模式下运行，也就是说，只需一个燃料箱即可同时为两种推进器提供动力。该系统将装入小型立方体卫星，其将携带一个化学推进器和四个电喷雾推进器，所有推进器均由同一个推进剂罐供能。

该团队将利用 NASA 的绿色推进双模任务对该系统的性能进行实际验证，该任务计划于 11 月发射，这将是全球首次在轨验证同一推进剂同时驱动化学推进和电推进的双模式推进系统。

MIT 团队这次的突破不仅仅是一项推进技术，而是为整个小卫星设计的基本规则提供了一种新的思路：小卫星或许未来不再只是大型探测器的配角，而有机会成为独立执行深空任务的新主角。

参考资料：

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/

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注：封面/首图由 AI 辅助生成