公文包大小的卫星，太空机动将变得更容易

麻省理工学院的工程师们正在测试一种新型推进系统，它把传统化学推进器的动力和速度，跟电推进器的精准和燃油效率结合到了一起。这套系统有望让咱们设计出更灵活、更敏捷的小型卫星，它们能根据手头的任务和时机，既能快速、强力地机动，也能慢速、精准地调整。

新系统的关键是一种特殊推进剂，它既能给化学推进器供能，也能给电推进器供能，而传统上这两种推进器得各自配一套笨重的燃料源。

“要是能把化学和电力推进装进一个小盒子里，那就两全其美了，”麻省理工学院航空航天系（AeroAstro）前博士后阿梅莉亚·布鲁诺表示。“这就给小型卫星开了扇门，让它们能在更小、更便宜的平台上，做更多科学研究、更多观测，还有更有意思的任务。”

布鲁诺是本周发表在《推进与动力杂志》上那篇研究的第一作者，研究显示，一种最初由美国空军为太空化学推进开发的“绿色单组元推进剂”，也能有效带动微型的“电喷雾”推进器。电喷雾推进器是硬币大小的火箭，靠电场给液体推进剂的粒子充电，然后把这些粒子喷到太空里，形成一股产生推力的喷雾。

电喷雾推进器特别省油，能进行慢速、精准的机动，比如在漫长的星际旅行中一点一点地推着小航天器往前走。相比之下，化学推进器得备足大量燃料，才能进行短促而快速的爆发，比如快速上升下降，或者加速减速。

既然麻省理工团队找到了一种能同时驱动化学和电喷雾推进器的燃料，他们看到了小型航天器的巨大潜力。该团队正与美国国家航空航天局合作，计划发射“绿色推进双模式任务”——一个公文包大小的立方体卫星，将搭载一台化学推进器和四台电喷雾推进器，共用一个推进剂储罐。这项任务将是首次测试这种二合一推进系统用于小型航天器。布鲁诺表示，如果任务成功，可能为小型卫星探索地球轨道外空间铺平道路。

“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行进，”该研究的合著者、麻省理工学院航空航天学教授米格尔·阿莱曼·贝拉斯科讲席教授保罗·洛萨诺说。“然后你就能用化学推进器快速飞过去看那些有意思的地方。你将拥有更大的灵活性去做更多的事情。”该研究的其他合著者还包括马修·科拉多（2022年理学硕士，2026年博士）。

离子之海

洛萨诺在麻省理工学院的团队设计、制造并测试电喷雾推进器，用于从午餐盒大小到小型手提箱大小的卫星。与传统卫星相比，这些微型卫星体积显著更小，发射到太空的成本也更低。

但航天器越小，其他部件也得越小，包括推进系统。这点上，电喷雾推进器就很合适。洛萨诺研发的推进器大约有拇指指甲大小。每个推进器位于一个装有离子液体推进剂的小型储罐顶部。当储罐连接到电池时，电池提供一定电压，从而在液体中电性充电相应数量的离子。带电粒子随后被引出储罐，穿过推进器尖端，喷入太空形成推力。

过去十年里，洛萨诺试过好多推进器设计，条件不同，用的离子液体推进剂也五花八门——这种燃料基本上由能保持液态的盐制成。

布鲁诺说：“离子液体非常稳定，甚至可以在太空中保持液态，这东西没多少材料能做到。它基本上就是离子的海洋，所以我们技术就围着它转，这样我们就能把离子抽出来，做成电喷雾。”

布鲁诺和洛萨诺与美国空军合作，后者合成了一种新型离子液体推进剂——先进航天器高能无毒推进剂（ASCENT）——这玩意儿正在化学推进器里测试。化学推进器推力大，一般用来发射火箭，或者在太空中做快速猛烈的机动。ASCENT被设计为联氨的“绿色”、低毒性替代品，联氨一直是化学推进的老燃料，处理起来特别危险。

布鲁诺说：“ASCENT恰好是一种离子液体混合物。我们就说，嘿，这不就是我们常用的东西嘛。理论上，这应该可行。咱们去琢磨琢磨怎么弄吧。”

喷射与旋转

在这项新研究里，布鲁诺、洛萨诺和科拉多测试了他们以ASCENT为燃料的电喷雾推进器的性能。他们用的每个推进器都连着一个乐高积木大小的小方盒子储液器。他们向每个储液器中填充了1克ASCENT，这是一种粘度类似于婴儿油的液体。然后，他们将推进器连接到立方体卫星的相对两侧，然后放在磁悬浮支架上——这玩意儿是定制的测试台，专门用来磁悬浮样品或设备。洛萨诺实验室中的磁悬浮装置安装在一个大型真空室内，研究人员能调它来模拟太空环境。

在多次实验中，团队远程调不同电压来启动推进器，然后喷出东西，让立方体卫星像飘着的陀螺一样转起来。研究人员测量了每次试验产生的推力大小，然后连续开推进器，最长跑了100个小时，算ASCENT的燃料效率。

最终，他们发现ASCENT能够成功为每个电喷雾推进器加注燃料。更重要的是，这种原本用于化学推进的推进剂，在驱动电推进器时，其效率与传统离子液体一样高。

“与我们常用的电喷雾推进剂相比，ASCENT在推力方面性能相当，”布鲁诺说。“既然知道推进器能用ASCENT，我们就可以开始琢磨怎么让它们更上一层楼了。”

既然ASCENT已被证明既能用于化学推进，也能用于电推进，她和洛萨诺表示，一个燃料箱就能同时给两种推进器供能，全部集成在一个紧凑的二合一系统里，能装进小型立方体卫星。该团队将借助NASA的绿色推进双模式任务来测试这一想法，该任务计划于11月发射。

“这将是卫星首次拥有共享推进剂储罐，”洛萨诺说。他还指出，除了长期的深空探索任务，同时配备化学和电推进的小型卫星，也能用于近地任务，比如天气和气候观测。

“比如说有风暴要来，你可能想派你的小卫星星座去盯着某个地方，”他说。“你可以根据观测需要，让它们快点儿或慢点儿到。而要做到这一点，唯一办法就是有两套推进系统，现在这已经能做到了。”