浙江
一种能够直接利用地球高层大气作为推进剂的全新卫星发动机正在吸引航天领域关注。研究人员认为，如果相关技术最终在太空中获得验证，未来卫星有望在超低地球轨道长期甚至无限期运行，而无需携带传统推进燃料。
这一概念来自德国斯图加特大学研究人员弗朗切斯科·罗马诺的博士研究工作。其核心思想是将原本拖慢卫星速度的大气分子转变为推进系统的燃料，从而把阻碍卫星运行的因素变成维持轨道所需的动力来源。
在距离地球约100公里至450公里的超低地球轨道区域，卫星能够获得许多独特优势。由于与地面的距离更近，遥感设备可以拍摄更清晰的图像，通信与雷达系统所需功率也明显降低。同时，这一区域的大气阻力还能在卫星报废后自然将其拖回大气层烧毁，从而减少太空垃圾长期堆积的问题。
然而，这些优势伴随着一个严重缺点。
即使在数百公里高空，残余大气依然会不断拖慢卫星速度。如果不持续补充推力，卫星轨道高度会逐渐下降，最终坠入大气层。因此，目前运行在较低轨道的卫星通常需要依赖机载推进系统定期修正轨道，而这些推进系统又必须携带有限的燃料储备。
传统电推进系统大多使用氙气等昂贵推进剂。燃料耗尽后，无论卫星本身是否仍然完好，其任务寿命通常都会被迫结束。
罗马诺提出的方案属于“大气呼吸式电推进系统”。与传统方式不同，这套系统直接收集飞行过程中迎面而来的稀薄大气，将其中的气体分子导入发动机内部，随后利用电场将这些分子转化为等离子体，并向后喷射产生推进力。
理论上，只要卫星仍然处于拥有残余气体的轨道高度，就能够不断获取推进剂来源，而无需额外携带大量燃料。
不过，将这一看似简单的构想变成现实并不容易。
研究人员指出，超低轨道环境中的最大挑战之一来自原子氧。在高层大气中，紫外线会将普通氧气分解成单原子氧。这种物质具有极强氧化能力，会迅速侵蚀传统离子发动机中的金属电极、加速栅极以及阴极等关键部件。
尤其是负责中和电荷的阴极系统最容易受到破坏。一旦阴极失效，卫星将无法正常释放带电粒子，推进系统也会随之失去作用。
此外，高层大气并非稳定环境。气体密度会随着昼夜变化、太阳活动以及轨道位置不同而不断波动，这进一步增加了推进系统设计难度。
为了应对这些问题，罗马诺设计出一种新型射频螺旋波等离子体推进器。与传统离子发动机相比，这种设计不依赖容易遭受腐蚀的中和器和阴极系统，通过产生同时包含正负离子的准中性等离子体喷流来完成推进任务。
研究团队还开发了专门的大气收集结构。其中效果最佳的是一种具有抛物面反射镜结构的进气装置。在实验中，该设计能够捕获约94.3%的迎面气体分子，即使卫星姿态出现一定偏差，收集效率下降幅度也相对有限。
推进器核心部分采用了一种类似磁共振成像设备中“鸟笼天线”的结构设计。测试结果显示，这种方案能够将约99%的射频能量传输至推进器内部，大幅减少传统线圈结构带来的能量损失。
实验室模拟结果显示，该推进系统只需50至60瓦功率便可形成稳定等离子体流，而在实际轨道环境中，维持持续运行所需功率预计低于1.6千瓦。研究人员认为，这一需求完全可以通过普通太阳能电池板满足。
根据模型计算，如果系统性能达到预期，卫星能够在约190至250公里高度长期保持轨道，而无需补充传统推进剂。这不仅意味着任务寿命可能显著延长，同时也能降低发射质量和任务成本。
研究人员强调，目前这一技术仍停留在实验验证和理论建模阶段，尚未经过真实太空任务考验。其长期可靠性、轨道环境适应能力以及实际推进效率仍需进一步验证。
尽管如此，业内普遍认为，大气呼吸式推进系统代表了超低轨道卫星发展的重要方向。如果未来能够成功部署，下一代地球观测卫星、通信卫星甚至其他行星探测器，都有望借助周围环境中的天然气体维持运行，从而摆脱对传统推进剂的依赖。
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