微小衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)

當(dāng)前，國(guó)外發(fā)射的微小衛(wèi)星大多數(shù)僅能實(shí)現(xiàn)自主定向，無(wú)法進(jìn)行主動(dòng)機(jī)動(dòng)。如果要進(jìn)行有組織的協(xié)調(diào)飛行，微小衛(wèi)星需要高效、可靠的推進(jìn)器系統(tǒng)，能夠在編隊(duì)內(nèi)進(jìn)行連續(xù)機(jī)動(dòng)。當(dāng)前立方星推進(jìn)系統(tǒng)功率僅在數(shù)十瓦至一百瓦之間，推進(jìn)效率極低，甚至低于10-15％，將消耗大量的推進(jìn)劑和電力，可能會(huì)縮短微小衛(wèi)星在軌運(yùn)行和有效載荷壽命。

目前廣泛使用的冷氣和肼推進(jìn)系統(tǒng)，在應(yīng)用于微小衛(wèi)星后，僅能運(yùn)行在數(shù)十瓦的低功率水平，由于系統(tǒng)表面與體積比極高，噴嘴處水力損失較大，導(dǎo)致比沖極低。該推進(jìn)器可通過(guò)增加電加熱措施提高比沖，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低等不足，并且化學(xué)推進(jìn)會(huì)帶來(lái)腐蝕性等問(wèn)題。因此，盡管當(dāng)前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在多項(xiàng)空間任務(wù)中，但應(yīng)用優(yōu)勢(shì)并不突出。

目前，空間推進(jìn)技術(shù)趨勢(shì)主要朝全電空間推進(jìn)技術(shù)方向發(fā)展。國(guó)外重點(diǎn)關(guān)注的微小衛(wèi)星電推進(jìn)技術(shù)方向包括以下幾種：

• 霍爾型推進(jìn)器；

• 離子推進(jìn)器；

• 脈沖和直流推進(jìn)器；

• 可印刷陰極電弧推進(jìn)器；

• 具有旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜形狀磁場(chǎng)的無(wú)電極系統(tǒng)；

• 電噴霧推進(jìn)器。

微小衛(wèi)星電推進(jìn)器發(fā)展方向

霍爾型推進(jìn)器，被公認(rèn)為是中小型衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)最有前途的發(fā)展方向之一，具有高推力密度和大比沖特點(diǎn)。國(guó)外正在重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和測(cè)試簡(jiǎn)化構(gòu)型的圓柱形霍爾推進(jìn)器。這種新幾何構(gòu)型雖然略微降低了推進(jìn)效率，但也為實(shí)現(xiàn)小型化結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。目前主要由普林斯頓等離子體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、新加坡空間推進(jìn)中心（SPCS）等機(jī)構(gòu)開(kāi)展相關(guān)研究。后者提出的混合型霍爾推進(jìn)器，結(jié)合了高性能結(jié)構(gòu)材料、靈活永磁式磁路以及創(chuàng)新的小型陰極技術(shù)，在超低功率和推力范圍（約10瓦）條件下，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的75%推進(jìn)效率，并且計(jì)劃于2019年開(kāi)展在軌試驗(yàn)。

離子推進(jìn)器，是另一種主要的微小型電推進(jìn)技術(shù)方向，可以支持衛(wèi)星主動(dòng)機(jī)動(dòng)、軌道保持和行星際機(jī)動(dòng)。該技術(shù)通過(guò)在柵格上施加直流電場(chǎng)加速離子通量，可獲得非常高的比沖，但與霍爾推進(jìn)器相比，需要增設(shè)放電室結(jié)構(gòu)，因此推力密度低，小型化能力有限。雖然該技術(shù)可通過(guò)在柵格中施加更高的加速電壓提高推力密度，但可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電極和薄絕緣體之間的間隙被電擊穿，給系統(tǒng)小型化產(chǎn)生較大影響。此外，由于立方星高度微型化的系統(tǒng)中穩(wěn)定且安全地產(chǎn)生高電位需要先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)，離子推進(jìn)器技術(shù)發(fā)展主要依賴于材料技術(shù)的進(jìn)步。目前國(guó)外正在積極研究小型化離子推進(jìn)器，如Busek公司已研制出專用于立方星的微型射頻離子推進(jìn)器，尺寸和功率分別達(dá)到1厘米和10瓦。

脈沖和直流推進(jìn)器，將等離子體作為整體介質(zhì)進(jìn)行加速，不存在推力密度低的問(wèn)題，特別適合作為微推力器，目前已在多個(gè)小衛(wèi)星和立方星任務(wù)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。然而，與霍爾推進(jìn)和離子推進(jìn)技術(shù)相比，該類電推進(jìn)器因?yàn)榻饘僬舭l(fā)、非平衡等離子體電離以及瞬態(tài)過(guò)程中非平穩(wěn)放電等問(wèn)題，存在大量能量損失，功率效率較低。這一特點(diǎn)導(dǎo)致該技術(shù)不適用于軌道轉(zhuǎn)移和行星間機(jī)動(dòng)等需要較大速度增量的任務(wù)，更適用于姿態(tài)調(diào)整和軌道保持等小速度增量任務(wù)，在高度協(xié)同的微小衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)中具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

可印刷陰極電弧推進(jìn)器，是一類特殊的脈沖推進(jìn)器，可利用電極間的脈沖電流或直流電流放電，對(duì)電極（通常是陰極）反應(yīng)析出的物質(zhì)電離、加速和排出產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的脈沖推進(jìn)器相比，可印刷陰極電弧推進(jìn)器擁有具備兩個(gè)或多個(gè)同心電極的平面幾何構(gòu)型，通常由金屬墨水在柔性聚合物薄膜的電介質(zhì)晶片上印刷而成。這些推進(jìn)器直徑通常為幾毫米，厚度不到1毫米，能夠產(chǎn)生極小的推力脈沖，甚至可用于皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的超精確姿態(tài)控制?？捎∷㈥帢O電弧推進(jìn)器未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)，是優(yōu)化推進(jìn)器幾何結(jié)構(gòu)和尋找新型結(jié)構(gòu)材料。英國(guó)南安普頓大學(xué)最近已研制出尺寸約為5厘米的可印刷陰極電弧推進(jìn)器。

具有旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜形狀磁場(chǎng)的無(wú)電極系統(tǒng)，是電推進(jìn)系統(tǒng)重點(diǎn)發(fā)展方向之一。該技術(shù)不涉及等離子體和導(dǎo)電電極之間的電流交換，因此避免了材料加熱和腐蝕等方面的功率和材料損耗。該技術(shù)推進(jìn)效率較高，但現(xiàn)在還處于小型化的初始階段。該技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸是涉及的物理過(guò)程異常復(fù)雜，缺乏對(duì)其有工作機(jī)理的深入了解。目前，國(guó)外如東京農(nóng)業(yè)大學(xué)、新加坡SPCS、澳大利亞國(guó)立大學(xué)等已經(jīng)在該技術(shù)的主要方向之一——螺旋推進(jìn)器方面取得了重大進(jìn)展。

電噴霧推進(jìn)器，介于微脈沖推進(jìn)器和可印刷電推進(jìn)系統(tǒng)之間，主要通過(guò)向電噴霧發(fā)射器施加靜電電壓，加快液體推進(jìn)劑從電噴霧發(fā)射器小直徑毛細(xì)管噴出，進(jìn)而產(chǎn)生推力。該技術(shù)是一類相對(duì)成熟的小型化技術(shù)，在立方星上擁有較高應(yīng)用前景，未來(lái)可通過(guò)采用復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)、加入超材料和優(yōu)化幾何形狀，實(shí)現(xiàn)體積的進(jìn)一步縮小。該類推進(jìn)器曾用于歐洲“激光干涉儀空間天線”（LISA Pathfinder）項(xiàng)目。