麻省理工学院研究人员证明，一种燃料可同时驱动化学和电航天器推进器，这有望变革小型卫星的能力。该方法在单一紧凑系统中结合了快速爆发速度与高效远程推进。一项由NASA支持的立方星任务即将在轨测试该技术。
这项技术可以赋予小型卫星在太空中更大的灵活性。未来的航天器无需为不同类型的机动依赖单独的燃料系统，而是可以使用单一推进剂来执行快速移动和缓慢、高度受控的调整。
该方法的核心是一种可同时用于化学推进和电推进系统的特种燃料。迄今为止，这些技术通常需要单独的推进剂和硬件，从而增加了重量和复杂性。
“如果你能在一个小封装中同时实现化学和电推进，那就是两全其美，”麻省理工学院航空航天系（AeroAstro）前博士后Amelia Bruno说。“这为小型卫星在一个更小、更便宜的平台上进行更多科学研究、更多观测和更有趣的任务打开了大门。”
Bruno是发表在《推进与动力杂志》上的一项新研究的主要作者。该研究表明，最初由美国空军为化学推进开发的一种“绿色单组元推进剂”也可以成功驱动被称为电喷雾推力器的微型电推力器。
结合化学与电空间推进
电喷雾推力器是微型火箭发动机，大约只有一角硬币大小。它们利用电场使液体推进剂中的粒子带电，然后将这些粒子喷射到太空中，从而产生推力。
这些推力器燃料效率极高，非常适合渐进、精确的机动。例如，它们可以在消耗极少燃料的情况下，缓慢推动航天器完成漫长的星际旅程。
化学推力器的作用则不同。它们提供强大的推力脉冲，使航天器能够快速加速、减速、爬升、下降或改变位置。
通过确定一种能为两种系统提供动力的推进剂，麻省理工学院的研究人员认为他们可以显著扩展小型卫星的能力。
该团队目前正与美国国家航空航天局（NASA）合作开展“绿色推进双模”任务，这是一颗公文包大小的立方星，配备了一个化学推力器和四个电喷雾推力器。所有推力器都将从一个燃料箱中抽取燃料。该任务将是在小型航天器上测试此类双模推进系统的首次尝试。
如果成功，这项技术可以帮助小型卫星冒险前往地球轨道以外的遥远地方。
“我们可以将立方星送往火星或小行星带，利用电喷雾推力器缓慢完成旅程，”该研究的合著者、麻省理工学院航空航天系Miguel Alemán Velasco讲席教授Paulo Lozano说。“然后你可以利用化学推力器快速移动以观察有趣的特征。你将拥有更大的灵活性来做更多的事情。”
离子液体推进剂为何重要
Lozano的实验室为大小从饭盒到小型随身行李箱不等的卫星开发、制造和测试电喷雾推进系统。
与大型航天器相比，发射这些紧凑型卫星的成本要低得多。然而，它们较小的尺寸也需要同样紧凑的推进系统。
电喷雾推力器很好地满足了这一要求。Lozano实验室制造的装置大约只有拇指指甲大小。每个推力器位于一个装有离子液体推进剂的储液罐上方。当连接到电池时，电荷被施加到液体中的离子上。这些带电粒子随后通过推力器中的微小开口排出，产生推力。
在过去十年中，Lozano的团队在不同操作条件下使用各种离子液体燃料测试了众多设计。
“离子液体非常稳定，甚至可以在太空中保持液态，这是很多材料无法做到的，”Bruno说。“而且它基本上就是一片离子的海洋，这就是我们将技术建立在其基础上的原因，这样我们就可以将这些离子提取出来形成电喷雾。”
麻省理工学院的研究人员还与美国空军合作，后者开发了一种被称为“先进航天器高能无毒推进剂”（ASCENT）的新型离子液体燃料。该推进剂最初是为化学推进系统设计的。
ASCENT是作为肼的安全替代品而研发的，肼是一种传统上用于许多航天器推进系统的高毒性燃料。
“ASCENT恰好是一种离子液体混合物，”Bruno说。“我们说，嘿，这就是我们通常使用的东西。理论上，这应该行得通。让我们去弄清楚怎么做。”
在电喷雾推力器中测试ASCENT
为了评估这种燃料，Bruno、Lozano和麻省理工学院前研究生Matthew Corrado使用由ASCENT驱动的电喷雾推力器进行了一系列实验。
每个推力器都连接到一个大约乐高积木大小的立方体形储液罐上。研究人员在每个储液罐中注入一克ASCENT，这是一种粘度类似于婴儿油的液体。
推力器安装在立方星相对的两侧，该立方星放置在一个被称为MagLev的定制磁悬浮测试平台上。该装置位于一个大型真空室内，可以重现类似太空中的条件。
在测试过程中，研究人员远程改变供给推力器的电压。产生的电喷雾产生了足够的力量，使立方星像一个漂浮的陀螺一样旋转。
通过测量产生的推力并让推力器连续运行长达100小时，团队能够评估燃料的性能和效率。
结果表明，ASCENT成功驱动了电喷雾推力器。该燃料的性能与通常用于电推进系统的常规离子液体推进剂相当。
“与我们常规的电喷雾推进剂相比，ASCENT在推力方面可以提供相似的性能，”Bruno说。“既然我们知道我们的推力器可以用ASCENT工作，我们就可以开始思考所有能让它们变得更好的方法。”
NASA任务将在太空中测试共享燃料箱
既然ASCENT已被证明能够支持化学和电推进，研究人员设想未来的航天器将携带单一燃料箱为两种系统提供动力。
这一概念很快将通过NASA的“绿色推进双模”任务迎来首次现实测试，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，”Lozano说。
除了深空探索，这项技术还可以改进更靠近地球的任务。Lozano指出天气和气候监测是一个潜在的应用领域。
“假设一场风暴即将来临，你想部署你的小型卫星星座在一个地点上空进行观测，”他说。“你可以根据观测的性质选择快速或慢速发送它们。而做到这一点的唯一途径是你拥有两种推进系统，这现在已成为可能。”
这项研究得到了NASA的部分支持。