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这四台飞行单元电喷雾推进器由麻省理工学院空间推进实验室交付给美国国家航空航天局，用于即将开展的绿色推进双模（GPDM）任务。图片来源：阿米莉亚布鲁诺

麻省理工学院的新型二合一太空引擎可将微型卫星转变为能力惊人的深空探索器。

麻省理工学院的研究人员正在测试一种新的推进技术，该技术可以大幅提升小型卫星的性能。该系统将两种截然不同的航天器推进方式整合在一个装置中，使卫星既能进行快速机动，又能实现高效的长途飞行。

该设计的核心是一种可同时为化学推进器和电力推进器提供动力的单一推进剂。传统上，这些系统需要单独的燃料源，这增加了复杂性并占用了航天器上宝贵的空间。

如果能将化学推进和电力推进整合到一个小型装置中，那就能兼顾两者的优势，麻省理工学院航空航天系前博士后研究员阿米莉亚布鲁诺表示。这将为小型卫星打开大门，使其能在更小、更经济的平台上开展更多科学研究、更多观测以及更有趣的任务。

布鲁诺是发表在《推进与动力杂志》上一项研究的主要作者。该研究表明，一种最初由美国空军为化学推进开发的更环保的单组元推进剂，也可用于运行被称为电喷雾推进器的微型电推进器。

磁悬浮推力架的照片，该推力架包含若干相互连接的金属支架，这些支架在一个大型圆柱形容器内支撑着电线和电气设备。图片来源：马修科拉多

化学推进与电力推进相结合

电喷雾推进器是一种微型推进装置，大致和一角硬币大小相当，它利用电场给液体推进剂中的粒子充电。这些带电粒子随后被喷射到太空中，产生推力。

这些推进器的燃油效率极高，非常适合缓慢、精确的机动操作。它们能够逐步推动航天器穿越遥远距离，因此对于长期任务来说极具吸引力。

化学推进器有不同的用途。它们能在短时间内产生更高的推力，这使得它们在航天器需要快速加速、迅速改变方向或执行其他高难度机动动作时非常有用。

通过找到一种适用于两种系统的推进剂，麻省理工学院团队认为小型卫星可以获得前所未有的灵活性。研究人员正与美国国家航空航天局（NASA）合作开展绿色推进双模式任务，这是一颗尺寸约为公文包大小的立方体卫星，将搭载一个化学推进器和四个由单个燃料箱供电的电喷雾推进器。

该任务将标志着这种双模推进系统在小型卫星上的首次在轨测试。据布鲁诺称，这项测试的成功可能会为未来小型航天器的深空探索铺平道路。

我们可以将立方体卫星发送到火星或小行星带，它们可以使用电喷雾推进器缓慢完成旅程，该研究的合著者、麻省理工学院航空航天学MiguelAlemánVelasco教授保罗洛萨诺说。然后你可以使用化学推进器快速移动，去观察有趣的特征。你可以有更多的灵活性来做更多的事情。

这项研究还由马修科拉多共同撰写，他曾是麻省理工学院航空航天专业的研究生。

电喷雾推进器的工作原理

洛萨诺的实验室为尺寸从午餐盒到小型随身行李箱大小的卫星设计并测试电喷雾推进系统。这些微型航天器的发射成本远低于传统卫星。

因为每个组件都必须紧凑，小型卫星的推进系统面临严格的尺寸限制。电喷雾技术解决了这一挑战。

Lozano团队研发的推进器大小约为拇指指甲。每个推进器都位于一个装有离子液体推进剂的小型储液器上方。连接电源时，电压会使液体中的离子带电。这些带电粒子随后被引导通过微型发射器并排入太空，产生推力。

在过去十年中，研究团队评估了大量设计方案和推进剂配方。他们的大部分工作都集中在离子液体上，这是一种盐基材料，在许多其他物质无法保持液态的条件下仍能保持液态。

离子液体非常稳定，甚至能在太空中保持液态，这是很多材料做不到的，布鲁诺说。而且它本质上是一片离子的海洋，这就是我们围绕它开发技术的原因，这样我们就能将这些离子提取出来形成电喷雾。

测试ASCENT推进剂

布鲁诺和洛萨诺还曾与美国空军合作，后者开发了一种名为先进航天器高能无毒推进剂（ASCENT）的新型离子液体推进剂。这种燃料最初是为化学推进系统设计的。

ASCENT被设计为肼的更安全替代品，肼是一种常用的航天器燃料，因其毒性而存在显著的操作风险。

ASCENT恰好是一种离子液体混合物，布鲁诺说。我们当时想，嘿，这正是我们通常使用的材料。从理论上讲，这应该可行。让我们去弄清楚该怎么做。

为了验证这一想法，研究人员用ASCENT为电喷雾推进器提供燃料，并测量其性能。每个推进器都连接着一个立方体形状的储液器，大小大致相当于一块乐高积木，里面装有一克推进剂。这种液体的粘度与婴儿油相似。

推进器安装在放置于定制磁悬浮测试平台上的立方体卫星的相对两侧。该装置位于真空室内，通过磁悬浮航天器，使研究人员能够模拟太空中的环境条件。

在一系列实验中，研究团队向推进器施加了不同的电压等级。由此产生的喷射流产生了足够的力使立方体卫星旋转，很像一个漂浮的陀螺。研究人员测量了产生的推力，并在长达100小时的连续运行期间监测了燃料效率。

迈向更具能力的立方星

结果表明，ASCENT成功为电喷雾推进器提供了动力。其性能与电动推进系统中已使用的传统离子液体推进剂的性能相当。

布鲁诺表示：与我们常规的电喷雾推进剂相比，ASCENT在推力方面能提供相似的性能。既然我们知道我们的推进器可以与ASCENT配合工作，我们就可以开始思考各种方法来进一步改进它们。

因为ASCENT能够支持化学推进和电力推进两种方式，未来的航天器可以依靠单个燃料箱为这两个系统提供动力。这种方法将简化航天器设计，同时保留每种推进方式的优势。

这一概念将通过美国国家航空航天局（NASA）的绿色推进双模式任务进行首次实际演示，该任务目前计划发射。

这是首次有卫星配备共享推进剂箱，洛萨诺说。

他认为这项技术不仅可用于星际探索，还可用于地球附近的任务，包括天气监测和气候研究。

假设一场风暴即将来临，你想要部署小型卫星星座对某一地点进行观测，他说，你可以根据观测的性质选择快速或缓慢地发射它们。而要做到这一点，唯一的办法是拥有两套推进系统，这一点如今已能实现。

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这项研究部分得到了美国国家航空航天局（NASA）的支持。

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BY: Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

FY: AI

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