科學(xué)家表示，開發(fā)用于衛(wèi)星的新推進(jìn)劑，取代有毒的肼（聯(lián)氨）將使發(fā)射和處理衛(wèi)星變得更安全，但這也需要擾亂現(xiàn)有的系統(tǒng)。隨著衛(wèi)星數(shù)量的激增，用來發(fā)射它們的燃料數(shù)量也會增加。進(jìn)入軌道只是方程式的一半。

一旦衛(wèi)星在地球上空就位，它需要一種推進(jìn)方法，以確保它可以在需要時(shí)移動(dòng)，避免空間碎片，補(bǔ)償隨著時(shí)間推移產(chǎn)生的阻力，甚至在任務(wù)結(jié)束時(shí)脫離軌道。

目前衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)劑是肼類燃料，毒性很大，暴露在高濃度肼中會導(dǎo)致一系列健康問題，包括對肝臟、腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害。如果聯(lián)氨在衛(wèi)星還在地面時(shí)泄漏，其毒性和爆炸性可能會成為一個(gè)公共安全問題。而且，為太空準(zhǔn)備一顆聯(lián)氨燃料的衛(wèi)星是一項(xiàng)危險(xiǎn)任務(wù)，任何參與其中的人都需要特別的預(yù)防措施，包括像太空服一樣的衣服，以確保如果出現(xiàn)問題，處理燃料的人不會呼吸到有毒氣體。

因此，工程師們正在尋找新的、更清潔的方式來發(fā)射和推進(jìn)使用無毒燃料的衛(wèi)星也就不足為奇了?？偛课挥跉W洲和美國的宇宙飛船設(shè)備制造商N(yùn)anoAvionics首席設(shè)計(jì)官Erikas Knei?ys表示：從健康和安全的角度來看，使用肼是相當(dāng)令人討厭的，所以我們看到人們對這類推進(jìn)劑的興趣要大得多。2011年，歐洲化學(xué)品管理局將肼添加到“高度關(guān)注的物質(zhì)”名單中，這意味著它的使用可能很快就會受到限制。

立方體衛(wèi)星

NanoAvionics專門研究納米衛(wèi)星的技術(shù)，包括CubeSats，這是一種由10厘米立方體形狀單元組成的微型衛(wèi)星，通常使用現(xiàn)成的部件建造，每個(gè)部件重約1公斤。隨著像這樣的小衛(wèi)星變得越來越常見，NanoAvionics表示：2016年至2020年間發(fā)射的小衛(wèi)星增加了300%，因此對適合它們的清潔推進(jìn)劑需求可能會上升。在觀察立方體衛(wèi)星市場時(shí)，特別是在使用(清潔燃料)的(化學(xué))推進(jìn)方面，基本上沒有產(chǎn)品。

通過一個(gè)名為EPSS的項(xiàng)目，納米航空電子公司已經(jīng)開發(fā)出一種危害較小基于二硝酰胺銨(ADN)的推進(jìn)劑，ADN是一種由氮、氧和氫組成的化合物，特別是用于小衛(wèi)星。該系統(tǒng)已經(jīng)集成到一顆試點(diǎn)衛(wèi)星上，并進(jìn)行了在軌演示。新衛(wèi)星系統(tǒng)被稱為單推進(jìn)劑，它的工作原理是將燃料傳遞到催化劑上，使其分解，產(chǎn)生熱量和氣體來推動(dòng)航天器。其他系統(tǒng)使用雙推進(jìn)劑，其中兩種液體保持分離，通常在混合時(shí)點(diǎn)燃。

使用雙組元會增加制造過程中的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@兩種物質(zhì)可能會意外接觸并在理應(yīng)點(diǎn)燃之前著火。在單推進(jìn)劑中，必須走很遠(yuǎn)的路才能確保它燃燒，所以與(大多數(shù))雙推進(jìn)劑系統(tǒng)相比，它是相對無害和穩(wěn)定的，但受益于無毒推進(jìn)劑的不僅僅是小衛(wèi)星。由航空航天公司空中客車(Airbus)協(xié)調(diào)的HyproGEO項(xiàng)目也開發(fā)了一種無毒推進(jìn)系統(tǒng)，這一次專注于地球靜止軌道上的衛(wèi)星。

這些衛(wèi)星在36000公里的軌道上運(yùn)行，似乎停留在地球表面上方的一個(gè)固定點(diǎn)上，通常用于通信和廣播等方面，要到達(dá)那里，需要相當(dāng)多的能量目前，這些能量主要由肼類推進(jìn)劑提供，但HyproGEO已經(jīng)開發(fā)出一種使用過氧化氫的混合推進(jìn)系統(tǒng)。這種燃料含有98%的過氧化氫，而一般用來漂白頭發(fā)的溶液只有6%左右，它是高度酸性的，但使用起來的風(fēng)險(xiǎn)仍然低于聯(lián)氨，它還分解成氧氣和水，避免釋放對人體有害的煙霧。

混合推進(jìn)劑

地球靜止衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命是十年或更長時(shí)間，所以一旦衛(wèi)星進(jìn)入軌道，也用來操縱它們的推進(jìn)劑必須同樣堅(jiān)固，必須確保它在15年后仍能運(yùn)行，所以它應(yīng)該是一個(gè)簡單的系統(tǒng)，因?yàn)槿绻軓?fù)雜，總會有東西破裂的風(fēng)險(xiǎn)。HyproGEO提出的解決方案是使用混合推進(jìn)，這涉及到將過氧化氫傳遞到催化劑上，以產(chǎn)生非常熱的氧氣和水蒸氣。氧氣本身可以提供推進(jìn)力，也可以用來點(diǎn)燃另一種物質(zhì)，以獲得額外的推動(dòng)力。

當(dāng)控制氧氣的流動(dòng)時(shí)，就可以控制發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，該團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種儲存新推進(jìn)劑的測試發(fā)動(dòng)機(jī)，顯示它如預(yù)期般分解，然后設(shè)計(jì)了使用這種燃料的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。自2018年這項(xiàng)工作完成以來，挪威防務(wù)公司Nammo已經(jīng)使用HyproGEO混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在短短3分鐘內(nèi)發(fā)射了一枚火箭，距離地球表面107公里，這是使用傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)亞軌道火箭的典型時(shí)標(biāo)。

使用這些新的推進(jìn)劑不僅使使用當(dāng)前有毒燃料的人受益，而且還使整個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施更高效、更便宜。由納米航空電子公司設(shè)計(jì)的epss系統(tǒng)，成本大約是使用傳統(tǒng)推進(jìn)劑的類似產(chǎn)品的三分之一。有了這些好處，是什么阻礙了這些新推進(jìn)劑的發(fā)展呢？首先，混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)傳統(tǒng)上無法實(shí)現(xiàn)將衛(wèi)星送入地球靜止軌道所需的長時(shí)間發(fā)射，這是HyproGEO設(shè)法克服的一個(gè)問題。

博科園｜研究/來自：Horizon

參考期刊《EU Research & Innovation Magazine》

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