作者：天穹 不正常飛行器研究者

b站ID 暖風(fēng)新葉柳

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近日電視劇《你是我的榮耀》熱播，其中出現(xiàn)了一個(gè)鏡頭，是個(gè)巴掌大的小推進(jìn)器的樣機(jī)，臺(tái)詞稱，這玩樣兒比沖3800s，總沖100000Ns。從外觀上看，這是個(gè)離子推進(jìn)器，10萬(wàn)牛秒總沖不算高，也就是讓一個(gè)100kg的小衛(wèi)星產(chǎn)生1km/s的速度增量。但這些速度增量，足夠把它從GTO（同步轉(zhuǎn)移軌道）踢到月球飛掠。

等等，這個(gè)推進(jìn)器看著也不重，那豈不是弄個(gè)更小的衛(wèi)星，比如20kg，就有5km/s速度增量了，如果用好引力彈弓，遨游太陽(yáng)系似乎完全不成問(wèn)題？眾所周知衛(wèi)星是論斤賣的，輕就是省錢(qián)，所以按這么算，簡(jiǎn)單的深空探測(cè)任務(wù)，豈不是很容易玩得起？

本文淺顯的分析了一下，目前可用的電推進(jìn)器，適用于這種窮人的深空任務(wù)，如果誰(shuí)想自己造個(gè)小飛船玩玩，本文或許能在挑選發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候提供一點(diǎn)參考。不過(guò)本人不是搞這行的，文章有錯(cuò)請(qǐng)各位多指正，內(nèi)容僅供參考。

1.????? 深空微納衛(wèi)星的現(xiàn)狀

近十年來(lái)，電子、通信技術(shù)發(fā)展迅速，曾經(jīng)被認(rèn)為是“玩具”的微納衛(wèi)星甚至是立方星，已經(jīng)成為各項(xiàng)復(fù)雜航天任務(wù)的探路者，以較低的成本對(duì)推進(jìn)、通訊、制導(dǎo)及載荷等技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。一般認(rèn)為10~100kg的衛(wèi)星屬于微衛(wèi)星，1~10kg屬于納衛(wèi)星，許多微納衛(wèi)星由10cm邊長(zhǎng)的立方體模塊組成，也被成為“立方星”。當(dāng)前各國(guó)的深空探測(cè)活動(dòng)空前活躍，商業(yè)化航天大幅降低了進(jìn)入太空的成本，可回收火箭的近地軌道發(fā)射價(jià)格已低至每千克5000美元，這些條件為微納衛(wèi)星走向深空帶來(lái)了絕佳的搭車發(fā)射機(jī)會(huì)。

2018年是微納衛(wèi)星走向深空的起點(diǎn)。我國(guó)東北一所大學(xué)的“龍江二號(hào)（DSLWP，又名 對(duì)數(shù)龍王炮）”微衛(wèi)星搭載鵲橋衛(wèi)星任務(wù)升空，其質(zhì)量?jī)H47kg（含15kg燃料），首次實(shí)現(xiàn)了微小衛(wèi)星自主地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、繞月飛行和受控撞擊月球。衛(wèi)星用于觀測(cè)月球?qū)ΤL(zhǎng)波的遮擋，并驗(yàn)證了微衛(wèi)星執(zhí)行深空任務(wù)的能力[1]。如果不是微納衛(wèi)星技術(shù)的成熟，學(xué)生團(tuán)隊(duì)不可能主導(dǎo)曾經(jīng)舉國(guó)之力才能實(shí)現(xiàn)的科研任務(wù)。在科研價(jià)值之外，微納衛(wèi)星對(duì)于科普有重要的意義。例如“龍江二號(hào)”上搭載了本科生團(tuán)隊(duì)研制的微型cmos相機(jī)，拍攝的照片被譽(yù)為“最美地月合影”，激勵(lì)了更多大學(xué)生投入航天事業(yè)，其意義不言而喻。

同年，美國(guó)的“洞察號(hào)”抵達(dá)火星并釋放兩顆名為MarCo的6U立方星，測(cè)試了微納衛(wèi)星為著陸器提供通信中繼的技術(shù)。洞察號(hào)著陸器將UHF信號(hào)以8kb/s的速度發(fā)送給立方星，并由立方星的5w功率X波段天線轉(zhuǎn)發(fā)給地球，使地面能夠在最短時(shí)間內(nèi)得知著陸器的狀態(tài)，而不需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)等待其他火星中繼衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)到合適的位置[2]。MarCo使用了比沖很低的冷氣推進(jìn)器，整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量為3.49kg，有8個(gè)可分別產(chǎn)生25mN推力的噴嘴，總沖為755Ns[3]。該冷氣推進(jìn)器占據(jù)了衛(wèi)星近一半的空間，卻只能產(chǎn)生每秒幾十米的速度增量，無(wú)法完成近火制動(dòng)。兩顆立方星在飛掠火星后繼續(xù)飛向深空并失聯(lián)。

除以上任務(wù)外，還有使用微納衛(wèi)星探測(cè)小行星的計(jì)劃。2018年11月，首屆中國(guó)微小衛(wèi)星大會(huì)在西北工業(yè)大學(xué)舉辦，西北工業(yè)大學(xué)計(jì)劃發(fā)起立方星星座深空探索計(jì)劃，用6 ~8顆 6U ~12U立方星，在奔赴小行星的各個(gè)階段分離部署，組成星座，開(kāi)展國(guó)際深空探測(cè)和小行星探測(cè)任務(wù)[4]。美國(guó)計(jì)劃在2021年阿爾忒彌斯計(jì)劃EM-1任務(wù)中，使用立方星作為附加載荷探測(cè)小行星，將結(jié)合太陽(yáng)帆與冷氣推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)低速（10m/s）近距離的小行星飛掠，衛(wèi)星最大加速度約0.05mm/s^2。驗(yàn)證太陽(yáng)帆技術(shù)的Lightsail2衛(wèi)星已在2019年作為重型獵鷹火箭的附加載荷升空，在近地軌道驗(yàn)證了太陽(yáng)帆展開(kāi)和控制技術(shù)，在光壓的作用下，軌道近地點(diǎn)/遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)生了數(shù)千米的變化。Lightsail2使用磁力矩器和動(dòng)量輪控制姿態(tài)，較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與較低的控制力矩，加上稀薄大氣的阻力，使控制精度和響應(yīng)速度較低，無(wú)法連續(xù)升軌。但這顆僅5kg重的衛(wèi)星是使用微納衛(wèi)星驗(yàn)證新型推進(jìn)技術(shù)的典型成功案例。

微納衛(wèi)星作為“搭車”載荷從地球軌道走向深空時(shí)，將面臨以下挑戰(zhàn)：

1） 對(duì)于地球軌道發(fā)射的搭載任務(wù)，從地球軌道逃逸需要的速度增量高，從700m/s（GTO）到3000m/s（LEO）不等，微小尺寸的化學(xué)火箭推重比低且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高比沖，且微納衛(wèi)星沒(méi)有空間攜帶足夠的燃料，導(dǎo)致常規(guī)微納衛(wèi)星的速度增量（delta-V，后文簡(jiǎn)寫(xiě)為dV）很低。

2）對(duì)于搭載深空任務(wù)的微納衛(wèi)星，微納衛(wèi)星往往需要中途“下車”，在地球逃逸之后仍需要依靠自身動(dòng)力變軌，如微納衛(wèi)星搭載TLI軌道發(fā)射任務(wù)，利用月球引力彈射逃逸并使用自身動(dòng)力飛往近地小行星。如果主載荷的任務(wù)延期，微納衛(wèi)星也只能錯(cuò)過(guò)發(fā)射窗口，導(dǎo)致更多的dV需求或被迫更換任務(wù)目標(biāo)。

3）很多搭車發(fā)射任務(wù)特別是從載人航天器中釋放微納衛(wèi)星的任務(wù)，出于安全考慮，衛(wèi)星不允許攜帶易燃易爆的燃料，直接限制了化學(xué)火箭在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用。

出于以上限制，微型電推進(jìn)系統(tǒng)將為搭載任務(wù)提供巨大的便利。近年來(lái)太陽(yáng)能電池取得突破性進(jìn)展，使微納衛(wèi)星也能產(chǎn)生幾十至數(shù)百瓦的功率，因此電推進(jìn)成為了微納深空衛(wèi)星的首選。高比沖、高功重比的電推進(jìn)微納衛(wèi)星將具有自行逃離地球引力場(chǎng)和大幅度變軌的能力，對(duì)發(fā)射窗口要求將寬松得多，將使深空探測(cè)常態(tài)化，甚至產(chǎn)生商業(yè)價(jià)值。

2.????? 深空探測(cè)任務(wù)對(duì)電推進(jìn)的需求

電源功率限制使電推進(jìn)衛(wèi)星的加速度很小，普通的開(kāi)普勒軌道不再適用，為軌道設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的困難。目前連續(xù)小推力軌道已經(jīng)有成熟的理論，也在一些電推進(jìn)深空探測(cè)器上進(jìn)行了驗(yàn)證，迄今為止無(wú)一失敗。微納衛(wèi)星與一般電推進(jìn)深空探測(cè)器的區(qū)別在于作為附加載荷發(fā)射，軌道設(shè)計(jì)受到主載荷的制約。

受到太陽(yáng)能電池、PPU及備份推進(jìn)器等質(zhì)量的制約，目前整套電推進(jìn)系統(tǒng)（不含太陽(yáng)能電池）的推重比大約為每kg質(zhì)量產(chǎn)生1~3mN推力，與推進(jìn)器種類有關(guān)。以黎明號(hào)探測(cè)器離子推進(jìn)系統(tǒng)的質(zhì)量為例，整個(gè)系統(tǒng)包含了3個(gè)推進(jìn)器和2個(gè)PPU，而每次只有1個(gè)推進(jìn)器工作，其余均為備份。該系統(tǒng)推力92mN，自重128.8kg，如果取消所有的備份，自重也達(dá)到79.7kg[5]?？梢?jiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)中，除推進(jìn)器自身外，推力矢量機(jī)構(gòu)、貯箱系統(tǒng)、PPU也都各占據(jù)了很大一部分質(zhì)量。由推進(jìn)系統(tǒng)自身推重比*推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量占總質(zhì)量的比例=航天器的加速度，而普通的衛(wèi)星上推進(jìn)系統(tǒng)，載荷質(zhì)量可按各占1/3估算，可得當(dāng)前的電推進(jìn)航天器加速度一般不益超過(guò)0.3mm/s^2，否則會(huì)導(dǎo)致有效載荷占比過(guò)低。

幾種電推進(jìn)深空探測(cè)器的加速度如下：

以地球200kmLEO連續(xù)小推力逃逸任務(wù)為例，加速度與逃逸所需時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1.4[6]，從低推重比到高推重比的逃逸時(shí)間從400~100天左右。為減少逃逸所需的dV和時(shí)間，深空微納衛(wèi)星應(yīng)盡量搭載GTO任務(wù)發(fā)射，否則對(duì)衛(wèi)星和推進(jìn)器的壽命是巨大的考驗(yàn)。

因此本人按照加速度范圍，將電推進(jìn)航天器的初始推重比分為以下幾個(gè)檔位:

低推重比，加速度<=0.25mm/s^2，適用于遠(yuǎn)離行星引力場(chǎng)的任務(wù)，如GTO逃逸與深空探測(cè)變軌，200kmLEO逃逸時(shí)間約1年，當(dāng)前技術(shù)條件下，該推重比范圍較為經(jīng)濟(jì)；

中推重比，加速度0.25~0.5mm/s^2，可進(jìn)行行星低軌任務(wù)，自行完成大幅變軌，200kmLEO逃逸時(shí)間約0.5~1年，由于太陽(yáng)能電池技術(shù)發(fā)展較快，固體工質(zhì)的電推進(jìn)器成熟，該推重比范圍在短期內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)；

高推重比，加速度0.5~1mm/s^2，其變軌時(shí)間較短，每月可產(chǎn)生1~2km/s速度增量，機(jī)動(dòng)能力接近化學(xué)火箭，但以目前的技術(shù)難以攜帶足夠的有效載荷，將來(lái)可應(yīng)用更高功率密度的柔性太陽(yáng)能電池或輕型的核反應(yīng)堆來(lái)大幅提高電推進(jìn)器的可用功率，并采用高壓直驅(qū)的方式減少PPU的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)該指標(biāo)。

接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下深空微納衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)的任務(wù)。

2.1地月系任務(wù)

地月系任務(wù)包括地球逃逸、月球捕獲及L1、L2平動(dòng)點(diǎn)任務(wù)等，由于地月系仍在地球引力場(chǎng)范圍內(nèi)，電推進(jìn)產(chǎn)生的較小加速度導(dǎo)致任務(wù)往往需要采用非常規(guī)的軌道，任務(wù)時(shí)間遠(yuǎn)高于化學(xué)火箭。

對(duì)于搭車發(fā)射的微納衛(wèi)星，地球逃逸任務(wù)從LEO或GTO開(kāi)始，經(jīng)過(guò)多次加速至地月轉(zhuǎn)移軌道需要幾個(gè)月至一年時(shí)間。歐洲的Smart-1小型探測(cè)器首次實(shí)現(xiàn)了從GTO進(jìn)入月球軌道的演示，搭載升空后，探測(cè)器首先把近地點(diǎn)抬高至范艾倫輻射帶以外，隨后在近地點(diǎn)多次連續(xù)加速，直到進(jìn)入高離心率的橢圓軌道，多次飛掠月球并被捕獲。

微納衛(wèi)星從LEO出發(fā)到達(dá)月球的任務(wù)也在論證中[7]。2011年，加利福尼亞大學(xué)Ryan.W等人設(shè)計(jì)了3U立方星的地月轉(zhuǎn)移并撞擊月球的任務(wù)，使用最大推力1.5mN的離子推進(jìn)器，從600km的LEO到達(dá)月球需431天，僅消耗氙氣2.172kg，但氙氣貯箱占據(jù)了較大的空間。如果在現(xiàn)在重新設(shè)計(jì)該方案，替換為碘工質(zhì)可以大幅壓縮衛(wèi)星尺寸。該任務(wù)最大的風(fēng)險(xiǎn)是3U立方星在范艾倫輻射帶中會(huì)長(zhǎng)時(shí)間停留，其是否會(huì)出現(xiàn)故障是未知的。

為了避免漫長(zhǎng)的爬升過(guò)程，另一種相對(duì)簡(jiǎn)單的方案是微納衛(wèi)星直接隨其他月球任務(wù)發(fā)射，進(jìn)入TLI地月轉(zhuǎn)移軌道，隨后自行完成近月制動(dòng)和環(huán)繞。隨著探月熱潮重新開(kāi)始，各國(guó)將在未來(lái)幾年里多次發(fā)射月球探測(cè)器，也為微小深空探測(cè)器提供了TLI軌道發(fā)射搭車的機(jī)會(huì)。我國(guó)龍江二號(hào)衛(wèi)星和美國(guó)即將隨阿爾忒彌斯EM-1任務(wù)發(fā)射的LunarIceCube衛(wèi)星都采用該方案，但近月制動(dòng)并被捕獲需要至少0.14km/s，而進(jìn)入月球低軌道需要額外約0.65km/s的dV，這樣的速度增量電推進(jìn)需要數(shù)天至數(shù)十天才能達(dá)到，此時(shí)衛(wèi)星早已被月球引力甩出地月系，開(kāi)普勒軌道的計(jì)算方法根本不適用。因此電推進(jìn)衛(wèi)星會(huì)采取一條迂回的轉(zhuǎn)移軌道，不僅能換取更長(zhǎng)的制動(dòng)時(shí)間，也能夠利用日月地的三體引力，減小被月球捕獲需要的速度增量。

如果不咕的話，LunarIceCube在從SLS火箭上分離后，第一次靠近月球時(shí)，衛(wèi)星將利用一次月球引力彈射，并借助太陽(yáng)引力進(jìn)入一條狹窄的月球捕獲走廊，隨后推進(jìn)器持續(xù)工作使衛(wèi)星進(jìn)入月球極地軌道，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)近一年（如果任務(wù)允許，是不是還不如加個(gè)固推）[8]。在地心坐標(biāo)系中的軌道方案如圖所示，紅色為推進(jìn)器工作，藍(lán)色為滑行。

2.2行星際轉(zhuǎn)移任務(wù)

2.2.1?????? 行星軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)

2019年，Delft大學(xué)的Angelo Cervone等人論證了使用化學(xué)動(dòng)力+離子推進(jìn)的組合方法，將30kg的小衛(wèi)星作為同步衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的附加載荷，發(fā)射至火星圓軌道，期望大幅降低火星探測(cè)成本[9]。衛(wèi)星中化學(xué)動(dòng)力（含燃料）質(zhì)量占21.96%，電推進(jìn)系統(tǒng)（含工質(zhì)）占比27.66%。整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程耗時(shí)約4.5年，首先衛(wèi)星搭載獵鷹9號(hào)火箭進(jìn)入超同步軌道，使用化學(xué)推進(jìn)產(chǎn)生359.66m/s dV，從地球逃逸（C3=0），隨后用類似BIT-3的碘工質(zhì)離子推進(jìn)器螺旋爬升至火星軌道并被火星彈道捕獲，期間共需要5792m/s dV，繞日公轉(zhuǎn)約2.5圈。隨后用化學(xué)推進(jìn)產(chǎn)生45m/s dV穩(wěn)定在大橢圓軌道，再使用離子推進(jìn)產(chǎn)生867m/s dV圓化軌道。整個(gè)電推進(jìn)系統(tǒng)僅重0.9kg，包含了0.2kg的PPU，0.2kg推進(jìn)器和0.5kg供貯系統(tǒng)。在67w輸入功率下，離子推進(jìn)器推力1.492mN，比沖3168s，效率44.44%。隨著距離太陽(yáng)更遠(yuǎn)，推力、比沖和效率均大幅下降。整個(gè)任務(wù)期間離子推進(jìn)器需要工作38736小時(shí)，消耗7.4kg碘；化學(xué)推進(jìn)器消耗5.054kg燃料。該方案選用的推進(jìn)器推力較小，導(dǎo)致了漫長(zhǎng)的推進(jìn)器工作時(shí)間，當(dāng)前微型離子推進(jìn)器無(wú)法達(dá)到如此長(zhǎng)的壽命，長(zhǎng)時(shí)間大功率工作對(duì)于PPU和太陽(yáng)能電池也都是巨大的考驗(yàn)，因此工程上不具備可行性。要想將地火轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在合理范圍內(nèi)，推重比需要翻倍，加速度0.1mm/s^2時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)間可以縮短至550天左右[10]。NASA的Leonard D Cassady等人研究了使用大功率電推進(jìn)器的火星轉(zhuǎn)移，當(dāng)比沖恒定時(shí)，加速度0.48mm/s^2對(duì)應(yīng)250天轉(zhuǎn)移時(shí)間，加速度1.2mm/s^2對(duì)應(yīng)150天轉(zhuǎn)移時(shí)間，已經(jīng)超過(guò)了化學(xué)火箭的速度，加速度2.4mm/s^2時(shí)僅需110天[11]。

電推進(jìn)產(chǎn)生的巨大速度增量能夠提高行星捕獲的容錯(cuò)率。目前水星探測(cè)器Bepicolombo正在飛向水星的途中，整個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)程耗時(shí)4.35年，該探測(cè)器采用4臺(tái)射頻離子推進(jìn)器，2臺(tái)同時(shí)開(kāi)機(jī)可產(chǎn)生400mN推力，最大比沖可達(dá)5230[12]。到達(dá)水星后，探測(cè)器將進(jìn)行制動(dòng)并環(huán)繞，如果采用化學(xué)推進(jìn)，需要貼近水星表面進(jìn)行制動(dòng)點(diǎn)火，一旦制動(dòng)失敗，探測(cè)器將被水星引力彈射出去，漫長(zhǎng)的巡航后任務(wù)前功盡棄；如果在水星的正午飛掠，制動(dòng)失敗后探測(cè)器在水星引力作用下進(jìn)入一個(gè)1:1周期的公轉(zhuǎn)軌道，可再次提供制動(dòng)機(jī)會(huì)，但熱環(huán)境又不允許。因此Bepicolombo使用離子推進(jìn)器在公轉(zhuǎn)軌道上持續(xù)剎車，消除與水星的相對(duì)速度，在到達(dá)水星時(shí)，探測(cè)器與水星幾乎平行飛行，可“柔和”地被水星捕獲。即使捕獲失敗，探測(cè)器仍停留在水星公轉(zhuǎn)軌道，還可以多次進(jìn)行嘗試[13]。

2.2.2?????? 小行星任務(wù)

日本在小行星采樣返回任務(wù)中處于領(lǐng)先地位，離子推進(jìn)的小型探測(cè)器隼鳥(niǎo)一號(hào)已經(jīng)成功完成小行星采樣返回任務(wù)，隼鳥(niǎo)二號(hào)正在返回的途中。由于還剩余較多氙工質(zhì)，探測(cè)器還可以飛掠地球后，繼續(xù)前往下一個(gè)小行星進(jìn)行拓展任務(wù)探測(cè)。對(duì)于電推進(jìn)，行星環(huán)繞與小行星探測(cè)的軌道在設(shè)計(jì)上沒(méi)有本質(zhì)差異，都需要連續(xù)加速追上目標(biāo)天體，再被目標(biāo)天體引力捕獲，與化學(xué)火箭在制動(dòng)時(shí)的脈沖減速相比，電推進(jìn)航天器被行星捕獲需要的速度增量較高。但小行星引力微弱，化學(xué)火箭的霍曼轉(zhuǎn)移+引力捕獲軌道便徹底失去了優(yōu)勢(shì)，因此電推進(jìn)非常適合執(zhí)行小行星任務(wù)。目前ESA已論證使用12U電推進(jìn)立方星探測(cè)小行星[14]，衛(wèi)星重約22kg，使用氙氣工質(zhì)的推力離子推進(jìn)器作為主推進(jìn)，最大推力為2.4mN，搭載發(fā)射至C3=0的逃逸軌道并從地日L2點(diǎn)開(kāi)始變軌，計(jì)劃在3年任務(wù)中探測(cè)最多30個(gè)小近地天體。

2.2.3?????? 深空探測(cè)器伴星與編隊(duì)飛行任務(wù)

NASA設(shè)想了一種木衛(wèi)二探測(cè)器，采用一顆核電動(dòng)力的母星搭載2顆電推進(jìn)立方星，以穿越木衛(wèi)二噴發(fā)的羽流中進(jìn)行采樣。由于遠(yuǎn)離太陽(yáng)，衛(wèi)星無(wú)法獲得充足的太陽(yáng)能，將使用母星向子星無(wú)線輸電的技術(shù)，為子星的推進(jìn)器供電。該方案以目前的技術(shù)還很難實(shí)現(xiàn)，但子母衛(wèi)星編隊(duì)對(duì)于其他深空探測(cè)任務(wù)具有重要參考價(jià)值，如Busek公司設(shè)想使用4kW的電推進(jìn)轉(zhuǎn)移飛行器將27顆3U立方星一次性送入火星軌道，隨后轉(zhuǎn)移飛行器作為通信中繼使用。

深空探測(cè)器很少能夠直接對(duì)自身成像，導(dǎo)致絕大部分用于科普宣傳的照片、視頻只能用想象圖替代，且探測(cè)器出現(xiàn)機(jī)械故障時(shí)，地面人員難以用圖像對(duì)故障進(jìn)行定位，如伽利略號(hào)的高增益天線無(wú)法展開(kāi)。如果發(fā)揮火箭的剩余運(yùn)力，搭載幾kg重的伴飛小衛(wèi)星，則能夠解決上述問(wèn)題，甚至在更遠(yuǎn)的將來(lái)可以代替宇航員進(jìn)行艙外行走維修飛船。

2020年10月，天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器在地火轉(zhuǎn)移軌道上完成了一次“自拍”，由于攜帶一個(gè)超長(zhǎng)自拍桿的難度過(guò)大，只能把一個(gè)雙面可分離式的相機(jī)直接拋出，讓相機(jī)在翻滾狀態(tài)下隨機(jī)抓拍飛船的圖像，整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量約950g。相信在將來(lái)，這種“簡(jiǎn)單粗暴”的拍攝方式能夠被伴飛小衛(wèi)星替代，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間伴飛及視頻錄制。實(shí)際上，早在2008年我國(guó)便測(cè)試過(guò)自主伴飛小衛(wèi)星，由神舟7號(hào)飛船攜帶，衛(wèi)星自重約40kg，包括1kg的液氨工質(zhì)。該衛(wèi)星采用液氨閃蒸推進(jìn)，單個(gè)推進(jìn)器推力860mN，比沖僅34s，每次變軌時(shí)推進(jìn)器工作幾秒至幾十秒，每次機(jī)動(dòng)的速度增量小于0.52m/s[15]，經(jīng)過(guò)約6天的軌道調(diào)整，最終穩(wěn)定在約4*8km的橢圓軌道上對(duì)飛船進(jìn)行環(huán)繞。

以現(xiàn)在的水平，相信該伴飛衛(wèi)星可以降低到立方星的尺寸，繞飛等需要持續(xù)加速的精確機(jī)動(dòng)可采用微牛級(jí)推力的推進(jìn)器，功率甚至不足1瓦。例如小衛(wèi)星以50m的半徑圓周繞飛探測(cè)器，假設(shè)推進(jìn)器產(chǎn)生的向心加速度為0.01mm/s^2，則繞飛一圈需要3.9小時(shí)，速度增量?jī)H0.14m/s。

還可以進(jìn)一步發(fā)揮想象，讓電推進(jìn)的伴飛/編隊(duì)微納衛(wèi)星發(fā)揮更大價(jià)值，可以想到的應(yīng)用有：長(zhǎng)基線天文觀測(cè)，如射電觀測(cè)、引力波捕獲；多顆小衛(wèi)星精確定位，以支撐大面積的空間展開(kāi)結(jié)構(gòu)，如柔性天線，反射望遠(yuǎn)鏡的鏡面，巨大面積太陽(yáng)帆等[16]；搭載在火星、金星、土衛(wèi)六等軌道器上，實(shí)現(xiàn)改變軌道傾角、離軌、再入大氣甚至著陸，雖然功能相對(duì)單一（如只攜帶磁力計(jì)、大氣化學(xué)成分的傳感器等），一次環(huán)繞任務(wù)可大范圍的對(duì)全球進(jìn)行探測(cè)。

??? 綜上，電推進(jìn)的微小深空探測(cè)器將來(lái)能夠發(fā)揮其便于搭載的優(yōu)勢(shì)，作為附加載荷升空，并依靠自身動(dòng)力完成地月轉(zhuǎn)移與制動(dòng)、行星與小行星探測(cè)及編隊(duì)伴飛任務(wù)，在大幅降低深空探測(cè)成本的同時(shí)，還能產(chǎn)生新的任務(wù)模式。

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3.????? 應(yīng)用于微納深空衛(wèi)星的電推進(jìn)器現(xiàn)狀

微型電推進(jìn)器可以分為兩大類型，一類是本來(lái)便具有微小型化的特質(zhì)的推進(jìn)器，如場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器和電液噴霧膠體推進(jìn)器，另一類是通過(guò)將傳統(tǒng)的電推進(jìn)器縮比，如微型離子推進(jìn)器、霍爾推進(jìn)器和電熱推進(jìn)器。

近地軌道上，小衛(wèi)星、微納衛(wèi)星已開(kāi)始大規(guī)模使用電推進(jìn)。目前立方星最為常用的有脈沖等離子推進(jìn)器（PPT）及場(chǎng)效應(yīng)靜電推進(jìn)器（FEEP），質(zhì)量100~300kg的小衛(wèi)星則已經(jīng)嘗試使用霍爾推進(jìn)，如FalconSat和SpaceX的星鏈衛(wèi)星。PPT因效率不超過(guò)10%且壽命短，一般僅用于阻力補(bǔ)償和姿態(tài)控制，不作為主推進(jìn)器。FEEP比沖高，推力小，壽命較長(zhǎng)，適合對(duì)推力要求不高的長(zhǎng)期任務(wù)?；魻柾七M(jìn)器和離子推進(jìn)器的小型化較為困難，但效率和功率密度都比較高，發(fā)展前景廣闊。

微電推進(jìn)器有以下關(guān)鍵指標(biāo)：

1）?? 比沖。這是電推進(jìn)最大的優(yōu)勢(shì)所在，但比沖并非越高越好，對(duì)于需要較大推力變軌的任務(wù)，高比沖帶來(lái)的功耗會(huì)導(dǎo)致電源系統(tǒng)質(zhì)量占比的劇增，大幅降低了衛(wèi)星的有效載荷。微納衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)用于軌道機(jī)動(dòng)，位置維持，姿態(tài)控制，這三者需求差異較大。對(duì)于軌道機(jī)動(dòng)，往往希望有較大的推力，因此對(duì)于dV需求不大的變軌任務(wù)，比沖1000s以內(nèi)足夠，也避免了過(guò)大的功率需求，而對(duì)于特定任務(wù)，會(huì)存在最佳比沖[9]。軌道維持和姿態(tài)控制對(duì)推力要求很低，微納衛(wèi)星只需微牛量級(jí)即可，采用更高比沖的推進(jìn)器能大幅降低工質(zhì)消耗，如微牛級(jí)的場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器比沖可達(dá)到5000s。

2）?? 效率。電推進(jìn)器微小型化之后，效率往往有較大的損失。大型霍爾推進(jìn)器和離子推進(jìn)器效率達(dá)到70%，而微小型霍爾推進(jìn)器和離子推進(jìn)器效率一般只有30~40%，很難超過(guò)50%。相對(duì)于等離子體及離子推進(jìn)，理論上場(chǎng)效應(yīng)靜電推進(jìn)有接近100%的效率，但加熱工質(zhì)所需的功率與推進(jìn)劑的損失不可忽視，商業(yè)化的FEEP實(shí)際上只能做到15%（銦工質(zhì)）~40%（鎵工質(zhì)）。目前微型的HET和改進(jìn)而來(lái)的會(huì)切磁場(chǎng)推進(jìn)器在效率方面有較大的潛力。高效率可以大幅減少對(duì)電源功率的需求，減少脆弱且質(zhì)量較大的太陽(yáng)能板面積。

3）?? 推重比。推重比可以拆分為發(fā)動(dòng)機(jī)自身推重比，推進(jìn)艙段（不含太陽(yáng)能電池）的推重比，推進(jìn)系統(tǒng)（含太陽(yáng)能電池）的推重比，及整星推重比。決定推重比的因素很多，如發(fā)動(dòng)機(jī)推力密度、是否需要強(qiáng)磁場(chǎng)等；陰極的質(zhì)量對(duì)于霍爾推進(jìn)器占有近10%的質(zhì)量占比；對(duì)于工質(zhì)，固體/液體工質(zhì)可以大幅降低貯箱質(zhì)量，但另一方面固體工質(zhì)可能需要額外加熱裝置，且碘工質(zhì)等有腐蝕性的工質(zhì)需要采用不銹鋼等高密度的耐腐蝕材料制造供儲(chǔ)系統(tǒng)；電源質(zhì)量也占據(jù)相當(dāng)大的一部分質(zhì)量，取決于電源系統(tǒng)功重比。

4）?? 電源系統(tǒng)功重比。電源系統(tǒng)雖然獨(dú)立于推進(jìn)器，卻制約了電推進(jìn)的發(fā)展。電推進(jìn)器作為主推進(jìn)時(shí)，所需的功率遠(yuǎn)大于常規(guī)航天器的電功率，因此帶來(lái)額外增重。2010年前后NASA在設(shè)計(jì)載人火星往返任務(wù)時(shí)，評(píng)估空間核裂變電源的功率密度約為33w/kg，太陽(yáng)能電池僅25w/kg。而近十年里太陽(yáng)能電池進(jìn)展驚人，柔性薄膜太陽(yáng)能電池甚至可以做到100~500w/kg，早已超過(guò)空間核裂變堆的功率密度，應(yīng)用于微納衛(wèi)星的太陽(yáng)能電池可做到140w/kg，如ExoTerra公司的產(chǎn)品；早期功率處理單元（Power Processing Unit）的功率密度僅50w/kg，目前微小霍爾推進(jìn)器的百瓦級(jí)PPU已超過(guò)200w/kg，千瓦級(jí)的PPU達(dá)500w/kg。這意味著將來(lái)數(shù)千克的小衛(wèi)星的可用功率達(dá)到數(shù)百至千瓦，使電推進(jìn)應(yīng)用前景更為廣闊。不同類型的推進(jìn)器PPU復(fù)雜程度也各不相同，影響了功重比，例如霍爾推進(jìn)器只需要為陽(yáng)極/空心陰極提供300~500v電壓，而離子推進(jìn)器有電子源或射頻天線、中和器、頻柵極和加速柵極等，電壓各不相同，最高達(dá)數(shù)千伏。

5）?? 壽命。以目前的技術(shù)水平，電推進(jìn)在“贏得了軌道的同時(shí)，卻輸給了時(shí)間。”由于整星推重比低，而電推進(jìn)的比沖又很高，電推進(jìn)系統(tǒng)一般需要工作幾千至上萬(wàn)小時(shí)才能達(dá)到所需的dV。如加速度0.2mm/s^2的典型的電推進(jìn)航天器，其每天僅產(chǎn)生17.28m/s的dV，因此電推進(jìn)難以直接用于行星逃逸或捕獲，尤其是需要短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大dV的行星捕獲階段。微小衛(wèi)星的電推進(jìn)器壽命可能比大型推進(jìn)器短的多，如BIT-3僅4000小時(shí)左右，受到外形尺寸制約的微納衛(wèi)星尤其是立方星，難以安裝多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行備份。隨著電源技術(shù)進(jìn)步，整星的推重比有望大幅提高，使推進(jìn)器工作時(shí)間縮短，減少了任務(wù)時(shí)間引起的成本，因此壽命與推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量占比需要進(jìn)行權(quán)衡，以獲得最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)。

6）?? 工質(zhì)與供貯系統(tǒng)。電推進(jìn)器工質(zhì)的種類很多，常用的工質(zhì)中，氣態(tài)有氙，氪，固態(tài)有碘，銦，特氟龍，液態(tài)有鎵，汞，及一些離子液體，而電熱式推進(jìn)器可以用氫，氨，甲烷，甚至水。微小衛(wèi)星對(duì)貯箱尺寸很敏感，一般dV要求不高的電推進(jìn)姿態(tài)控制或軌道維持任務(wù)，都選擇了固體或液體工質(zhì)，以避免高壓貯箱帶來(lái)的體積和不安全性，如PPT的特氟龍或者FEEP的銦/鎵，已實(shí)現(xiàn)了供貯-推進(jìn)系統(tǒng)一體化，將整套推進(jìn)系統(tǒng)打包在1~2U的立方星模塊中。常壓貯箱相對(duì)于高壓貯箱安全的多，便于實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)微小衛(wèi)星作為次要載荷搭載，不會(huì)因?yàn)橘A箱爆炸波及主要載荷。微小衛(wèi)星因成本較低，可以作為理想的“試車臺(tái)”，嘗試各種新概念的工質(zhì)，有助于將來(lái)載人深空探測(cè)的預(yù)研。2018年我國(guó)氙氣產(chǎn)量?jī)H3000多立方米，將來(lái)載人深空任務(wù)如果使用氙氣，一次火星運(yùn)輸任務(wù)甚至需要消耗全國(guó)數(shù)十年的氙氣產(chǎn)能；2019年世界氪氣產(chǎn)能13~14萬(wàn)立方米，也僅夠支持一次載人火星任務(wù)。因此載人深空探測(cè)的主推進(jìn)器不可能使用現(xiàn)有的氙氣/氪氣電推進(jìn)器。因此，提前使用微納衛(wèi)星驗(yàn)證碘工質(zhì)、水工質(zhì)等新型推進(jìn)工質(zhì)，具有重大的工程意義。

2018年，NASA對(duì)微小衛(wèi)星的推進(jìn)器成熟度（TRL）進(jìn)行了總結(jié)，TRL從1~9分別代表從概念、實(shí)驗(yàn)室階段、在軌驗(yàn)證到非常成熟[17]。接下來(lái)介紹近年來(lái)已相對(duì)成熟并完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（TRL>=5）的微小電推進(jìn)器，及微型電推進(jìn)器的新進(jìn)展，并分析在深空探測(cè)方面的應(yīng)用前景。

3.1場(chǎng)效應(yīng)與膠體推進(jìn)器

場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器（FEEP）與膠體推進(jìn)器都采用毛細(xì)力和靜電力將工質(zhì)發(fā)射出去，其原理便注定了工質(zhì)流量較小，適用于微納衛(wèi)星。前者采用低熔點(diǎn)的金屬工質(zhì)，后者采用離子液體工質(zhì)。這兩種推進(jìn)器的理論極限效率達(dá)到100%，但實(shí)際使用時(shí)加熱工質(zhì)、工質(zhì)未充分電離引起的損失等，均導(dǎo)致其效率很低。

2019年2月26日，世界上最小的安裝電推進(jìn)器的1U立方星UWE-4成功在軌點(diǎn)火，其安裝了4個(gè)NanoFEEP，每個(gè)推進(jìn)器僅有6g，包含0.25g鎵工質(zhì)，在20微牛推力下，可以為1.2kg重的衛(wèi)星產(chǎn)生15m/s的速度增量。衛(wèi)星在軌測(cè)試了姿態(tài)控制，單個(gè)推進(jìn)器工作15分鐘后，衛(wèi)星的旋轉(zhuǎn)角速率從0增加至大約7°每秒，由此測(cè)得推力為5.76±0.03N。隨推力增加，推進(jìn)器比沖下降，比沖范圍在1000~8000s[18]。雖然較低的推力和速度增量導(dǎo)致該推進(jìn)器不能作為深空探測(cè)的主推進(jìn)器，但證明了微納衛(wèi)星能夠在僅消耗極少工質(zhì)的條件下，有效進(jìn)行姿態(tài)控制。2019年4月24日，我國(guó)天儀研究院的“青騰之星”立方星也完成了離子液體微電推進(jìn)器的在軌測(cè)試，該推進(jìn)器由航天科工二院研制，與普通的膠體推進(jìn)器相比，離子液體更易實(shí)現(xiàn)純離子發(fā)射，比沖和工質(zhì)利用率高。

大部分場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器和膠體推進(jìn)器都只有微牛級(jí)推力，而深空任務(wù)的主推進(jìn)器需要mN級(jí)推力，達(dá)到該量級(jí)且已經(jīng)成熟的場(chǎng)效應(yīng)/膠體推進(jìn)器有ENpropulsion公司的IFM系列，Busek公司的BET-1mN及MorpheusSpace公司的nano/multiFEEP等。

IFM-Nano-SE推進(jìn)器是一種高集成度的電推進(jìn)模塊，打包在1~3U的尺寸，包括了推進(jìn)器、供貯系統(tǒng)、電源模塊甚至是推力矢量裝置，便于高校或商業(yè)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)立方星。當(dāng)功率40w時(shí)，其推力為0.35mN，比沖達(dá)到3500s，且壽命長(zhǎng)達(dá)20000h，但推進(jìn)器效率僅15%左右。推進(jìn)器，工質(zhì)和PPU封裝在1U尺寸中，自重1.23kg，可攜帶0.22kg銦工質(zhì)。該推進(jìn)器最大的亮點(diǎn)為，使用3個(gè)可以獨(dú)立工作的陰極，無(wú)需活動(dòng)部件即可產(chǎn)生10~12°的推力矢量角，不僅實(shí)現(xiàn)了很高的比沖，也在幾乎沒(méi)有增加質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)控制。該推進(jìn)器推重比小，僅適用于2~3U的立方星，推進(jìn)系統(tǒng)占衛(wèi)星自重的1/3~1/2。

未封裝的IFM-Nano推進(jìn)器可以進(jìn)行并聯(lián)以提高推力和速度增量，7臺(tái)推進(jìn)器并聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)質(zhì)量約7kg，包含了1.75kg工質(zhì)，安裝在起飛質(zhì)量為17kg的航天器上可產(chǎn)生約3.5km/s的速度增量，累計(jì)工作時(shí)間約7000小時(shí)。

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表3.1 NASA2018年報(bào)告中膠體推進(jìn)器與場(chǎng)效應(yīng)推進(jìn)器的技術(shù)成熟度

3.2 離子推進(jìn)器

相比于FEEP的百微牛級(jí)推力，微型離子推進(jìn)器一般在1mN量級(jí)的推力。微型離子推進(jìn)器與常規(guī)的在原理上并無(wú)明顯差異，其中射頻離子推進(jìn)器無(wú)需電離用的電子源和陽(yáng)極，有較長(zhǎng)的壽命，更易于小型化。微小型離子推進(jìn)器效率可達(dá)到40~50%，其中mN級(jí)推力的RF離子推進(jìn)器有BIT-3和NPT-30等。

計(jì)劃中的Lunar ICeCube月球探測(cè)器體積為6U，采用BIT-3射頻離子推進(jìn)器。該推進(jìn)系統(tǒng)可封裝在1.6U的空間里，自重僅1.5kg，包含貯箱、電源、推進(jìn)器和兩軸推力矢量控制等，貯箱可存儲(chǔ)1.5kg碘工質(zhì)。碘工質(zhì)可在較低的壓力下存儲(chǔ)在方形容器中，以充分利用立方星的空間并減重。推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率為65w，PPU輸出功率50w，推力1.1mN，比沖2500s（含中和器），推進(jìn)器預(yù)計(jì)需工作9300h（實(shí)際已進(jìn)行4000h壽命測(cè)試），產(chǎn)生37000Ns的總沖。對(duì)于質(zhì)量為12kg的立方星，該推進(jìn)系統(tǒng)僅占衛(wèi)星自重的1/4，卻能夠產(chǎn)生3.2km/s的速度增量，初始加速度約0.1mm/s^2。BIT-3推進(jìn)器的性能及結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.3~3.6[19]。

ThrustMe公司的NPT30射頻離子推進(jìn)器同樣具有較高的技術(shù)成熟度，分為氙工質(zhì)和碘工質(zhì)兩種版本。推進(jìn)器體積1.5~2U，包括氙在內(nèi)的質(zhì)量為1.3~1.7kg，最大推力1.1mN，55w功率時(shí)比沖2500s，其各項(xiàng)性能指標(biāo)與BIT-3推進(jìn)器類似，但其自帶的氙氣儲(chǔ)箱容量較小，僅能夠產(chǎn)生3000Ns的總沖。碘工質(zhì)版本的NPT30I2暫無(wú)詳細(xì)參數(shù)，但其儲(chǔ)箱體積應(yīng)該會(huì)小得多。特別強(qiáng)調(diào)的是NPT30-I2已安裝在北航空事衛(wèi)星上，隨CZ-6發(fā)射入軌，目前在軌工作正常。

3.3 霍爾推進(jìn)器

離子推進(jìn)器單位面積的推力較小，對(duì)于大推力需求的任務(wù)，微型霍爾推進(jìn)器有很大的優(yōu)勢(shì)，一般可產(chǎn)生10mN量級(jí)推力。但霍爾推進(jìn)器功率不宜太低，為保證效率一般都高于200w，低功率下的效率僅30~40%左右，難以超過(guò)50%。制約其進(jìn)一步小型化的因素有：1）推進(jìn)器尺寸減小導(dǎo)致等離子體約束困難，隨著直徑減小，所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度呈反比增加，而鐵芯的空間不足導(dǎo)致散熱困難和磁飽和，使電子傳導(dǎo)增強(qiáng)，降低電離率；2）大推力時(shí)壁面損失導(dǎo)致壁面熱沉積嚴(yán)重，由于尺寸縮小使面容比增加，等離子體推壁面的轟擊加劇，使壁面損失增強(qiáng)，壽命縮短；3）推力可調(diào)范圍過(guò)窄，低陽(yáng)極電壓時(shí)電子難以穿越磁力線實(shí)現(xiàn)放電。因此目前較為成熟的環(huán)形霍爾推進(jìn)器功率都在數(shù)百瓦，而更低功率的推進(jìn)器需要采用圓柱形截面，磁場(chǎng)也需要由徑向變?yōu)榘l(fā)散形或會(huì)切形[20][21]。

BHT-200霍爾推進(jìn)器是美國(guó)第一個(gè)自行設(shè)計(jì)制造的霍爾推進(jìn)器，可在200w下產(chǎn)生13mN推力，比沖1390s，其自重980g，陰極質(zhì)量120g。該推進(jìn)器可使用氙、氪、碘作為工質(zhì)。目前BHT-200已安裝在TacSat-2，F(xiàn)alconSat5和6上實(shí)際飛行，并計(jì)劃在iSAT低軌道衛(wèi)星（12U）上驗(yàn)證使用碘工質(zhì)的變軌和離軌。碘工質(zhì)最大的風(fēng)險(xiǎn)在于陰極，常用的BaO陰極無(wú)法使用，而LaB6陰極雖然能使用碘，但在每次啟動(dòng)前需要加熱幾分鐘，這對(duì)于功率較低的立方星難以接受，NASA和Busek公司已經(jīng)在研究無(wú)需加熱的C12A7陰極。該推進(jìn)器已經(jīng)進(jìn)行了2000小時(shí)壽命的演示，實(shí)際使用壽命可以更長(zhǎng)[22]。

傳統(tǒng)的氙工質(zhì)霍爾推進(jìn)器并未被拋棄，由于技術(shù)成熟，其向著更高的性能發(fā)展。近年來(lái)剛成立的Apollo-fusion公司研制的新型霍爾推進(jìn)器ACE-MAX具有優(yōu)化的磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)位型具有聚焦的特性，且放電通道中的磁場(chǎng)幾乎平行于壁面，可以有效約束電子，大幅緩解電子對(duì)壁面的碰撞，提高壽命并減少羽流污染。在使用Xe工質(zhì)時(shí)，其功率1.4kW，推力60mN，比沖1760s，總沖達(dá)1.5MN.s，工作壽命大于7500小時(shí)。該推進(jìn)器自重4.5kg，PPU質(zhì)量2.5kg，加上貯箱等系統(tǒng)，整套推進(jìn)系統(tǒng)約19.8kg。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，該霍爾推進(jìn)器的陰極內(nèi)置于環(huán)形放電通道中軸線，因此所需的安裝空間小，更適用于類型Smart-1級(jí)別的深空小衛(wèi)星。該公司還研發(fā)了一款400w功率的小型推進(jìn)器，推力18mN，比沖1400s，總沖300kN.s，自重僅1kg，PPU質(zhì)量1.5kg，整套系統(tǒng)重7.6kg。從數(shù)據(jù)上看，該公司研制的推進(jìn)器效率并不高，僅40%左右，但其較低的系統(tǒng)質(zhì)量適合應(yīng)用于微小深空探測(cè)器。

據(jù)其網(wǎng)站稱，ACE系列推進(jìn)器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，為全球通信提供服務(wù)，且已經(jīng)有大量推進(jìn)器在軌，本人猜想他們就是給星鏈做推進(jìn)器的？

另一家剛剛起步的Orbion公司，同樣研制了可應(yīng)用于微小衛(wèi)星的Aurora氙工質(zhì)霍爾推進(jìn)器并實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人制造的自動(dòng)化量產(chǎn)，已獲得美軍“黑杰克”衛(wèi)星星座的合同，該星座將驗(yàn)證低軌網(wǎng)絡(luò)，這也是美國(guó)政府首次對(duì)小衛(wèi)星的電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生大量需求。其技術(shù)成熟度已達(dá)到實(shí)用化，價(jià)格較低且可靠性高。Aurora推進(jìn)器的PPU可忍受GEO軌道以上的輻射，能夠應(yīng)用于深空探測(cè)。推進(jìn)器功率為300w，推力19mN，比沖1370s，推進(jìn)器，PPU，閥門(mén)等總重僅5.9kg，在同類推進(jìn)器中質(zhì)量較低。該公司可為航天器提供整套電推進(jìn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行的解決方案，甚至在其網(wǎng)頁(yè)就可以快速估算所需的質(zhì)量及體積。假設(shè)是類似于“龍江二號(hào)”的月球小衛(wèi)星，參考LunarIceCube的連續(xù)小推力近月制動(dòng)和變軌任務(wù)，需要1km/s左右的dV（龍江二號(hào)為783.6m/s）[1]，按47kg起飛質(zhì)量計(jì)算，霍爾推進(jìn)系統(tǒng)自重僅11kg左右，包含了1.56kg的貯箱和3.5kg氙氣。如果使用比較先進(jìn)的薄膜太陽(yáng)能電池，再額外增加300w功率的電池陣列，增重約3kg[23]，而這些質(zhì)量甚至低于“龍江二號(hào)”攜帶的燃料質(zhì)量。

ExoTerra公司的霍爾推進(jìn)12U立方星平臺(tái)已經(jīng)在研制中，并預(yù)計(jì)在2021年首飛。該衛(wèi)星平臺(tái)的功重比和推重比均很高，其太陽(yáng)能板功重比達(dá)到140w/kg，最大可產(chǎn)生296w功率。推進(jìn)器使用該公司自行研發(fā)的Halo霍爾推進(jìn)器，推力4~33mN，比沖750~1500s，輸入功率125~450w。該推進(jìn)器僅占據(jù)1/4U的衛(wèi)星空間，質(zhì)量670g，氙氣貯箱容量為2.1kg。在載荷4kg時(shí)該衛(wèi)星平臺(tái)的dV為650m/s，空載時(shí)的dV大于800m/s，由于dV較小，衛(wèi)星也選用了相對(duì)低的比沖來(lái)避免過(guò)大的電源質(zhì)量。而該公司的下一步是研制Halo XL亞千瓦級(jí)推進(jìn)器及其整套系統(tǒng)ASTRAEUS（Ascendant Sub-kW Transcelestial Electric Propulsion System），作為小型運(yùn)載火箭的上面級(jí)，可將150kg載荷從LEO送往環(huán)月軌道，目前該系統(tǒng)已獲得NASA的合同[24]。

霍爾推進(jìn)器在應(yīng)用于微納衛(wèi)星時(shí)有一嚴(yán)重問(wèn)題，即工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭矩，原因是軸向運(yùn)動(dòng)的離子與徑向磁場(chǎng)之間的洛倫茲力。據(jù)研究，1kW~5kW的推進(jìn)器產(chǎn)生的扭矩在10^-4Nm量級(jí)，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)會(huì)導(dǎo)致動(dòng)量輪飽和[25]。深空微納衛(wèi)星一般僅裝備一臺(tái)推進(jìn)器，且遠(yuǎn)離地球無(wú)法采用磁力矩進(jìn)行動(dòng)量輪卸載，推進(jìn)器持續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致滾轉(zhuǎn)軸失控?？尚械姆桨赣校貉b備兩臺(tái)推進(jìn)器，兩臺(tái)推進(jìn)器內(nèi)外勵(lì)磁線圈的電流互為反向，即可相互抵消扭矩；兩臺(tái)推進(jìn)器預(yù)先呈一定夾角偏置安裝，產(chǎn)生一滾轉(zhuǎn)力矩，平衡自身的扭矩；單臺(tái)推進(jìn)器時(shí)，勵(lì)磁電流每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間便改變方向。對(duì)于機(jī)動(dòng)性要求不高的任務(wù)，也可采用太陽(yáng)能電池板的光壓進(jìn)行滾轉(zhuǎn)方向卸載。

表3.3為2018年NASA微小衛(wèi)星報(bào)告中總結(jié)的霍爾推進(jìn)器成熟度，未包括上述近兩年才出現(xiàn)推進(jìn)器。隨著星鏈計(jì)劃的開(kāi)始，目前近地軌道上已有約800顆使用氪工質(zhì)霍爾推進(jìn)器的小衛(wèi)星，幾乎都是星鏈衛(wèi)星。

3.4 高效的陰極與自中和離子推進(jìn)器

上述三種推進(jìn)器均有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，便是需要外置的電子發(fā)射陰極，F(xiàn)EEP的陰極用于電位控制，而離子、等離子推進(jìn)器還需要陰極作為電子源，實(shí)現(xiàn)回路。傳統(tǒng)的熱電子陰極功耗較高且制約了推進(jìn)器的壽命，而新型碳納米管場(chǎng)致發(fā)射陰極已隨UWE-4衛(wèi)星進(jìn)行在軌測(cè)試，具有尺寸小，質(zhì)量輕、無(wú)需工質(zhì)的特點(diǎn)，見(jiàn)圖3.15。另一種方案則是取消外置的陰極，使推進(jìn)器的羽流能夠自中和。

ThrustMe公司正在進(jìn)行自中和離子推進(jìn)器NPT300的預(yù)研[26]，該推進(jìn)器使用射頻產(chǎn)生的交流電場(chǎng)代替了常用的直流電。由于離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，無(wú)法響應(yīng)高頻交變電場(chǎng)，因此離子和傳統(tǒng)的離子推進(jìn)器一樣以接近穩(wěn)定的加速排出。而電子會(huì)在電場(chǎng)作用下以脈沖形式噴出，中和已經(jīng)排出的離子，電子數(shù)量則可以實(shí)時(shí)地反饋調(diào)節(jié)。

除了改進(jìn)已有的離子推進(jìn)器，F(xiàn)luid & Reason 公司提出了一種結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單的自中和離子推進(jìn)器，名為ConstantQ。該推進(jìn)器用于NASA的深空小衛(wèi)星挑戰(zhàn)任務(wù)中的Team Miles衛(wèi)星（同樣將隨著SLS-1發(fā)射），3組推進(jìn)器同時(shí)用于軌控和姿控，可以產(chǎn)生1500m/s的dV[27]。其比沖介于化學(xué)推進(jìn)與霍爾推進(jìn)之間，效率則非常高，按其標(biāo)稱的22w功率，5mN推力，760s比沖，算得效率竟達(dá)到86%（數(shù)據(jù)真實(shí)性無(wú)法確認(rèn)）。該推進(jìn)器封裝在0.5U的尺寸，自重僅0.5kg，并攜帶1kg碘工質(zhì)(也可以用水，官網(wǎng)https://miles-space.com/thruster/的推進(jìn)器手冊(cè)上寫(xiě)的是加水

?https://miles-space.com/wp-content/uploads/2021/04/M1.4-Interfaces-and-User-Manual-v1.4.pdf)，大幅提高了干質(zhì)比和推重比。整星推重比可達(dá)傳統(tǒng)電推進(jìn)衛(wèi)星的5~10倍，達(dá)到1~2mm/s^2。該推進(jìn)器原理為，電火花以數(shù)千赫茲的頻率放電，使碘工質(zhì)電離，在電場(chǎng)作用下將等離子體拆分為離子與電子，隨后離子與電子分別在兩路通道中加速。電子首先被噴出，形成虛陰極并與剩下的離子產(chǎn)生較大的電勢(shì)差，隨后離子噴出并被電子中和。

關(guān)于constantQ，其為什么推力這么高，甚至似乎違背了能量守恒，即需用功率<推力*噴氣速度*0.5，原因?qū)ξ襾?lái)說(shuō)還是個(gè)迷。我發(fā)郵件咨詢了這家公司，他們回復(fù)如下，隨后他們還把這個(gè)回復(fù)貼到了官網(wǎng)上。因相關(guān)知識(shí)有限，我看不懂，如果有人看懂了請(qǐng)不吝賜教。

The applied equations are based upon an assumption of collisionless particle acceleration which is not fully applicable to this thruster design. The thruster instead operates in a mixture of regimes, some of which include collisions. Within the electrostatic acceleration region, the mean free path is short compared to the exit distance, causing charged particles to have many collisions with neutrals before exiting. The short mean free path means ion velocity never reaches high values, power consumption is lowered (due to that u^2 term in the power equation though with power gains offset by the number of collisions). Collisions do work on neutral gas, compressing and heating, forming a shock wave of higher pressure neutrals with anisotropic pressure and temperature distributions, further lowering the mean free path. The higher pressure gas wave pushes against the exhaust nozzle, giving the majority of the thrust. This is known as electrohydrodynamic (EHD) operation where charged particles are used to drag and compress neutrals.

In the flow rate regime used, there is more thrust per watt and higher Isp compressing neutrals (which are counted in the Isp) with a few charged particles rather than converting and accelerating most of the neutrals. Efficiency drops at higher flow rates where no initial long mean free path region exists after ionization, so the required compression shock wave never forms. At lower rates, the mean free path isn’t long enough to cause compression and indeed power consumption rises.

We have observed the pressure increases and have created a model that well captures the energy coupled into the gas and charged particle acceleration. The model shows the thruster is actually only moderately efficient, though clearly doing well enough to fit the size factor and thrust levels needed by the market. We are currently preparing for very high quality 3rd party thrust measurements to test the model, then will release details of this mixed-regime model under non-disclosure.

3.5 電熱推進(jìn)器

除了碘工質(zhì)，水工質(zhì)等更為廉價(jià)的工質(zhì)也備受重視，電熱推進(jìn)器對(duì)工質(zhì)種類沒(méi)有嚴(yán)格限制，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Momentus Space公司正在開(kāi)發(fā)一款叫做VIGORIDE的微波加熱水工質(zhì)上面級(jí)，屬于電熱式推進(jìn)器，雖然比沖低，但低成本彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)。該推進(jìn)器樣機(jī)已在2019年隨Momentus X1衛(wèi)星（16U）升空并進(jìn)行了成功的在軌測(cè)試。但是最近他們被爆料，數(shù)據(jù)造假，推進(jìn)器點(diǎn)火了多次，只有個(gè)別幾次成功產(chǎn)生了等離子體。所以他們的正式飛行一鴿再鴿，背后恐怕有嚴(yán)重的技術(shù)問(wèn)題。VIGORIDE上面級(jí)自重80kg（包含水工質(zhì)），在載荷50kg時(shí)可產(chǎn)生1km/s的dV，以實(shí)現(xiàn)微小衛(wèi)星拼車的“最后一公里”，可實(shí)現(xiàn)一發(fā)獵鷹9號(hào)火箭同時(shí)將多顆小衛(wèi)星送入不同軌道。該公司更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是使用該技術(shù)進(jìn)行低成本的地月-地火運(yùn)輸及GTO軌道拖車等任務(wù)，并不局限于小衛(wèi)星。美國(guó)弗羅里達(dá)空間研究所測(cè)試了1kW微波加熱水工質(zhì)樣機(jī)，推力150mN，比沖900s，有很高的熱效率（67.5%）。啟動(dòng)前10秒時(shí)其比沖較低，但隨后比沖迅速增加，30秒后達(dá)到900s，顯然該樣機(jī)不適合作精確的控制，但其作者認(rèn)為更小功率的推進(jìn)器將具有更高的啟動(dòng)速度。樣機(jī)中的溫度為8000K，噴管膨脹比216[28]。

除了水工質(zhì)，華盛頓大學(xué)設(shè)計(jì)了一種利用氨工質(zhì)的推進(jìn)器，功率為50w，可打包進(jìn)1~1.5U的尺寸，為立方星產(chǎn)生幾百米每秒的速度增量。工質(zhì)切向射入放電腔，產(chǎn)生旋渦流動(dòng)，腔內(nèi)壓力應(yīng)遠(yuǎn)低于大氣壓以保證點(diǎn)火。使用17.8GHz的微波點(diǎn)火后，形成等離子體，腔內(nèi)壓力升高，通過(guò)旋渦可保持等離子體的自持與穩(wěn)定，同時(shí)工質(zhì)的流動(dòng)可用于冷卻壁面。高溫等離子體加熱了工質(zhì)，從噴管中噴出產(chǎn)生推力，預(yù)計(jì)比沖為550s，雖然遠(yuǎn)低于靜電、電磁加速，但也遠(yuǎn)高于常溫推進(jìn)劑的比沖[29]。該類型推進(jìn)器適用于立方星從GTO軌道逃逸、月球捕獲等總dV不高但需要較高加速度的短期任務(wù)。

補(bǔ)充一種最窮的玩法，燒開(kāi)水，噴出去。比沖200s差不多，但是水是最便宜的工質(zhì)。假設(shè)將來(lái)星艦等大型可回收航天器成熟了，有廉價(jià)的小衛(wèi)星搭車計(jì)劃，不需要再寸克寸金，完全可以用這種屑比沖的蒸汽推進(jìn)，（大不了1kg衛(wèi)星加個(gè)10L水箱），也能實(shí)現(xiàn)不少深空任務(wù)。

3.6其他微推力電推進(jìn)器

以上幾種推進(jìn)器均能夠作為深空微納衛(wèi)星的主推進(jìn)器，除了追求更大的推重比和功率密度，更精確可調(diào)推力、長(zhǎng)壽的微推進(jìn)器也是重要的發(fā)展方向。當(dāng)前最為常用的微推進(jìn)器為脈沖等離子推進(jìn)器，但有壽命較短、效率極低、每個(gè)脈沖推力一致性差、推進(jìn)器工作時(shí)存在沖擊的缺陷。

引力波探測(cè)是目前熱門(mén)的研究方向，我國(guó)也計(jì)劃使用三顆衛(wèi)星組成編隊(duì)實(shí)現(xiàn)激光干涉引力波測(cè)量，2019年使用快舟火箭發(fā)射了“太極一號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。引力波探測(cè)需要衛(wèi)星能夠及時(shí)克服外界的擾動(dòng)，創(chuàng)造真正零重力環(huán)境，稱為“無(wú)拖曳技術(shù)”，GOCE和LISA Pathfinder已率先使用離子和膠體推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)。太極一號(hào)安裝了分辨率達(dá)到亞微牛級(jí)的射頻離子推進(jìn)器。該推進(jìn)器無(wú)永磁鐵，可以減少對(duì)衛(wèi)星的干擾，能夠?qū)崿F(xiàn)5~100微牛的可調(diào)節(jié)推力輸出。當(dāng)推力百微牛時(shí)，比沖1275s，射頻+柵極的功率約10w，可見(jiàn)相對(duì)于毫牛級(jí)推進(jìn)器，其效率相當(dāng)?shù)?，不?0%[30]。從傳統(tǒng)霍爾推進(jìn)器改進(jìn)而來(lái)的會(huì)切磁場(chǎng)推進(jìn)器同樣能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍推力可調(diào)，面向引力波探測(cè)任務(wù)的需求，哈工大研制了微牛級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)推進(jìn)器，在使用氙工質(zhì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)0.2~112.7微牛連續(xù)可調(diào)的推力，最高比沖達(dá)到588.4s[27]。另一款毫牛級(jí)會(huì)切磁場(chǎng)推進(jìn)器則實(shí)現(xiàn)了66微牛到24.05mN的連續(xù)可調(diào)推力，同時(shí)哈工大還嘗試在該類型推進(jìn)器上使用碘工質(zhì)，經(jīng)過(guò)100分鐘測(cè)試后發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極-氣體分配器和通道壁面未明顯腐蝕[31]。

4.????? 總結(jié)與展望

從本文列舉的種種推進(jìn)器中，可以看出，應(yīng)用于深空微納衛(wèi)星的電推進(jìn)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)和趨勢(shì)：

1） 更為新穎的原理。除傳統(tǒng)氙氣工質(zhì)外，微納衛(wèi)星的電推進(jìn)器更傾向于使用固體或液體工質(zhì)，從而避免了高壓貯箱，提升了搭載發(fā)射的安全性。嘗試各類新型的工質(zhì)對(duì)于將來(lái)研制載人電推進(jìn)航天器有重要意義，特別是水等易于資源原位利用的工質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可持續(xù)的太陽(yáng)系開(kāi)發(fā)。不同工質(zhì)的電、化學(xué)特性差異大，對(duì)推進(jìn)器的電離和加速效率、耐腐蝕特性等要求提高，也要求推進(jìn)器具有新形式的陰極甚至取消陰極。微納衛(wèi)星的研發(fā)測(cè)試成本相對(duì)較低，對(duì)失敗更為容忍，也鼓勵(lì)了以立方星為平臺(tái)的新型推進(jìn)器在軌測(cè)試。

2） 追求更大的推力范圍。曾經(jīng)太陽(yáng)能電池是制約電推進(jìn)功率的瓶頸，隨著超輕柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)的突破，電推進(jìn)器可追求更高的功重比、推重比，使微納衛(wèi)星的功率達(dá)到數(shù)百瓦至千瓦級(jí)，加速度達(dá)到mm/s^2量級(jí)，具有自主逃逸、轉(zhuǎn)移、捕獲的能力，同時(shí)避免冗長(zhǎng)的任務(wù)時(shí)間可大幅降低壽命要求和運(yùn)營(yíng)成本；作為姿態(tài)控制與無(wú)拖曳控制的推進(jìn)器，引力波探測(cè)等任務(wù)則希望電推進(jìn)器連續(xù)穩(wěn)定可控地產(chǎn)生盡量小的推力，且不產(chǎn)生附加的電磁干擾，而當(dāng)前微牛級(jí)推進(jìn)器效率普遍偏低。

3） 集成化與平臺(tái)化設(shè)計(jì)。對(duì)于立方星，推進(jìn)器、姿態(tài)控制、貯箱、電源集成在1~2U尺寸，小衛(wèi)星對(duì)空間限制適當(dāng)放寬，但推進(jìn)器及附件都需要做到即插即用。占據(jù)較大空間的推力矢量將來(lái)可以用電磁控制的噴流替代，或使用多組微推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)姿-軌控一體，以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大幅減重并提高可靠性；貯箱也可以和推進(jìn)器集成為一體，可以考慮用推進(jìn)器工作時(shí)的熱量加熱固體/液體工質(zhì)，以大幅減少管路與加熱裝置的質(zhì)量。

4） 面向商業(yè)化的設(shè)計(jì)。商業(yè)航天興起后，由于衛(wèi)星發(fā)射、化學(xué)火箭的領(lǐng)域門(mén)檻要求極高，許多國(guó)外初創(chuàng)企業(yè)便轉(zhuǎn)向電推進(jìn)領(lǐng)域，并將目光投向未來(lái)的深空運(yùn)輸。除了提供推進(jìn)系統(tǒng)，還有一些企業(yè)已開(kāi)始提供電推進(jìn)的服務(wù)，如：研制電推進(jìn)上面級(jí)，以填補(bǔ)微小衛(wèi)星搭車發(fā)射“最后一公里”的空白；開(kāi)發(fā)電推進(jìn)微納衛(wèi)星平臺(tái)，使用戶只需提供載荷而不必過(guò)多擔(dān)心電推進(jìn)系統(tǒng)與衛(wèi)星的整合；用電推進(jìn)軌道拖車提供衛(wèi)星的延壽與太空垃圾清理等服務(wù)。

近年來(lái)，商用化的微納衛(wèi)星電推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展較快，如文中所述，歐美國(guó)家的不少初創(chuàng)企業(yè)已投入對(duì)電推進(jìn)器的開(kāi)發(fā)，有些已經(jīng)拿到了NASA的合同并進(jìn)入在軌驗(yàn)證階段。相信在未來(lái)幾年內(nèi)，推進(jìn)系統(tǒng)將不再是微納衛(wèi)星走向深空的瓶頸，隨著金星生命跡象的發(fā)現(xiàn)、重返月球計(jì)劃與移居火星計(jì)劃的一步步推進(jìn)，深空微納衛(wèi)星將自行從地球軌道發(fā)射中搭車出發(fā)，飛向太陽(yáng)系的各個(gè)角落，成為更復(fù)雜的深空任務(wù)的探路者。另一方面，深空微納衛(wèi)星將成為驗(yàn)證微納機(jī)電技術(shù)的平臺(tái)，最終將衛(wèi)星的所有設(shè)備集成在一塊芯片上，為類似“突破攝星”計(jì)劃的恒星際飛行作技術(shù)儲(chǔ)備。

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