麻省理工學院的工程師正在開發一種新的太空船推進系統，該系統將傳統化學火箭的動力與電動推進器的效率和精度結合起來。
該技術可以賦予小型衛星在太空中更大的靈活性。未來的太空船可以使用單一推進劑進行快速移動和緩慢、受控的調整，而不是依靠單獨的燃料系統來進行不同類型的機動。
此方法的核心是一種可與化學和電力推進系統配合使用的專用燃料。到目前為止，這些技術通常需要單獨的推進劑和硬件，增加了重量和複雜性。
麻省理工學院航空航天系 (AeroAstro) 前博士後研究員阿米莉亞·布魯諾 (Amelia Bruno) 表示：“當你能在一個小封裝中同時擁有化學和電力推進裝置時，那就是兩全其美。” “這為小型衛星打開了大門，可以在更小、更便宜的平台上進行更多科學、更多觀測和更有趣的任務。”
他是《布魯諾》雜誌上發表的一項新研究的主要作者 推進與動力雜誌。研究表明，最初由美國空軍開發的用於化學推進的「綠色單組元推進劑」也可以成功地為稱為電噴霧推進劑的微型電動推進器提供動力。
化學與電力太空推進結合
電噴霧推進劑是小型火箭發動機，大約只有一毛錢大小。他們利用電場為液體推進劑中的粒子充電，然後將這些粒子噴射到太空中，產生推力。
這些推進器具有很高的燃油效率，非常適合漸進和精確的操縱。例如，它們可以緩慢地推動太空船進行長途星際旅行，同時消耗很少的燃料。
化學推進劑還有另一個目的。它們提供強大的推力，使太空船能夠快速加速、減速、上升、下降或改變位置。
麻省理工學院的研究人員相信，透過找到一種能夠為這兩個系統提供動力的推進劑，他們可以顯著提高小型衛星的能力。
該團隊目前正在與美國太空總署合作執行綠色推進雙模式任務，這是一個手提箱大小的立方體衛星，配備了化學推進劑和四個電噴霧推進器。所有這些都將從一個油箱中抽取燃料。該任務將是首次嘗試在小型太空船上測試這種雙模式推進系統。
如果成功，該技術可以幫助小型衛星飛出地球軌道。
「我們可以將立方體衛星發送到火星或小行星帶，在那裡它們可以使用電噴霧推進器緩慢行駛，」研究作者、麻省理工學院航空航天教授保羅·洛扎諾說。 “然後你可以使用化學推進器快速移動以查看有趣的特徵。你可以更靈活地做更多事情。”
為什麼離子液體推進劑很重要？
洛扎諾的實驗室開發、製造和測試衛星電噴霧推進系統，從午餐盒到小手提箱。
與較大的太空船相比，這些緊湊型衛星的發射成本要高得多。然而，它們的尺寸較小，需要同樣緊湊的推進系統。
電噴霧葉輪非常適合這種情況。洛札諾實驗室製造的設備只有一幅小畫那麼大。每個推進器都位於含有離子液體推進劑的儲液器頂部。當連接到電池時，電荷被施加到液體內的離子上。然後這些帶電粒子通過推進器的小開口噴射，產生推力。
在過去的十年中，洛薩諾的團隊在不同的操作條件下和使用不同的離子液體燃料測試了多種設計。
布魯諾說：“離子液體非常穩定，甚至可以在太空中保持液態，這是許多材料做不到的。” “它基本上是一個離子海，所以我們的技術以此為基礎，這樣我們就可以將這些離子釋放到電噴霧中。”
麻省理工學院的研究人員也與美國空軍合作，開發了一種新型離子液體燃料，稱為先進太空船高能量無毒推進劑（ASCENT）。該推進劑最初是為化學推進系統設計的。
ASCENT 是作為肼的一種更安全的替代品而創建的，肼是一種用於許多太空船推進系統的劇毒燃料。
「ASCENT 是一種離子液體混合物，」布魯諾說。 “我們說，好吧，這就是我們通常使用的東西。理論上，這應該有效。讓我們弄清楚如何做。”
在電噴霧推進器上測試 ASCENT
為了評估這種燃料，布魯諾、洛扎諾和前麻省理工學院研究生馬修·科拉多使用 ASCENT 驅動的電噴霧推進劑進行了一系列實驗。
每個推進器都連接到一個大約樂高積木大小的小型立方體蓄水池。研究人員在每個儲液器中註入一克 ASCENT，這是一種黏度類似於嬰兒油的液體。
推進器安裝在立方體衛星的兩側，立方體衛星安裝在客製化磁浮測試平台 MagLev 上。該裝置位於一個大型真空室內，可以重現類似太空中的條件。
在測試過程中，研究人員遠端改變了推進器上施加的電壓。結果，電噴霧產生了足夠的力，使立方體衛星像浮陀一樣旋轉。
透過測量產生的推力並連續運行推進器長達 100 小時，該團隊能夠評估燃料性能和效率。
結果表明，ASCENT 成功為電噴霧推進劑提供動力。與電力推進系統中常用的傳統離子液體推進劑並行製備的燃料。
「與我們傳統的電噴霧推進劑相比，ASCENT 在推力方面可以提供類似的性能，」布魯諾說。 “既然我們知道我們的助推器可以與 ASCENT 配合使用，我們就可以開始思考各種方法來讓它們變得更好。”
美國太空總署的任務將在太空中測試共享燃料箱
既然 ASCENT 已被證明支持化學和電力推進，研究人員設想未來的太空船攜帶一個燃料箱為這兩個系統提供動力。
該概念很快將透過 NASA 的綠色推進雙模式任務進行首次現實測試，該任務計劃於 11 月啟動。
洛薩諾說：“這將是衛星第一次擁有共用推進劑箱。”
除了深空探索之外，該技術還可以改善更接近地球的任務。洛扎諾指出天氣和氣候監測是一種潛在的應用。
「假設一場風暴即將來臨，你想部署小型衛星群在一個地方進行觀測，」他說。 “你可以根據觀測的性質選擇快或慢地發送它。而做到這一點的唯一方法是如果你有兩個推進系統，現在這是可能的。”
這項研究得到了美國宇航局的部分支持。
