卫星用离子推进器推动,并不是啥新鲜事,但这次是,欧洲航天局与意大利公司SITAEL合作开发了一种电动推进器,它使用周围的空气分子作为推进剂,为可在较低轨道上运行更长时间的新一代卫星创造了机会。

到目前为止,配备离子推进器的卫星,其航程受到内部可存储的星载推进剂的数量所限制。欧洲航天局的地球重力场和海洋环流探测卫星(GOCE),在海拔低至250公里的轨道上在地球上空盘旋了四年,但当它开始履行任务时装填的40公斤氙气耗尽时,它的旅程就结束了。通过电离空气分子而不是像氙气这样的气体,只要卫星运行在高度低到足以存在空气的大气轨道上,卫星推进剂就不会耗尽。

新型推进器的工作原理是吸入空气分子并压缩它们,直到把它们转化为热化离子等离子体。推进器产生电荷来加速分子,并将其喷射出,产生推进力。因不再需要星载推进剂,配备的卫星可以变轻很多。进气系统还显著降低了空气阻力,这是另一个好处。

“这个项目设计非常新颖,它在大约200km高度、7.8km/s的典型速度下,从地球大气层顶部获取空气分子作为推进剂。”欧洲航天局该项目的研究员Louis Walpot表示。

这项技术的一个有趣的潜在应用是创建一种“轻掠”(skimming)卫星——这种卫星周期性地降落到大气中,在使用离子推进器“加油”后,再爬回到较高的轨道。各种协同卫星可以利用该技术来确保有足够的卫星在正确的轨道和位置上运行,从而完成任务。也可以安置冗余卫星处于等待模式,随时填补因故障或老化而造成的任何缺口。类似于地球上物联网中所使用的网状网络,若干小型自推卫星也可以这样组网。

运行在地球轨道上的卫星,可能并非这种新技术的唯一受益者。研究人员认为,可以对推进器进行调整,使其在各种环境下工作。这意味着,理论上也可以将它们集成到设计用于勘测其他行星的全自动航天器中。例如,火星大气可提供足够燃料,为无人卫星任务常年提供动力。

该团队建立了一个完整的推进器来验证概念并测量推力,并在SITAEL的真空室中模拟200公里高度的环境进行测试。该系统能够使用普通大气作为唯一的推进剂反复点燃。根据Walpot的说法,该结果意味着吸气式电力推进不再只是一种理论,而是一种切实可行的工作理念,对其开发应用的条件业已成熟,它有望作为未来新一类任务的基础。

原文《How new rocket fuel could be made out of thin air》发表于EDN姐妹网站Electronic Products。《EDN电子技术设计》6月刊版权所有,转载请注明来源及链接。