歐空局開(kāi)發(fā)兩種MEMS火箭推進(jìn)器

用于燃燒室僅1毫米的微型衛(wèi)星推進(jìn)器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)需通過(guò)MEMS工藝制造而成。該類(lèi)衛(wèi)星只使用冰和電就能產(chǎn)生所需推力。

隨著電子器件的不斷小型化，軌道發(fā)射能力的不斷提高，小型衛(wèi)星正在迅猛發(fā)展。然而，在小型衛(wèi)星發(fā)展的進(jìn)程中，必須縮小的不僅僅是電子器件，推進(jìn)器和其它穩(wěn)定性裝置的尺寸也必須按比例縮小。雖然專(zhuān)用衛(wèi)星越來(lái)越小，但推進(jìn)器等關(guān)鍵組件卻沒(méi)有跟上尺寸縮小的步伐。

傳統(tǒng)的推進(jìn)器使用聯(lián)氨作為火箭燃料，這類(lèi)推進(jìn)器除了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)有需求之外，還需要儲(chǔ)罐。而較先進(jìn)的離子電推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)布，并在不斷地研發(fā)提升，但該系統(tǒng)仍然太大，無(wú)法成為最小的兩類(lèi)衛(wèi)星的有效解決方案，這兩類(lèi)衛(wèi)星分別是重量在1千克至10千克（2.2磅至22磅）之間的納米衛(wèi)星（Nano satellites），以及重量在0.1千克至1千克（0.22磅至2.2磅）之間的皮米衛(wèi)星（Pico satellites）。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近日，歐空局（European Space Agency，ESA）測(cè)試了一種MEMS火箭推進(jìn)器，用于納米衛(wèi)星和皮米衛(wèi)星。該MEMS火箭推進(jìn)器由英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College of London）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，被命名為ICE-Cube推進(jìn)器（銥催化電解立方體衛(wèi)星推進(jìn)器），其原理是利用電解槽將水分離成氫氣和氧氣。

然后，氫氣和氧氣在長(zhǎng)度不到1毫米的燃燒室中完成氣體混合。由于其尺寸太小，需要使用MEMS工藝來(lái)完成制造。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，該MEMS火箭推進(jìn)器在持續(xù)185秒的特定脈沖下可提供1.25毫牛（millinewtons）的推力。

小型衛(wèi)星的競(jìng)賽

納米衛(wèi)星是一類(lèi)較先進(jìn)且發(fā)展迅速的太空飛行器。2012年，發(fā)射了25顆納米衛(wèi)星。10年之后的2022年，就有334顆納米衛(wèi)星被發(fā)射，而在2023年，已宣布的發(fā)射數(shù)量幾乎是2022年的兩倍。

這類(lèi)衛(wèi)星幾乎沒(méi)有多余的空間。傳統(tǒng)的有毒且具有腐蝕性的推進(jìn)劑（如聯(lián)氨）的儲(chǔ)罐將無(wú)法使用。而其它小尺寸儲(chǔ)罐的推進(jìn)方式（如離子、壓縮空氣或蒸汽）都不如“氫氣+氧氣”燃燒系統(tǒng)節(jié)能。當(dāng)尺寸限制于納米衛(wèi)星時(shí)，它們的“使用壽命”將縮短。

氫氣和氧氣混合產(chǎn)生推力

以水冰的形式儲(chǔ)存推進(jìn)劑比以氣態(tài)或液態(tài)氣體的形式儲(chǔ)存更安全、成本更低。只需要20瓦的功率就可完成電解，所需的電能將通過(guò)太陽(yáng)能電池和（或）蓄電池產(chǎn)生。從某種意義上來(lái)說(shuō)，該MEMS火箭推進(jìn)器通過(guò)冰的形式將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為推力。

非常規(guī)的制造方法

該推進(jìn)器是在倫敦帝國(guó)理工學(xué)院帝國(guó)等離子體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Imperial Plasma Propulsion Laboratory）內(nèi)采用了他們開(kāi)發(fā)的MEMS工藝制造而成的。他們通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）技術(shù)刻蝕難溶金屬來(lái)構(gòu)建推進(jìn)器的結(jié)構(gòu)。接著濺射沉積銥層，銥層既可以作為點(diǎn)火催化劑，又可以在推進(jìn)器結(jié)構(gòu)壁上形成氧化保護(hù)層。

該推進(jìn)器在裝有氣態(tài)氫氣和氧氣供應(yīng)系統(tǒng)的情況下也能很好地工作。然而，這將占用更多的空間，容易發(fā)生泄漏和爆炸，并需要額外的監(jiān)控管理硬件。通過(guò)使用冰的形式，所需的組件大大減少，并且燃料、氧化的組合穩(wěn)定且安全。

先將氫氣和氧氣分離，然后再燃燒重組它們，效率似乎并不高。然而，這種將氫氣和氧氣分離的設(shè)置，利用太陽(yáng)能進(jìn)行電解，不需要太多板載資源，并且整個(gè)系統(tǒng)只需極少的硬件組件。

當(dāng)兩種氣體在燃燒室中混合時(shí)，銦催化劑開(kāi)始促進(jìn)燃燒，進(jìn)而產(chǎn)生推力。雖然使用的凈功率超過(guò)了燃燒獲得的功率，但產(chǎn)生的功率比其它基于電力和離子的推進(jìn)器系統(tǒng)產(chǎn)生的功率更大。

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院帝國(guó)等離子體推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩種MEMS火箭推進(jìn)器，分別是最終推力為1牛至2牛的ICE-200推進(jìn)器和推力為5毫牛的ICE-Cube推進(jìn)器。

審核編輯：彭菁