欧空局推出硬币大小的MEMS火箭推进器
2023-09-23 10:54:18   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

用于燃烧室仅1毫米的微型卫星推进器的火箭发动机需通过MEMS工艺制造而成。该类卫星只使用冰和电就能产生所需推力。

随着电子器件的不断小型化，轨道发射能力的不断提高，小型卫星正在迅猛发展。然而，在小型卫星发展的进程中，必须缩小的不仅仅是电子器件，推进器和其它稳定性装置的尺寸也必须按比例缩小。虽然专用卫星越来越小，但推进器等关键组件却没有跟上尺寸缩小的步伐。

传统的推进器使用联氨作为火箭燃料，这类推进器除了对发动机和控制系统有需求之外，还需要储罐。而较先进的离子电推进系统已经发布，并在不断地研发提升，但该系统仍然太大，无法成为最小的两类卫星的有效解决方案，这两类卫星分别是重量在1千克至10千克（2.2磅至22磅）之间的纳米卫星（Nano satellites），以及重量在0.1千克至1千克（0.22磅至2.2磅）之间的皮米卫星（Pico satellites）。

为纳米卫星设计的ICE-Cube推进器（铱催化电解立方体卫星推进器）（来源：欧空局）

据麦姆斯咨询报道，近日，欧空局（European Space Agency，ESA）测试了一种MEMS火箭推进器，用于纳米卫星和皮米卫星。该MEMS火箭推进器由英国伦敦帝国理工学院（Imperial College of London）的一个团队设计，被命名为ICE-Cube推进器（铱催化电解立方体卫星推进器），其原理是利用电解槽将水分离成氢气和氧气。

然后，氢气和氧气在长度不到1毫米的燃烧室中完成气体混合。由于其尺寸太小，需要使用MEMS工艺来完成制造。实验室测试表明，该MEMS火箭推进器在持续185秒的特定脉冲下可提供1.25毫牛（millinewtons）的推力。

小型卫星的竞赛

纳米卫星是一类较先进且发展迅速的太空飞行器。2012年，发射了25颗纳米卫星。10年之后的2022年，就有334颗纳米卫星被发射，而在2023年，已宣布的发射数量几乎是2022年的两倍。

纳米卫星（来源：美国国家航空航天局（NASA））

这类卫星几乎没有多余的空间。传统的有毒且具有腐蚀性的推进剂（如联氨）的储罐将无法使用。而其它小尺寸储罐的推进方式（如离子、压缩空气或蒸汽）都不如“氢气+氧气”燃烧系统节能。当尺寸限制于纳米卫星时，它们的“使用寿命”将缩短。

氢气和氧气混合产生推力

以水冰的形式储存推进剂比以气态或液态气体的形式储存更安全、成本更低。只需要20瓦的功率就可完成电解，所需的电能将通过太阳能电池和（或）蓄电池产生。从某种意义上来说，该MEMS火箭推进器通过冰的形式将太阳能转化为推力。

ICE-Cube推进器启动（来源：伦敦帝国理工学院）

非常规的制造方法

该推进器是在伦敦帝国理工学院帝国等离子体推进实验室（Imperial Plasma Propulsion Laboratory）内采用了他们开发的MEMS工艺制造而成的。他们通过反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching，RIE）技术刻蚀难溶金属来构建推进器的结构。接着溅射沉积铱层，铱层既可以作为点火催化剂，又可以在推进器结构壁上形成氧化保护层。

该推进器在装有气态氢气和氧气供应系统的情况下也能很好地工作。然而，这将占用更多的空间，容易发生泄漏和爆炸，并需要额外的监控管理硬件。通过使用冰的形式，所需的组件大大减少，并且燃料、氧化的组合稳定且安全。

先将氢气和氧气分离，然后再燃烧重组它们，效率似乎并不高。然而，这种将氢气和氧气分离的设置，利用太阳能进行电解，不需要太多板载资源，并且整个系统只需极少的硬件组件。

当两种气体在燃烧室中混合时，铟催化剂开始促进燃烧，进而产生推力。虽然使用的净功率超过了燃烧获得的功率，但产生的功率比其它基于电力和离子的推进器系统产生的功率更大。

伦敦帝国理工学院帝国等离子体推进实验室已经开发了两种MEMS火箭推进器，分别是最终推力为1牛至2牛的ICE-200推进器和推力为5毫牛的ICE-Cube推进器。

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