微纳卫星新型动力系统研究进展

郭明坤，夏广庆，韩亚杰，范益朋，关思琦

（1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室，辽宁大连 116024）

0 引言

微纳卫星指采用现代技术、微电子技术、机械技术等设计制造的具有高性价比的现代微小卫星。国际上通常以质量来划分卫星，微卫星的质量一般在10～100 kg，纳卫星的质量一般在1～10 kg。微纳卫星是具有明确用途的新一代卫星，其主要特点为质量小、体积小、制造发射成本低、功能针对性强。早期的微纳卫星一般无控轨要求，但随着卫星技术的发展，微纳卫星在性能以及用途上有了极大的提升。微纳卫星可以通过组网编队，完成与大卫星几乎相同的任务。因此，国际上对于微纳卫星轨道控制的期望与要求越来越高。

受于自身体积与质量限制，微纳卫星无法使用大型的推进系统，通常只具备姿态控制能力，无法进行轨道调整。因此，微纳卫星动力系统的研发受到了广泛关注。微纳卫星动力系统应具有比冲高、使用寿命长等特点。微纳卫星动力系统可以延长卫星使用寿命，极大提高微纳卫星的应用价值。按照工作原理，微纳卫星动力系统可以大致分为如下两类：①压力加速式推力器，包括化学微推进、冷气推进、新型电热推进等，其特点为推力较大，推力调节范围较大。然而压力加速式推力器的比冲及总冲较低，难以维持长周期的工作任务。②静电加速式推力器，包括微阴极电弧推力器、场致发射电推力器、离子液体推力器等。相较于压力加速式推力器，静电加速式推力器的比冲以及总冲得到大幅提高，但推力相对较低。此外，经过近几年的技术革新，出现了太阳帆推进、磁场帆推进、石墨烯推进等新型推进技术，该技术正处于发展阶段，未来有一定的应用前景。

目前对微纳卫星动力系统的研究已经形成一种趋势，100 W 以内的小功率电推力器受到了各国高校和科研院所的关注。英国SSTL 公司于2000年6 月发射世界上第一颗带有微推进系统的卫星，采用丁烷动力推进系统。美国于2007 年3 月9 日发射FalconSat-3 重力梯度卫星，搭载微型脉冲等离子体推进系统（MPACS）[1]；于2015 年5 月20 日发 射BRICSat-P 立方星，采用微阴极电弧推力器（uCAT）[2]。国内对于微推进系统的研究尚处于起步阶段：兰州510 所于2016 年研制LPPT-5 电推进系统，用于12U 立方星的推进；上海801 所[3]与中科院力学所[4]开展了场致发射电推进方面的研究；北京航空航天大学针对胶体推进技术进行了相关研究[5]。

1 新型静电式微推力器

1.1 自中和射频离子推力器

在传统的栅极离子推力器中，为了防止卫星积累电荷，需要使喷射到空间中的羽流呈电中性。为此，推力器需要配备专门的离子中和器。中和器在一定程度上影响了推力器的寿命、体积大小、总质量以及结构复杂度。

美国的ThrustMe 公司联合等离子体物理研究所开发出一套电推进系统[6]，将其命名为“Neptune”。其搭载平台为1U 立方星（边长10 cm，质量1 kg）。该电推进系统的主要特点为产生的粒子束流组成为电子和正离子，因此，束流可以实现自中和，无需采用中和装置。

如图1 所示，推力器的引出栅极由射频电源供电。离子和电子对于振荡场的响应时间不同，分别于不同的时间点被引出。此过程会产生自偏压效应，对鞘层电压进行一定程度的矫正。离子被引出之后，被加速栅极加速并从尾部喷出，产生推力。与此同时，当等离子体电势值接近零时，由于电场的改变，大量电子会被引出，并经由栅极板加速喷出。在整个过程中，为保证系统内不存在直流电流，推力器内配有隔直装置，保护系统安全。最终在单位时间内，电子和离子的提取引出量大致相等。推力器工作时，系统内的等离子体束流由连续交替加速的离子和电子组成，这种束流可以自行中和。因此，该推进系统无需额外的中和装置，极大地减小了推力器的体积和质量。自中和射频离子推力器性能参数见表1。

图1 自中和射频离子推力器结构示意图Fig.1 Illustration of the self-neutralization radio frequency ion thruster

表1 自中和射频离子推力器性能参数Tab.1 Performance parameters of the self-neutralization radio frequency ion thruster

1.2 离子液体推力器

离子液体推力器是一种新型的微牛级推力器，从属于胶体推力器。胶体推力器通常采用电离液作为推进剂，利用施加在发射尖端上的高压电场，将工质离子化并加速喷出，以此产生推力。离子液体推力器采用离子液体作为推进工质。离子液体是一种近10 年来被广泛使用和研究的新型物质，其正负离子以范德华力或者氢键相结合，具有无毒、无泄漏问题、贮存时间长等优势。

离子推力器作为一种静电式电推力器，其工作基于静电喷射原理，在外加电场作用下，带电粒子从离子液体工质中被引出，并在同一电场的作用下加速喷射，产生推力，如图2 所示。

图2 离子液体推力器结构示意图Fig.2 Illustration of the ionic liquid thruster

离子液体推力器设计的关键是电喷雾源的设计。导电液体在强电场作用下，发射出带电粒子，这种现象被称作电喷雾。受到垂直于液面的强电场作用，导电液体的液面一般呈现锥形。液体自身物理性质、液体流速、施加电压的大小等参数都会对液面形状产生影响。同时，不同的液面形状可以表现出电喷雾源工作模式的不同。Cloupeau 等[7]将电喷雾的工作模式依照形态特征与生成方式划分为滴落、微滴滴落、锥-喷流、简单喷流和分叉喷流，其中，锥-喷流为通常情况下胶体电推力器的工作方式。在电喷雾发生时，液面会呈现一个圆锥形，并维持该形状[8]。当电场强度超过某一阈值时，圆锥型液面尖端处会延伸产生喷流，喷流在维持一定的长度后碎裂为液滴，形成射流。

作为一种新型的微推力器，离子液体推力器具有独特的优势。离子液体工质主要以氢键或者范德华力结合，因此，在工质产生离子的过程中相较于传统方式能量消耗较小。同时离子液体推力器相比普通胶体推力器，更容易达到纯离子发射模式（Purely Ionic Regime，PIR），使得比冲更高，推进剂的利用率更大，而且推力更小，能够达到更小的脉冲冲量，对微纳卫星进行更精确的姿态和轨道控制。另外，离子液体推力器同样采用自中和的方式中和离子，推力器无需中和器，可减小结构质量，延长推力器的使用寿命。

2 新型电热式推力器

电热式气体推力器的雏形是冷气推力器（Cold Gas Thruster，CGT）。冷气推力器通过释放贮存的高压气体来产生推力[9]。针对冷气推力器的研究始于20 世纪，冷气推力器具有结构简单、性能稳定、成本低廉等优点[10]，其在卫星发展初期得到了广泛应用。然而随着静电式电推力器的发展，冷气推力器比冲低的问题也逐渐暴露出来。伴随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的发展，电热式气体推力器应运而生。目前针对电热式推力器的研究主要有4 个方向：电阻加热式推力器（Resistojet）、电弧加热式推力器（Arcjet）、微波电热式推力器（Microwave Electrothermal Thruster，MET）、射频电热式推力器（Radio-Frequency Electrothermal Thruster，RFET）。电阻加热式推力器出现较早，工质气体分子通过电热元件或者电热通道获得能量，经喷嘴喷出产生推力。电弧加热式推力器工作原理与电阻加热式推力器类似，不同的是电弧加热式推力器通过极板间产生的高压电弧加热工质气体。此外，等离子体放电同样可以应用于工质气体的加热。微波电热式推力器、射频电热式推力器分别通过微波源和射频源激发放电腔内等离子体放电，产生能量加热腔内气体。4 种推力器性能参数见表2。

表2 典型电热式推力器性能参数Tab.2 Performance parameters of typical electrothermal thrusters

2.1 毛细管型脉冲等离子体推力器

目前，针对传统电磁型脉冲等离子体推力器的研究已经开展了数十年，具有极高的技术成熟度。推力器的效率、比冲等重要参数已经接近理论极限，可供优化改进的空间较小。毛细管脉冲等离子体推力器改变了传统脉冲等离子体推力器通过电磁加速离子的工作模式，以电弧热加速等离子体为主，获得了良好的预期效果[21]。图3 和图4 分别为传统等离子体和毛细管型脉冲等离子体的结构示意图。

图3 传统脉冲等离子体推力器结构示意图Fig.3 Illustration of the traditional pulsed plasma thruster

图4 毛细管型脉冲等离子体推力器结构示意图Fig.4 Illustration of the capillary pulsed plasma thruster

传统脉冲等离子体推力器工作时，火花塞点燃，腔体内产生少量粒子。粒子与特氟龙工质表面碰撞，烧蚀出一定量的粒子，其中带电离子在强电场作用下向两极移动，进一步烧蚀工质表面。两极之间等离子体区域增加，最终与极板、电容器共同构成闭合回路。等离子体受洛仑兹力加速喷出，产生推力。毛细管型脉冲等离子推力器同样通过火花塞激发放电，烧蚀工质。与传统型不同的是，毛细管型工质结构可以控制和稳定腔体内的高压电弧[22]。毛细管壁通常采用易消融的材料制作，利用器壁的消融烧蚀过程来冷却电弧（Ablation Controlled Arc，ACA）。同时消融产物会继续被加热，形成新的等离子体，以补充喷口外流损失，电热式脉冲等离子体加速方式对中性粒子和带电粒子均有加速效果，有效地提高了推力器效率。典型毛细管型脉冲等离子推力器性能参数见表3。

表3 典型毛细管型脉冲等离子推力器性能参数Tab.3 Performance parameters of the capillary pulsed plasma thruster

2.2 射频电热式推力器

澳大利亚国立大学设立了一款1U 立方星，其直径为10 cm，质量约为1.33 kg。卫星采用射频电热式推进系统，名为“Pocket Rocket”。该推力器的工作模式为非对称式容性耦合等离子体放电。容性耦合放电过程中，等离子体鞘层的电势将以与外加射频电源相同的频率发生振荡，振荡过程中鞘层将以感应无碰撞的形式加热并发射高能电子，将能量注入等离子区域。非对称式结构则会产生自偏压效应，对等离子体鞘层进行一定程度的矫正，并伴有二次电子发射效应[26]。

如图5 所示，推力器主体为一段氧化铝管，管中间处绕有射频电极，激发放电腔中工质产生等离子体。工质气体经由上游进气口进入储气室，于放电腔中加热膨胀，最终从下游喷出产生推力。推力器工作时，放电腔体内存在两种加热作用，体加热以及壁面加热。体加热是指等离子体中离子与中性气体碰撞加热整个放电腔区域的气体。与此同时，由于等离子体中和等效应的作用，工作时壁面温度会升高。壁面通过热交换加热腔体气体，该过程称为壁面加热。实验表明，两种加热过程对腔体内气体的作用程度近乎相同。射频电热式推力器性能参数见表4。

图5 射频电热式推力器结构示意图Fig.5 Illustration of the radio frequency electrothermal thruster

表4 射频电热式推力器性能参数Tab.4 Performance parameters of the radio frequency electrothermal thruster

3 新兴推进技术

3.1 石墨烯光驱动

一直以来，大规模直接光驱动都是一个难点，以现有的技术水平，难以投入实际使用。石墨烯材料在结构和功能上都具有独特性，其能够吸收各种波长的光，并发射高能电子，产生推力。单个石墨烯单元具有良好的光学性能，目前在小空间尺度上，通过光照射已经可以实现石墨烯片在毫米量级的水平移动和旋转。如果能成功实现石墨烯材料的宏观堆叠集成，并在宏观尺度上进行必要的光学操作，就有希望实现大规模直接光驱动。

石墨烯海绵是一种三维交联单片石墨烯材料，在形成过程中，单片石墨烯材料主要通过位于边缘的氧官能团之间的反应形成共价键结合在一起。材料采用特殊方法合成，需要惰性环境下的高温热处理[27]。石墨烯材料合成时，如何在堆叠后仍保持其单层的固有属性是一个难点。但按照一定的方式组合成后，材料不仅可以保持单层的固有属性，并且可以将这种属性于宏观尺度上体现出来。

石墨烯海绵可以看作是单个石墨烯材料的总和，但石墨烯材料之间并没有强大的耦合特性。换言之，在石墨烯海绵中，单个石墨烯的狄拉克带结构得到了很好的保持，维持了其固有属性。

石墨烯海绵产生推力原理如图6 所示。由于结构的特殊性，石墨烯海绵能够有效地吸收各种波长的光，在热电子的激发下达到粒子数反转的状态，并喷射电子。电子沿各个方向随机喷射，其中一些会被周围的石墨烯海绵吸收，一些会产生相互抵消的力。沿着激光光束扩散的相反方向喷射的电子会产生推进力，并且沿激光光束方向推动。

图6 石墨烯推力原理示意图Fig.6 Illustration of the graphene thrust

实验证明了宏观的石墨烯材料制成的推力器能够被数瓦功率的激光直接推进。同样太阳光也可通过这种新机制推进物体，并通过增大光照强度和光照面积来增大推力。通过可调节的激光阵列，该项技术可以应用在航天器上，以光照为能源，实现航天器姿态控制以及轨道调整甚至长距离运输任务。

3.2 碳纳米管阵列推力器

碳 纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种结构特殊的一维纳米材料。碳纳米管具有一些优秀的特性，拥有巨大的潜在应用前景。研究发现，碳纳米管具有优异的场致发射性能。场致发射是指在金属或者半导体表面施加高强度电场，通过隧道效应使电子进入真空中形成电子注，见表5。相较于传统的热发射阴极系统，场致发射具有功耗低、电流密度大、尺寸小、效率高等优势，是一种理想的新型真空电子发射源。因为高长径比以及纳米尖端的独特物理性质，碳纳米管逐渐取缔了传统的金属阴极材料，被研究人员应用于制作场致发射阴极的主要材料。为了在相对较低的电场下达到满足电子发射的条件，一般将碳纳米管加工成微型尖端阵列结构，通过原子级尖端的局部增强作用来获得局部高电压。碳纳米管场致发射阴极阵列具有开启电压小、电流密度大、工作环境真空度要求较低等优点，在场致发射领域的应用十分广泛。

表5 常用阴极发射性能对比［28］Tab.5 Comparison of cathode field emission［28］

目前碳纳米管在微推进领域的应用前景大致有3 个方面：

1）双栅极电离装置

碳纳米管电离装置的主要特点为激发电压小、产生电流大，适于用作微推力器的离子源[29]。如图7所示，Chen 等[30]设计了双栅极结构碳纳米管阵列。该阵列能够以两种不同的电离模式工作，以适应不同的工况要求。

图7 双栅极结构碳纳米管Fig.7 Carbon nanotube with dual grid

碳纳米管具有优异的场致发射性能，因此，双栅极结构碳纳米管的工作模式可以采用电子轰击电 离（Electron Impact Ionization，EII）。如 图8 所示，碳纳米管作为电子源，场致发射产生一定量的电子。第一栅极称为门栅极或者提取栅极，作用为输引电子到达下一区域。第二栅极为聚焦栅极，聚焦电子束流。电子于电离区域内与中性气体碰撞，激发气体电离，离子经由上方栅极引出。此外由于第二栅极相较阳极具有较低的电势，小部分的离子回流会由其引走，从而保护碳纳米管尖端免于受到离子的轰击。

图8 碳纳米管阵列电子轰击电离原理示意图Fig.8 Carbon nanotube array operated as a field emitted electron

双栅极结构碳纳米管的另一种工作模式为场电离（Field Ionization，FI），工作原理类似于场致发射电推力器。如图9 所示，系统工作时，碳纳米管与提取栅极之间会形成高电势差。与此同时，碳纳米管尖端附近会存在高压电场[31-32]。在两者共同作用下，电离区到碳纳米管尖端之间形成电子通道，中性气体发生电离，离子由上部提取栅极引出。相较于电子轰击电离模式，场电离模式无法有效避免离子对于碳纳米管尖端的轰击腐蚀。与之相对，电子轰击电离模式中电子轰击过程会产生一些碎裂产物，场电离模式则能减少这些产物对系统的影响。

图9 碳纳米管阵列场电离原理示意图Fig.9 Carbon nanotube array operated as a field ionizer

2）场致发射中和器

场致发射中和器目前已经成为研究热点，各个国家都进行了长时间的研究与开发。近些年，各国对于阴极场致发射阵列的研究已经取得一定突破，并成功应用于部分电推进中和器[33]。常规离子推力器的中和器所需工质约为总工质的10%，碳纳米管场致发射中和器最大的特点就是在启动和持续工作过程中不需要额外工质，且能源消耗低[33]，可以在一定程度上提升系统的比冲。碳纳米管场致发射中和器体积较小，并且不需要配备工质贮箱或阀门等附带装置，适用于小型或微型电推进系统。

如图10 所示，Singh 等[34]研制出一种碳纳米管场致发射中和器，并成功应用于霍尔推力器中。研究人员对中和器中碳纳米管场致发射部分进行了设计改进，该结构的特点为门栅极与导电基底之间存在一层绝缘隔离层，可有效增加结构内的电场强度，从而增加电流密度。同时，研究人员采用特殊工艺进行碳纳米管的合成如图11 所示，化学刻蚀浸入到了导电基底内部[35]。相较于传统的碳纳米管基底外侧生长，较深的基底刻蚀给予了碳纳米管足够的生长空间。因此，碳纳米管长度会更加均匀，碳纳米管与门栅极之间的接触短路问题也可以得到有效解决。

图10 碳纳米管场致发射中和器实物图Fig.10 Carbon nanotube neutralizer

3）生成压力波产生推力

碳纳米管具有优秀的导电性以及导热性。如图12 所示，在碳纳米管外层燃烧燃料，碳纳米管会传导热力波并激发内部电子移动产生脉冲。这种反应会产生一种各向异性的压力波，产生的比冲约为300 s。如果能将压力波转化为推力，就可以设计出一种新型高比冲推力器[36]。

4 发展建议

如今微纳卫星种类繁多，质量从几千克到几十千克，功率从几瓦到几百瓦，任务需求也日益多样化。微纳卫星典型任务及参数要求见表6。微纳卫星获得国际上高度重视，其配套的微推进系统也得到了迅速发展。不同于传统的航天推进技术，微纳卫星推进系统对于总冲、功耗、调节精度等参数提出了更高的要求。同时，基于微纳卫星本身大规模组网工作的特点——低成本、小质量、小体积，其也是微纳卫星未来主要的优化设计方向。目前尚未获得一种有效的解决方案可以适应所有要求，纷繁复杂的推进任务需要多种不同的推进方式共同发展。

模块化也是微纳卫星动力系统的一个重要发展趋势。模块化是指将推力器加工成同一规格的模块，多模块共同工作，通过选取多种排布方式，组建形成不同的推力器工作模式，以适应各类飞行任务的需求。美国麻省理工学院推力器模块如图13所示。

图11 霍尔推力器中和器碳纳米管阵列工艺流程Fig.11 The technological process of carbon nanotube neutralizer in Hall thruster

图12 碳纳米管热波推力器原理示意图Fig.12 Illustration of the carbon nanotube thermal thrust

表6 微纳卫星典型任务参数Tab.6 Parameters of typical missions of micro-nano satellite

对于微推进系统的研发制造，有几项关键技术需要重点关注：

1）结构工艺

新型微推进系统中的核心部件往往加工难度较大，例如离子液体推力器中的发射极、碳纳米管阵列材料等。作为推进系统中的核心部分，这些结构的性能参数与整个推力系统的性能密切相关。因此，如何加工出高可靠、符合实际要求的部件是研究中的技术难点。目前，国内外针对微米量级尺寸部件的主要加工方式大致分为电化学加工、机械加工、激光加工等。随着技术的成熟，为获得更高的加工精度，避免类似同种结构的形貌差异过大等问题，采用方法逐渐从可控性相对较差的化学刻蚀过渡到激光加工、电火花切割等更好的选择。

2）离子束流中和

离子推力器工作时，推力器尾部会喷出高速粒子，其将在电推进系统的周围形成高电势，从而对航天器产生一定的危害，影响系统的使用寿命。大型中和器的电子源主要为储备式空心阴极。其缺点很明显，工作时需要消耗大量工质，在一定程度上增加了电推进系统的体积及质量。常见低功率中和器的阴极结构有3 种：低功耗热阴极、场致发射阵列阴极、碳纳米管阵列阴极。相较而言，热阴极技术较为成熟，使用寿命较长，但符合条件的阴极种类较少，性能受环境影响较大。与前者相比，场致发射阴极的功推比有显著减小，同时稳定性更好。然而阴极阵列的结构复杂，对于微型结构加工工艺要求极高。碳纳米管阵列中和器是一种新型中和技术，各项性能均较佳，目前存在的主要问题为电子发射集中性较差。开发出新型低功率、小体积的电子源，或者设计出可以自行中和离子束流的推进系统，是电推进系统小型化的一个主要研究方向。

3）新技术交叉融合

微纳卫星动力系统提出了新的要求以及侧重点，自然需要新兴推进技术支持。不同于传统的工质处理、工质加速、工质排出的工作方式，一些新兴的推进方式逐渐提出。例如石墨烯光推进、碳纳米管压力波推进以及基于太阳系内太阳风强度的太阳帆推进和磁场帆推进等。目前，石墨烯光推进、碳纳米管压力波、磁场帆推进已经完成概念设想，正处于方案设计阶段；太阳帆推进已实现在近地轨道飞行实验以及空间探测器上的应用。

5 结束语

小型化、低成本化是空间飞行器未来主要的发展方向之一，因此，针对微纳卫星动力系统的研发具有广阔的应用前景。目前我国对于微纳卫星动力系统的研发正处于起步阶段，与国外仍存在一定的差距。因此，需要把握微纳卫星动力系统的发展趋势，全方面调研，开展针对性技术攻关。相信在不远的将来，我国微推进系统技术会更加成熟，为微纳卫星的平台组建提供高效可靠的动力方案。