目前，以微小衛(wèi)星為代表的小型化航天器已成為航天領(lǐng)域重要發(fā)展趨勢。多達數(shù)百顆甚至上千顆的微小衛(wèi)星星座蓬勃發(fā)展，給航天領(lǐng)域帶來了新的技術(shù)能力，將為太空探索開辟新領(lǐng)域。然而，當(dāng)前微小衛(wèi)星小型推進器技術(shù)遠遠落后于電子和傳感器技術(shù)發(fā)展，正成為微小衛(wèi)星實現(xiàn)大范圍應(yīng)用的一個主要障礙。
微小衛(wèi)星電推進系統(tǒng)
推進器小型化難題是微小衛(wèi)星快速發(fā)展的主要障礙
當(dāng)前，國外發(fā)射的微小衛(wèi)星大多數(shù)僅能實現(xiàn)自主定向，無法進行主動機動。如果要進行有組織的協(xié)調(diào)飛行，微小衛(wèi)星需要高效、可靠的推進器系統(tǒng)，能夠在編隊內(nèi)進行連續(xù)機動。當(dāng)前立方星推進系統(tǒng)功率僅在數(shù)十瓦至一百瓦之間，推進效率極低，甚至低于10-15％，將消耗大量的推進劑和電力，可能會縮短微小衛(wèi)星在軌運行和有效載荷壽命。
目前廣泛使用的冷氣和肼推進系統(tǒng)，在應(yīng)用于微小衛(wèi)星后，僅能運行在數(shù)十瓦的低功率水平，由于系統(tǒng)表面與體積比極高，噴嘴處水力損失較大，導(dǎo)致比沖極低。該推進器可通過增加電加熱措施提高比沖，但也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率較低等不足，并且化學(xué)推進會帶來腐蝕性等問題。因此，盡管當(dāng)前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在多項空間任務(wù)中，但應(yīng)用優(yōu)勢并不突出。
電推進是微小衛(wèi)星推進器發(fā)展的主要方向
目前，空間推進技術(shù)趨勢主要朝全電空間推進技術(shù)方向發(fā)展。國外重點關(guān)注的微小衛(wèi)星電推進技術(shù)方向包括以下幾種：
霍爾型推進器；
離子推進器；
脈沖和直流推進器；
可印刷陰極電弧推進器；
具有旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜形狀磁場的無電極系統(tǒng)；
電噴霧推進器。
微小衛(wèi)星電推進器發(fā)展方向
霍爾型推進器，被公認為是中小型衛(wèi)星推進系統(tǒng)最有前途的發(fā)展方向之一，具有高推力密度和大比沖特點。國外正在重點開發(fā)和測試簡化構(gòu)型的圓柱形霍爾推進器。這種新幾何構(gòu)型雖然略微降低了推進效率，但也為實現(xiàn)小型化結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。目前主要由普林斯頓等離子體推進實驗室、新加坡空間推進中心（SPCS）等機構(gòu)開展相關(guān)研究。后者提出的混合型霍爾推進器，結(jié)合了高性能結(jié)構(gòu)材料、靈活永磁式磁路以及創(chuàng)新的小型陰極技術(shù)，在超低功率和推力范圍（約10瓦）條件下，實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的75%推進效率，并且計劃于2019年開展在軌試驗。
離子推進器，是另一種主要的微小型電推進技術(shù)方向，可以支持衛(wèi)星主動機動、軌道保持和行星際機動。該技術(shù)通過在柵格上施加直流電場加速離子通量，可獲得非常高的比沖，但與霍爾推進器相比，需要增設(shè)放電室結(jié)構(gòu)，因此推力密度低，小型化能力有限。雖然該技術(shù)可通過在柵格中施加更高的加速電壓提高推力密度，但可能會導(dǎo)致動力電極和薄絕緣體之間的間隙被電擊穿，給系統(tǒng)小型化產(chǎn)生較大影響。此外，由于立方星高度微型化的系統(tǒng)中穩(wěn)定且安全地產(chǎn)生高電位需要先進的半導(dǎo)體技術(shù)，離子推進器技術(shù)發(fā)展主要依賴于材料技術(shù)的進步。目前國外正在積極研究小型化離子推進器，如Busek公司已研制出專用于立方星的微型射頻離子推進器，尺寸和功率分別達到1厘米和10瓦。
脈沖和直流推進器，將等離子體作為整體介質(zhì)進行加速，不存在推力密度低的問題，特別適合作為微推力器，目前已在多個小衛(wèi)星和立方星任務(wù)中實現(xiàn)應(yīng)用。然而，與霍爾推進和離子推進技術(shù)相比，該類電推進器因為金屬蒸發(fā)、非平衡等離子體電離以及瞬態(tài)過程中非平穩(wěn)放電等問題，存在大量能量損失，功率效率較低。這一特點導(dǎo)致該技術(shù)不適用于軌道轉(zhuǎn)移和行星間機動等需要較大速度增量的任務(wù)，更適用于姿態(tài)調(diào)整和軌道保持等小速度增量任務(wù)，在高度協(xié)同的微小衛(wèi)星編隊飛行任務(wù)中具有應(yīng)用優(yōu)勢。
可印刷陰極電弧推進器，是一類特殊的脈沖推進器，可利用電極間的脈沖電流或直流電流放電，對電極（通常是陰極）反應(yīng)析出的物質(zhì)電離、加速和排出產(chǎn)生推力。與傳統(tǒng)的脈沖推進器相比，可印刷陰極電弧推進器擁有具備兩個或多個同心電極的平面幾何構(gòu)型，通常由金屬墨水在柔性聚合物薄膜的電介質(zhì)晶片上印刷而成。這些推進器直徑通常為幾毫米，厚度不到1毫米，能夠產(chǎn)生極小的推力脈沖，甚至可用于皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的超精確姿態(tài)控制。可印刷陰極電弧推進器未來發(fā)展重點，是優(yōu)化推進器幾何結(jié)構(gòu)和尋找新型結(jié)構(gòu)材料。英國南安普頓大學(xué)最近已研制出尺寸約為5厘米的可印刷陰極電弧推進器。
具有旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜形狀磁場的無電極系統(tǒng)，是電推進系統(tǒng)重點發(fā)展方向之一。該技術(shù)不涉及等離子體和導(dǎo)電電極之間的電流交換，因此避免了材料加熱和腐蝕等方面的功率和材料損耗。該技術(shù)推進效率較高，但現(xiàn)在還處于小型化的初始階段。該技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸是涉及的物理過程異常復(fù)雜，缺乏對其有工作機理的深入了解。目前，國外如東京農(nóng)業(yè)大學(xué)、新加坡SPCS、澳大利亞國立大學(xué)等已經(jīng)在該技術(shù)的主要方向之一——螺旋推進器方面取得了重大進展。
電噴霧推進器，介于微脈沖推進器和可印刷電推進系統(tǒng)之間，主要通過向電噴霧發(fā)射器施加靜電電壓，加快液體推進劑從電噴霧發(fā)射器小直徑毛細管噴出，進而產(chǎn)生推力。該技術(shù)是一類相對成熟的小型化技術(shù)，在立方星上擁有較高應(yīng)用前景，未來可通過采用復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)、加入超材料和優(yōu)化幾何形狀，實現(xiàn)體積的進一步縮小。該類推進器曾用于歐洲“激光干涉儀空間天線”（LISA Pathfinder）項目。
