基于微機電系統(tǒng)技術的微推進器發(fā)展簡析

姚保寅 李輝 許紅英 孫棕檀 （中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

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基于微機電系統(tǒng)技術的微推進器發(fā)展簡析

姚保寅 李輝 許紅英 孫棕檀 （中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院）

Development of MEMS Micro Thruster

1　發(fā)展需求

隨著微小衛(wèi)星技術的發(fā)展和應用領域的不斷擴大，對微推進系統(tǒng)提出了越來越迫切的需求。由于微小衛(wèi)星具有體積小、質量輕、轉動慣量小等特點，為精確實現(xiàn)其軌道調整、引力補償、位置保持、軌道機動和姿態(tài)控制等操作，必須開發(fā)出具有高集成度、低功耗、小推力和微沖量等特點的微推進器。傳統(tǒng)微電推進、微冷氣推進和微激光等離子體推進等方式因體積和質量過于龐大而不再適用，而以微機電系統(tǒng)技術為基礎的新型微推進器既可滿足要求，又可顯著降低量產成本，成為各航天大國的研究熱點。

2　微推進器的分類

微推進器主要分為電推進和化學推進兩大類。電推進式又分為電熱式、電磁式和靜電式：電熱式主要有電弧電熱式推進器和電阻電熱式推進器，靜電式主要有場效應離子推進器（FEEP）和膠體推進器，電磁式主要有微型脈沖等離子推進器（μPPT）等。化學推進式主要有液體化學推進器和固體化學推進器。

電磁式微推進器

電磁式微推進器主要指微型脈沖等離子推進器。該推進系統(tǒng)由固體推進劑棒、推進劑供給彈簧、電火花發(fā)生器和陰、陽電極組成，推進劑為特氟龍（Teflon）、聚丙烯等。工作原理是電路給電容充電至足夠高的電壓（約2kV），閉合晶閘管開關，陰極棒和陽極套筒之間高壓放電，產生高溫熱流使推進劑前端暴露部分分解，分解后的氣體被電離，在很薄的電離層內的自身磁壓和氣體動壓的共同作用下，氣體被加速噴射，產生推力。該微推進器技術比較成熟，但其結構較復雜，微型化較困難。

2013年5月，歐盟“液體微脈沖等離子推進器”（L-PPT）項目取得關鍵進展，首個原型推進器的所有部件（推進劑、閥門、電子控制、推進器和推進器底座）都已準備就緒，將送往波蘭等離子體物理和激光微聚變研究所（IPPLM）實驗室中的真空腔進行測試。該項目的目標是利用先進的微機電系統(tǒng)技術開發(fā)出以液態(tài)推進劑為基礎的新型微型脈沖等離子推進器系統(tǒng)，以提供更大的比沖、更精確的推進控制和實現(xiàn)推進劑的無害化。

靜電式微機電系統(tǒng)微推進器

靜電式微推進器分為場效應離子推進器和膠體推進器，兩者均由發(fā)射器、加速電極以及中和器組成，區(qū)別是場效應離子推進器的工作介質為銫或銦等液態(tài)金屬，而膠體推進器的工作介質為甘油、碘化鈉等電解液。在工作時，帶電金屬離子在強電場作用下加速運動，從發(fā)射器出口噴出產生推力。中和器發(fā)射電子束，中和噴出的帶電金屬離子，降低羽流污染。兩者的優(yōu)點是比沖非常高，且推力極小而精確，容易控制。通過引入微機電系統(tǒng)技術，可有效克服其體積大、工作電壓高、電源與控制系統(tǒng)復雜等缺點。

2012年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）在歐盟“微推進器”項目的支持下聯(lián)合歐洲四國的研究團隊成功為1～100kg小衛(wèi)星研制出質量僅有200g、推力達到100μN的膠體推進器。每個推進器含有多個發(fā)射推進劑用的微機械毛細管。洛桑聯(lián)邦理工學院實現(xiàn)了19個微機械毛細管和提取電極的集成。

固體化學微推進器

化學微推進器的工作原理為推進劑在燃燒室內燃燒，產生高溫、高壓燃氣，并通過噴嘴以高速氣流向后噴出，從而產生反作用推力。根據(jù)推進劑的物理狀態(tài)分為液體化學微推進器和固體化學微推進器。而固體化學微推進器中不需液體化學微推進器結構中的管路、閥門等器件，具有結構簡單、功耗低、無可動部件、集成度高、可靠性好等優(yōu)點，成為化學微推進器的發(fā)展重點。固體化學微推進器的結構通常為三明治結構：底層為點火電路，中層為燃燒室和推進劑儲腔，頂層為噴管層。由于固體推進劑屬于一次性點火消耗，故需要采用推進陣列的設計形式來解決多次點火啟動的問題。利用微機電系統(tǒng)工藝在同一個基片上制作出一系列的微推進單元，底部點火電路具有邏輯尋址功能，可以一定的邏輯功能產生推力，對小衛(wèi)星的姿態(tài)連續(xù)地進行精確微調，實現(xiàn)“數(shù)字式”的推力控制。

2012年，歐洲航天局（ESA）為推進固體化學微推進器的發(fā)展能達到與電推進器同樣的性能，在歐盟第七框架協(xié)議下啟動了為期2年的“可實現(xiàn)宇宙探索用高效和精確控制的化學微推進器”（PRECISE）項目，重點研究基于MEMS的單一組分推進劑微化學推進系統(tǒng)（μCPS），提高關鍵組件的效率和可靠性，并要求達到技術成熟度的第五級。目前，該項目已研究出推進劑微化學推進系統(tǒng)，將在仿真的宇航空間環(huán)境中進行測試。

3　微推進器發(fā)展現(xiàn)狀

由于微型推進器在航空航天領域有廣泛的應用前景，所以一直為美國、歐洲和俄羅斯等國家和地區(qū)所重視。這些國家一方面通過積極將微機電系統(tǒng)技術引入傳統(tǒng)電磁式和靜電式微推進器的設計和制造中，一方面努力探索新型固體化學微推進器的發(fā)展。

推進劑微化學推進系統(tǒng)實物圖

美國對微推進器的研究起步較早

真正意義上的微推進器最早出現(xiàn)于1992年，由美國宇航公司（Aerospace）研發(fā)完成。1997年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）啟動了“數(shù)字微推進”項目，美國湯普森·拉莫·伍爾德里奇公司（TRW）在該項目的支持下，研制出“數(shù)字推進”型固態(tài)化學微推進器，成為固態(tài)化學微推進器的標準結構。隨后，美國空軍研究實驗室（AFRL）、美國航空航天局（NASA）的噴氣推進實驗室（JPL）、麻省理工學院（MIT）、霍尼韋爾（Honeywell）公司等機構和單位也陸續(xù)加入到多種微推進器的研究中，如美國空軍研究實驗室曾研制出用于微納型衛(wèi)星編隊飛行和特殊姿態(tài)控制的質量小于100g的微型脈沖等離子推進器。

目前，美國航空航天局和麻省理工學院仍在開展相關領域的研究。如美國航空航天局于2009年授予美國5所大學63萬美元研究微電推進器，麻省理工學院則為立方體衛(wèi)星（CubeSat）研究離子電噴射推進器。

固態(tài)化學微推進器“三明治”結構（左）與實物圖（右）

歐盟加大對微推進器的研究力度

在歐洲，歐洲航天局、法國國家科學研究中心系統(tǒng)分析與架構實驗室（LAAS-CNRS）、英國薩瑞大學（University of Surrey）也基本與美國同步開展了多項研究。如法國LAAS-CNRS實驗室也是對固體化學微推進陣列研究較早的著名實驗室之一，他們對經(jīng)典的“三明治”結構進行了改進，可提供更強大的推力和更長的脈沖時間。目前，與美國相比，歐盟為實現(xiàn)在技術領域的獨立自主，在微推進器的研究上投入了更大的氣力，在第七框架計劃下設立了“微推進器”、“液體微脈沖等離子推進器”和“可實現(xiàn)宇宙探索用高效和精確控制的化學微推進器”等多個項目，分別研究膠體推進器、以液體推進器為基礎的新型微型脈沖等離子推進器和基于MEMS單一組分推進劑的固體化學推進系統(tǒng)。其中，“可實現(xiàn)宇宙探索用高效和精確控制的化學微推進器”項目的參研方除了歐洲的公司、大學和研究機構外，還包括俄羅斯的軍事工業(yè)聯(lián)合股份公司。

微推進器的集成度和成熟度進一步提升

2013年，美國麻省理工學院研制出立方體衛(wèi)星用離子電噴射推進器（iEPS）模塊。該推進系統(tǒng)通過在強電場的作用下提取和加速推進劑（零蒸汽壓的離子液體）和真空界面間的重分子離子來實現(xiàn)，可提供2000～3500s的幅度控制和帶有特殊脈沖的推力，體積小于1U立方體衛(wèi)星的10%～30%，產生的推動力則由攜帶的推進劑質量所決定，如小于150g的推進劑將可使1U立方體衛(wèi)星從低地球軌道達到逃逸地球的速度，以及探索行星際空間。在該結構中，推進劑不需要被加壓并通過毛細管流出，因此可省略閥門、管道、泵和加壓步驟，使得設計變得緊湊，滿足立方體衛(wèi)星的限制和設計要求。麻省理工大學通過使用微機電系統(tǒng)技術實現(xiàn)了最大化集成，突破了硅和包含離子發(fā)射結構的微制造多孔金屬襯底間的集成這個工藝難點。麻省理工學院的目標是為不同立方體衛(wèi)星提供不同的集成離子電噴射推進器。如在1U立方體衛(wèi)星中集成4個推進模塊將是提供基礎幅度控制和主要推力的最低配置。

4　結束語

微推進器已于1998年首次應用于強力衛(wèi)星－1（MightySat－1）任務中，2001年在“天蝎座”（Scorpius）亞軌道探測火箭上進行了飛行功能測試。隨后，在美國的“21世紀技術衛(wèi)星”（TechSat21）計劃納衛(wèi)星編隊飛行、綠寶石星座中的納型衛(wèi)星軌道保持等試驗中也對微推進器做了試驗。洛桑聯(lián)邦理工學院也計劃將其研制的推進器首先安裝于清理太空垃圾的空間清理－1上。

盡管微推進器有著巨大的應用前景和強烈的需求，并已在部分航天器上進行了試驗，但總體上仍處于研發(fā)階段，技術還不成熟，需要進一步研究和試驗。未來，MEMS微推進器將繼續(xù)通過加強在微機電系統(tǒng)制造技術、燃料物理性能、測試等技術上的研究獲得快速發(fā)展。

王曉宇/本文編輯