麻省理工學院（MIT）的工程師正在開發一種新型太空推進系統，它結合了傳統化學火箭的優勢與電動推進器的效率和精確度。
這項技術可以讓小型衛星在太空中擁有更大的靈活性。未來的太空飛行器不再需要依賴不同的推進系統來執行不同類型的機動，而是可以使用單一推進劑來同時執行快速移動和緩慢、高度控制的調整。
這種方法的關鍵在於一種特殊的燃料，它同時適用於化學和電動推進系統。直到現在，這些技術通常需要獨立的推進劑和硬體，增加了重量和複雜性。
「如果你能將化學和電動推進整合在一個小型封裝中，那就是兩全其美。」麻省理工學院航空航太學系（AeroAstro）前博士後研究員 Amelia Bruno 表示。「這為小型衛星開啟了更多進行科學研究、觀測和有趣任務的可能性，而且都在更小、更便宜的平台上實現。」
Bruno 是發表在《推進與動力學期刊》（Journal of Propulsion and Power）上的一項新研究的主要作者。該研究證明，美國空軍最初為化學推進開發的一種「綠色單推進劑」，也能成功驅動稱為電噴霧推進器（electrospray thrusters）的微型電動推進器。
結合化學與電動太空推進
電噴霧推進器是微小的火箭引擎，大小約為一角硬幣。它們利用電場為液體推進劑中的粒子充電，然後將這些粒子噴射到太空中，產生推力。
這些推進器非常節省燃料，非常適合進行漸進式、精確的機動。例如，它們可以在消耗極少燃料的情況下，緩慢地推動太空飛行器進行長距離的行星際旅行。
化學推進器則有不同的用途。它們能提供強大的推力爆發，讓太空飛行器能夠快速加速、減速、爬升、下降或改變位置。
透過識別一種能夠同時驅動這兩種系統的推進劑，麻省理工學院的研究人員相信他們可以顯著擴展小型衛星的能力。
該團隊目前正與美國國家航空暨太空總署（NASA）合作進行「綠色推進雙模式任務」（Green Propulsion Dual Mode mission），這是一顆手提箱大小的立方衛星（CubeSat），配備了一個化學推進器和四個電噴霧推進器。所有這些推進器都將從單一燃料箱獲取燃料。該任務將是首次嘗試在小型太空飛行器上測試這種雙模式推進系統。
如果成功，這項技術將有助於小型衛星深入地球軌道之外。
「我們可以將立方衛星發送到火星，或小行星帶，在那裡它們可以緩慢地進行旅程，使用電噴霧推進器。」研究共同作者、麻省理工學院航空航太學教授 Miguel Alemán Velasco 說。「然後，你可以使用你的化學推進器快速移動，去觀察有趣的特徵。你將有更大的靈活性來做更多的事情。」
Lozano 的實驗室開發、製造和測試各種尺寸的衛星電噴霧推進系統，從午餐盒大小到小型登機箱大小的衛星都有。
與大型太空飛行器相比，這些小型衛星的發射成本要低得多。然而，它們較小的尺寸需要同樣緊湊的推進系統。
電噴霧推進器非常符合這一要求。Lozano 實驗室製造的裝置大約只有指甲大小。每個推進器都位於一個裝有離子液體推進劑的儲存槽上方。當連接到電池時，會對液體中的離子施加電荷。然後，這些帶電粒子會通過推進器上的微小開口被排出，產生推力。
在過去十年中，Lozano 的團隊在不同的操作條件和各種離子液體燃料下測試了無數的設計。
「離子液體非常穩定，甚至可以在太空中保持液態，這點很多材料都做不到。」Bruno 說。「它基本上是一片離子海洋，這就是為什麼我們圍繞它建立我們的技術，以便我們可以將這些離子拉出到電噴霧中。」
麻省理工學院的研究人員還與美國空軍合作，後者開發了一種名為「先進太空飛行器高能無毒推進劑」（Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic propellant，ASCENT）的新型離子液體燃料。該推進劑最初是為化學推進系統設計的。
ASCENT 是作為聯氨（hydrazine）的一種更安全的替代品而創建的，聯氨是傳統上用於許多太空飛行器推進系統的高度有毒燃料。
「ASCENT 恰好是一種離子液體混合物。」Bruno 說。「我們就想，嘿，這正是我們通常使用的東西。理論上，這應該可行。讓我們來弄清楚如何做到。」
在電噴霧推進器中測試 ASCENT
為了評估這種燃料，Bruno、Lozano 和前麻省理工學院研究生 Matthew Corrado 進行了一系列實驗，使用由 ASCENT 驅動的電噴霧推進器。
每個推進器都連接到一個約為樂高積木大小的立方體儲存槽。研究人員在每個儲存槽中裝入一克的 ASCENT，這是一種黏度與嬰兒油相似的液體。
推進器安裝在一個立方衛星的相對兩側，該立方衛星放置在一個稱為 MagLev 的客製化磁懸浮測試平台上。該裝置位於一個大型真空室內，可以重現類似太空的條件。
在測試過程中，研究人員遠端改變了供應給推進器的電壓。產生的電噴霧產生了足夠的力，使立方衛星像一個漂浮的陀螺一樣旋轉。
透過測量產生的推力並連續運行推進器長達 100 小時，該團隊能夠評估燃料的性能和效率。
結果顯示，ASCENT 成功驅動了電噴霧推進器。該燃料在推力方面與傳統用於電動推進系統的離子液體推進劑的性能相當。
「與我們平常使用的電噴霧推進劑相比，ASCENT 在推力方面可以提供相似的性能。」Bruno 說。「既然我們知道我們的推進器與 ASCENT 兼容，我們就可以開始思考如何讓它們變得更好。」
NASA 任務將在太空中測試共用燃料箱
由於 ASCENT 現已證明能夠同時支持化學和電動推進，研究人員設想未來的太空飛行器將攜帶單一燃料箱來驅動這兩種系統。
這個概念將很快透過 NASA 的「綠色推進雙模式任務」進行首次實際測試，該任務預計於 11 月發射。
「這將是第一艘衛星擁有共用推進劑箱。」Lozano 說。
除了深空探索，這項技術還可以改善近地任務。Lozano 指出天氣和氣候監測是一個潛在的應用領域。
「假設有一場風暴即將來臨，你希望部署你的小型衛星星座來觀測一個特定地點。」他說。「你可以根據觀測的性質選擇快速或緩慢地派遣它們。而唯一能做到這一點的方法是擁有兩個推進系統，這現在已經成為可能。」
