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)。
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。
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。
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。
审核编辑:彭菁
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原文标题:欧空局推出硬币大小的MEMS火箭推进器
文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
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