基于微機電系統(tǒng)技術(shù)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(xué)與工程研究院）

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基于微機電系統(tǒng)技術(shù)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(xué)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(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小等特點，為精確實現(xiàn)其軌道調(diào)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(zhì)量過于龐大而不再適用，而以微機電系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型微推進器既可滿足要求，又可顯著降低量產(chǎn)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(xué)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(yīng)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(xué)推進式主要有液體化學(xué)推進器和固體化學(xué)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(guān)，陰極棒和陽極套筒之間高壓放電，產(chǎn)生高溫?zé)崃魇雇七M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(nèi)的自身磁壓和氣體動壓的共同作用下，氣體被加速噴射，產(chǎn)生推力。該微推進器技術(shù)比較成熟，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)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(guān)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(zhǔn)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(biāo)是利用先進的微機電系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)出以液態(tài)推進劑為基礎(chǔ)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(yīng)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(yīng)離子推進器的工作介質(zhì)為銫或銦等液態(tài)金屬，而膠體推進器的工作介質(zhì)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(chǎn)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(shù)，可有效克服其體積大、工作電壓高、電源與控制系統(tǒng)復(fù)雜等缺點。

2012年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)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(zhì)量僅有200g、推力達(dá)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(xì)管。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院實現(xiàn)了19個微機械毛細(xì)管和提取電極的集成。

固體化學(xué)微推進器

化學(xué)微推進器的工作原理為推進劑在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)?，并通過噴嘴以高速氣流向后噴出，從而產(chǎn)生反作用推力。根據(jù)推進劑的物理狀態(tài)分為液體化學(xué)微推進器和固體化學(xué)微推進器。而固體化學(xué)微推進器中不需液體化學(xué)微推進器結(jié)構(gòu)中的管路、閥門等器件，具有結(jié)構(gòu)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(xué)微推進器的發(fā)展重點。固體化學(xué)微推進器的結(jié)構(gòu)通常為三明治結(jié)構(gòu)：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(shè)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(chǎn)生推力，對小衛(wèi)星的姿態(tài)連續(xù)地進行精確微調(diào)，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(xué)微推進器的發(fā)展能達(dá)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(xué)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(xué)推進系統(tǒng)（μCPS），提高關(guān)鍵組件的效率和可靠性，并要求達(dá)到技術(shù)成熟度的第五級。目前，該項目已研究出推進劑微化學(xué)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(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(shù)引入傳統(tǒng)電磁式和靜電式微推進器的設(shè)計和制造中，一方面努力探索新型固體化學(xué)微推進器的發(fā)展。

推進劑微化學(xué)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(xué)微推進器，成為固態(tài)化學(xué)微推進器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。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(xué)院（MIT）、霍尼韋爾（Honeywell）公司等機構(gòu)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(zhì)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(xué)院仍在開展相關(guān)領(lǐng)域的研究。如美國航空航天局于2009年授予美國5所大學(xué)63萬美元研究微電推進器，麻省理工學(xué)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(xué)微推進器“三明治”結(jié)構(gòu)（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(xué)研究中心系統(tǒng)分析與架構(gòu)實驗室（LAAS-CNRS）、英國薩瑞大學(xué)（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(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)領(lǐng)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(shè)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(xué)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(chǔ)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(xué)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(xué)微推進器”項目的參研方除了歐洲的公司、大學(xué)和研究機構(gòu)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(xué)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(chǎn)生的推動力則由攜帶的推進劑質(zhì)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(dá)到逃逸地球的速度，以及探索行星際空間。在該結(jié)構(gòu)中，推進劑不需要被加壓并通過毛細(xì)管流出，因此可省略閥門、管道、泵和加壓步驟，使得設(shè)計變得緊湊，滿足立方體衛(wèi)星的限制和設(shè)計要求。麻省理工大學(xué)通過使用微機電系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)了最大化集成，突破了硅和包含離子發(fā)射結(jié)構(gòu)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(xué)院的目標(biāo)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(chǔ)幅度控制和主要推力的最低配置。

4　結(jié)束語

微推進器已于1998年首次應(yīng)用于強力衛(wèi)星－1（MightySat－1）任務(wù)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(jì)技術(shù)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(xué)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(yīng)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(shù)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(shù)、燃料物理性能、測試等技術(shù)上的研究獲得快速發(fā)展。

王曉宇/本文編輯