微納衛(wèi)星新型動力系統(tǒng)研究進展

郭明坤，夏廣慶，韓亞杰，范益朋，關思琦

（1.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學遼寧省空天飛行器前沿技術重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

微納衛(wèi)星指采用現(xiàn)代技術、微電子技術、機械技術等設計制造的具有高性價比的現(xiàn)代微小衛(wèi)星。國際上通常以質(zhì)量來劃分衛(wèi)星，微衛(wèi)星的質(zhì)量一般在10～100 kg，納衛(wèi)星的質(zhì)量一般在1～10 kg。微納衛(wèi)星是具有明確用途的新一代衛(wèi)星，其主要特點為質(zhì)量小、體積小、制造發(fā)射成本低、功能針對性強。早期的微納衛(wèi)星一般無控軌要求，但隨著衛(wèi)星技術的發(fā)展，微納衛(wèi)星在性能以及用途上有了極大的提升。微納衛(wèi)星可以通過組網(wǎng)編隊，完成與大衛(wèi)星幾乎相同的任務。因此，國際上對于微納衛(wèi)星軌道控制的期望與要求越來越高。

受于自身體積與質(zhì)量限制，微納衛(wèi)星無法使用大型的推進系統(tǒng)，通常只具備姿態(tài)控制能力，無法進行軌道調(diào)整。因此，微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)的研發(fā)受到了廣泛關注。微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)應具有比沖高、使用壽命長等特點。微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)可以延長衛(wèi)星使用壽命，極大提高微納衛(wèi)星的應用價值。按照工作原理，微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)可以大致分為如下兩類：①壓力加速式推力器，包括化學微推進、冷氣推進、新型電熱推進等，其特點為推力較大，推力調(diào)節(jié)范圍較大。然而壓力加速式推力器的比沖及總沖較低，難以維持長周期的工作任務。②靜電加速式推力器，包括微陰極電弧推力器、場致發(fā)射電推力器、離子液體推力器等。相較于壓力加速式推力器，靜電加速式推力器的比沖以及總沖得到大幅提高，但推力相對較低。此外，經(jīng)過近幾年的技術革新，出現(xiàn)了太陽帆推進、磁場帆推進、石墨烯推進等新型推進技術，該技術正處于發(fā)展階段，未來有一定的應用前景。

目前對微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)的研究已經(jīng)形成一種趨勢，100 W 以內(nèi)的小功率電推力器受到了各國高校和科研院所的關注。英國SSTL 公司于2000年6 月發(fā)射世界上第一顆帶有微推進系統(tǒng)的衛(wèi)星，采用丁烷動力推進系統(tǒng)。美國于2007 年3 月9 日發(fā)射FalconSat-3 重力梯度衛(wèi)星，搭載微型脈沖等離子體推進系統(tǒng)（MPACS）[1]；于2015 年5 月20 日發(fā) 射BRICSat-P 立方星，采用微陰極電弧推力器（uCAT）[2]。國內(nèi)對于微推進系統(tǒng)的研究尚處于起步階段：蘭州510 所于2016 年研制LPPT-5 電推進系統(tǒng)，用于12U 立方星的推進；上海801 所[3]與中科院力學所[4]開展了場致發(fā)射電推進方面的研究；北京航空航天大學針對膠體推進技術進行了相關研究[5]。

1 新型靜電式微推力器

1.1 自中和射頻離子推力器

在傳統(tǒng)的柵極離子推力器中，為了防止衛(wèi)星積累電荷，需要使噴射到空間中的羽流呈電中性。為此，推力器需要配備專門的離子中和器。中和器在一定程度上影響了推力器的壽命、體積大小、總質(zhì)量以及結構復雜度。

美國的ThrustMe 公司聯(lián)合等離子體物理研究所開發(fā)出一套電推進系統(tǒng)[6]，將其命名為“Neptune”。其搭載平臺為1U 立方星（邊長10 cm，質(zhì)量1 kg）。該電推進系統(tǒng)的主要特點為產(chǎn)生的粒子束流組成為電子和正離子，因此，束流可以實現(xiàn)自中和，無需采用中和裝置。

如圖1 所示，推力器的引出柵極由射頻電源供電。離子和電子對于振蕩場的響應時間不同，分別于不同的時間點被引出。此過程會產(chǎn)生自偏壓效應，對鞘層電壓進行一定程度的矯正。離子被引出之后，被加速柵極加速并從尾部噴出，產(chǎn)生推力。與此同時，當?shù)入x子體電勢值接近零時，由于電場的改變，大量電子會被引出，并經(jīng)由柵極板加速噴出。在整個過程中，為保證系統(tǒng)內(nèi)不存在直流電流，推力器內(nèi)配有隔直裝置，保護系統(tǒng)安全。最終在單位時間內(nèi)，電子和離子的提取引出量大致相等。推力器工作時，系統(tǒng)內(nèi)的等離子體束流由連續(xù)交替加速的離子和電子組成，這種束流可以自行中和。因此，該推進系統(tǒng)無需額外的中和裝置，極大地減小了推力器的體積和質(zhì)量。自中和射頻離子推力器性能參數(shù)見表1。

圖1 自中和射頻離子推力器結構示意圖Fig.1 Illustration of the self-neutralization radio frequency ion thruster

表1 自中和射頻離子推力器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of the self-neutralization radio frequency ion thruster

1.2 離子液體推力器

離子液體推力器是一種新型的微牛級推力器，從屬于膠體推力器。膠體推力器通常采用電離液作為推進劑，利用施加在發(fā)射尖端上的高壓電場，將工質(zhì)離子化并加速噴出，以此產(chǎn)生推力。離子液體推力器采用離子液體作為推進工質(zhì)。離子液體是一種近10 年來被廣泛使用和研究的新型物質(zhì)，其正負離子以范德華力或者氫鍵相結合，具有無毒、無泄漏問題、貯存時間長等優(yōu)勢。

離子推力器作為一種靜電式電推力器，其工作基于靜電噴射原理，在外加電場作用下，帶電粒子從離子液體工質(zhì)中被引出，并在同一電場的作用下加速噴射，產(chǎn)生推力，如圖2 所示。

圖2 離子液體推力器結構示意圖Fig.2 Illustration of the ionic liquid thruster

離子液體推力器設計的關鍵是電噴霧源的設計。導電液體在強電場作用下，發(fā)射出帶電粒子，這種現(xiàn)象被稱作電噴霧。受到垂直于液面的強電場作用，導電液體的液面一般呈現(xiàn)錐形。液體自身物理性質(zhì)、液體流速、施加電壓的大小等參數(shù)都會對液面形狀產(chǎn)生影響。同時，不同的液面形狀可以表現(xiàn)出電噴霧源工作模式的不同。Cloupeau 等[7]將電噴霧的工作模式依照形態(tài)特征與生成方式劃分為滴落、微滴滴落、錐-噴流、簡單噴流和分叉噴流，其中，錐-噴流為通常情況下膠體電推力器的工作方式。在電噴霧發(fā)生時，液面會呈現(xiàn)一個圓錐形，并維持該形狀[8]。當電場強度超過某一閾值時，圓錐型液面尖端處會延伸產(chǎn)生噴流，噴流在維持一定的長度后碎裂為液滴，形成射流。

作為一種新型的微推力器，離子液體推力器具有獨特的優(yōu)勢。離子液體工質(zhì)主要以氫鍵或者范德華力結合，因此，在工質(zhì)產(chǎn)生離子的過程中相較于傳統(tǒng)方式能量消耗較小。同時離子液體推力器相比普通膠體推力器，更容易達到純離子發(fā)射模式（Purely Ionic Regime，PIR），使得比沖更高，推進劑的利用率更大，而且推力更小，能夠達到更小的脈沖沖量，對微納衛(wèi)星進行更精確的姿態(tài)和軌道控制。另外，離子液體推力器同樣采用自中和的方式中和離子，推力器無需中和器，可減小結構質(zhì)量，延長推力器的使用壽命。

2 新型電熱式推力器

電熱式氣體推力器的雛形是冷氣推力器（Cold Gas Thruster，CGT）。冷氣推力器通過釋放貯存的高壓氣體來產(chǎn)生推力[9]。針對冷氣推力器的研究始于20 世紀，冷氣推力器具有結構簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點[10]，其在衛(wèi)星發(fā)展初期得到了廣泛應用。然而隨著靜電式電推力器的發(fā)展，冷氣推力器比沖低的問題也逐漸暴露出來。伴隨著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的發(fā)展，電熱式氣體推力器應運而生。目前針對電熱式推力器的研究主要有4 個方向：電阻加熱式推力器（Resistojet）、電弧加熱式推力器（Arcjet）、微波電熱式推力器（Microwave Electrothermal Thruster，MET）、射頻電熱式推力器（Radio-Frequency Electrothermal Thruster，RFET）。電阻加熱式推力器出現(xiàn)較早，工質(zhì)氣體分子通過電熱元件或者電熱通道獲得能量，經(jīng)噴嘴噴出產(chǎn)生推力。電弧加熱式推力器工作原理與電阻加熱式推力器類似，不同的是電弧加熱式推力器通過極板間產(chǎn)生的高壓電弧加熱工質(zhì)氣體。此外，等離子體放電同樣可以應用于工質(zhì)氣體的加熱。微波電熱式推力器、射頻電熱式推力器分別通過微波源和射頻源激發(fā)放電腔內(nèi)等離子體放電，產(chǎn)生能量加熱腔內(nèi)氣體。4 種推力器性能參數(shù)見表2。

表2 典型電熱式推力器性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of typical electrothermal thrusters

2.1 毛細管型脈沖等離子體推力器

目前，針對傳統(tǒng)電磁型脈沖等離子體推力器的研究已經(jīng)開展了數(shù)十年，具有極高的技術成熟度。推力器的效率、比沖等重要參數(shù)已經(jīng)接近理論極限，可供優(yōu)化改進的空間較小。毛細管脈沖等離子體推力器改變了傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器通過電磁加速離子的工作模式，以電弧熱加速等離子體為主，獲得了良好的預期效果[21]。圖3 和圖4 分別為傳統(tǒng)等離子體和毛細管型脈沖等離子體的結構示意圖。

圖3 傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器結構示意圖Fig.3 Illustration of the traditional pulsed plasma thruster

圖4 毛細管型脈沖等離子體推力器結構示意圖Fig.4 Illustration of the capillary pulsed plasma thruster

傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器工作時，火花塞點燃，腔體內(nèi)產(chǎn)生少量粒子。粒子與特氟龍工質(zhì)表面碰撞，燒蝕出一定量的粒子，其中帶電離子在強電場作用下向兩極移動，進一步燒蝕工質(zhì)表面。兩極之間等離子體區(qū)域增加，最終與極板、電容器共同構成閉合回路。等離子體受洛侖茲力加速噴出，產(chǎn)生推力。毛細管型脈沖等離子推力器同樣通過火花塞激發(fā)放電，燒蝕工質(zhì)。與傳統(tǒng)型不同的是，毛細管型工質(zhì)結構可以控制和穩(wěn)定腔體內(nèi)的高壓電弧[22]。毛細管壁通常采用易消融的材料制作，利用器壁的消融燒蝕過程來冷卻電?。ˋblation Controlled Arc，ACA）。同時消融產(chǎn)物會繼續(xù)被加熱，形成新的等離子體，以補充噴口外流損失，電熱式脈沖等離子體加速方式對中性粒子和帶電粒子均有加速效果，有效地提高了推力器效率。典型毛細管型脈沖等離子推力器性能參數(shù)見表3。

表3 典型毛細管型脈沖等離子推力器性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of the capillary pulsed plasma thruster

2.2 射頻電熱式推力器

澳大利亞國立大學設立了一款1U 立方星，其直徑為10 cm，質(zhì)量約為1.33 kg。衛(wèi)星采用射頻電熱式推進系統(tǒng)，名為“Pocket Rocket”。該推力器的工作模式為非對稱式容性耦合等離子體放電。容性耦合放電過程中，等離子體鞘層的電勢將以與外加射頻電源相同的頻率發(fā)生振蕩，振蕩過程中鞘層將以感應無碰撞的形式加熱并發(fā)射高能電子，將能量注入等離子區(qū)域。非對稱式結構則會產(chǎn)生自偏壓效應，對等離子體鞘層進行一定程度的矯正，并伴有二次電子發(fā)射效應[26]。

如圖5 所示，推力器主體為一段氧化鋁管，管中間處繞有射頻電極，激發(fā)放電腔中工質(zhì)產(chǎn)生等離子體。工質(zhì)氣體經(jīng)由上游進氣口進入儲氣室，于放電腔中加熱膨脹，最終從下游噴出產(chǎn)生推力。推力器工作時，放電腔體內(nèi)存在兩種加熱作用，體加熱以及壁面加熱。體加熱是指等離子體中離子與中性氣體碰撞加熱整個放電腔區(qū)域的氣體。與此同時，由于等離子體中和等效應的作用，工作時壁面溫度會升高。壁面通過熱交換加熱腔體氣體，該過程稱為壁面加熱。實驗表明，兩種加熱過程對腔體內(nèi)氣體的作用程度近乎相同。射頻電熱式推力器性能參數(shù)見表4。

圖5 射頻電熱式推力器結構示意圖Fig.5 Illustration of the radio frequency electrothermal thruster

表4 射頻電熱式推力器性能參數(shù)Tab.4 Performance parameters of the radio frequency electrothermal thruster

3 新興推進技術

3.1 石墨烯光驅動

一直以來，大規(guī)模直接光驅動都是一個難點，以現(xiàn)有的技術水平，難以投入實際使用。石墨烯材料在結構和功能上都具有獨特性，其能夠吸收各種波長的光，并發(fā)射高能電子，產(chǎn)生推力。單個石墨烯單元具有良好的光學性能，目前在小空間尺度上，通過光照射已經(jīng)可以實現(xiàn)石墨烯片在毫米量級的水平移動和旋轉。如果能成功實現(xiàn)石墨烯材料的宏觀堆疊集成，并在宏觀尺度上進行必要的光學操作，就有希望實現(xiàn)大規(guī)模直接光驅動。

石墨烯海綿是一種三維交聯(lián)單片石墨烯材料，在形成過程中，單片石墨烯材料主要通過位于邊緣的氧官能團之間的反應形成共價鍵結合在一起。材料采用特殊方法合成，需要惰性環(huán)境下的高溫熱處理[27]。石墨烯材料合成時，如何在堆疊后仍保持其單層的固有屬性是一個難點。但按照一定的方式組合成后，材料不僅可以保持單層的固有屬性，并且可以將這種屬性于宏觀尺度上體現(xiàn)出來。

石墨烯海綿可以看作是單個石墨烯材料的總和，但石墨烯材料之間并沒有強大的耦合特性。換言之，在石墨烯海綿中，單個石墨烯的狄拉克帶結構得到了很好的保持，維持了其固有屬性。

石墨烯海綿產(chǎn)生推力原理如圖6 所示。由于結構的特殊性，石墨烯海綿能夠有效地吸收各種波長的光，在熱電子的激發(fā)下達到粒子數(shù)反轉的狀態(tài)，并噴射電子。電子沿各個方向隨機噴射，其中一些會被周圍的石墨烯海綿吸收，一些會產(chǎn)生相互抵消的力。沿著激光光束擴散的相反方向噴射的電子會產(chǎn)生推進力，并且沿激光光束方向推動。

圖6 石墨烯推力原理示意圖Fig.6 Illustration of the graphene thrust

實驗證明了宏觀的石墨烯材料制成的推力器能夠被數(shù)瓦功率的激光直接推進。同樣太陽光也可通過這種新機制推進物體，并通過增大光照強度和光照面積來增大推力。通過可調(diào)節(jié)的激光陣列，該項技術可以應用在航天器上，以光照為能源，實現(xiàn)航天器姿態(tài)控制以及軌道調(diào)整甚至長距離運輸任務。

3.2 碳納米管陣列推力器

碳 納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種結構特殊的一維納米材料。碳納米管具有一些優(yōu)秀的特性，擁有巨大的潛在應用前景。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有優(yōu)異的場致發(fā)射性能。場致發(fā)射是指在金屬或者半導體表面施加高強度電場，通過隧道效應使電子進入真空中形成電子注，見表5。相較于傳統(tǒng)的熱發(fā)射陰極系統(tǒng)，場致發(fā)射具有功耗低、電流密度大、尺寸小、效率高等優(yōu)勢，是一種理想的新型真空電子發(fā)射源。因為高長徑比以及納米尖端的獨特物理性質(zhì)，碳納米管逐漸取締了傳統(tǒng)的金屬陰極材料，被研究人員應用于制作場致發(fā)射陰極的主要材料。為了在相對較低的電場下達到滿足電子發(fā)射的條件，一般將碳納米管加工成微型尖端陣列結構，通過原子級尖端的局部增強作用來獲得局部高電壓。碳納米管場致發(fā)射陰極陣列具有開啟電壓小、電流密度大、工作環(huán)境真空度要求較低等優(yōu)點，在場致發(fā)射領域的應用十分廣泛。

表5 常用陰極發(fā)射性能對比［28］Tab.5 Comparison of cathode field emission［28］

目前碳納米管在微推進領域的應用前景大致有3 個方面：

1）雙柵極電離裝置

碳納米管電離裝置的主要特點為激發(fā)電壓小、產(chǎn)生電流大，適于用作微推力器的離子源[29]。如圖7所示，Chen 等[30]設計了雙柵極結構碳納米管陣列。該陣列能夠以兩種不同的電離模式工作，以適應不同的工況要求。

圖7 雙柵極結構碳納米管Fig.7 Carbon nanotube with dual grid

碳納米管具有優(yōu)異的場致發(fā)射性能，因此，雙柵極結構碳納米管的工作模式可以采用電子轟擊電 離（Electron Impact Ionization，EII）。如 圖8 所示，碳納米管作為電子源，場致發(fā)射產(chǎn)生一定量的電子。第一柵極稱為門柵極或者提取柵極，作用為輸引電子到達下一區(qū)域。第二柵極為聚焦柵極，聚焦電子束流。電子于電離區(qū)域內(nèi)與中性氣體碰撞，激發(fā)氣體電離，離子經(jīng)由上方柵極引出。此外由于第二柵極相較陽極具有較低的電勢，小部分的離子回流會由其引走，從而保護碳納米管尖端免于受到離子的轟擊。

圖8 碳納米管陣列電子轟擊電離原理示意圖Fig.8 Carbon nanotube array operated as a field emitted electron

雙柵極結構碳納米管的另一種工作模式為場電離（Field Ionization，F(xiàn)I），工作原理類似于場致發(fā)射電推力器。如圖9 所示，系統(tǒng)工作時，碳納米管與提取柵極之間會形成高電勢差。與此同時，碳納米管尖端附近會存在高壓電場[31-32]。在兩者共同作用下，電離區(qū)到碳納米管尖端之間形成電子通道，中性氣體發(fā)生電離，離子由上部提取柵極引出。相較于電子轟擊電離模式，場電離模式無法有效避免離子對于碳納米管尖端的轟擊腐蝕。與之相對，電子轟擊電離模式中電子轟擊過程會產(chǎn)生一些碎裂產(chǎn)物，場電離模式則能減少這些產(chǎn)物對系統(tǒng)的影響。

圖9 碳納米管陣列場電離原理示意圖Fig.9 Carbon nanotube array operated as a field ionizer

2）場致發(fā)射中和器

場致發(fā)射中和器目前已經(jīng)成為研究熱點，各個國家都進行了長時間的研究與開發(fā)。近些年，各國對于陰極場致發(fā)射陣列的研究已經(jīng)取得一定突破，并成功應用于部分電推進中和器[33]。常規(guī)離子推力器的中和器所需工質(zhì)約為總工質(zhì)的10%，碳納米管場致發(fā)射中和器最大的特點就是在啟動和持續(xù)工作過程中不需要額外工質(zhì)，且能源消耗低[33]，可以在一定程度上提升系統(tǒng)的比沖。碳納米管場致發(fā)射中和器體積較小，并且不需要配備工質(zhì)貯箱或閥門等附帶裝置，適用于小型或微型電推進系統(tǒng)。

如圖10 所示，Singh 等[34]研制出一種碳納米管場致發(fā)射中和器，并成功應用于霍爾推力器中。研究人員對中和器中碳納米管場致發(fā)射部分進行了設計改進，該結構的特點為門柵極與導電基底之間存在一層絕緣隔離層，可有效增加結構內(nèi)的電場強度，從而增加電流密度。同時，研究人員采用特殊工藝進行碳納米管的合成如圖11 所示，化學刻蝕浸入到了導電基底內(nèi)部[35]。相較于傳統(tǒng)的碳納米管基底外側生長，較深的基底刻蝕給予了碳納米管足夠的生長空間。因此，碳納米管長度會更加均勻，碳納米管與門柵極之間的接觸短路問題也可以得到有效解決。

圖10 碳納米管場致發(fā)射中和器實物圖Fig.10 Carbon nanotube neutralizer

3）生成壓力波產(chǎn)生推力

碳納米管具有優(yōu)秀的導電性以及導熱性。如圖12 所示，在碳納米管外層燃燒燃料，碳納米管會傳導熱力波并激發(fā)內(nèi)部電子移動產(chǎn)生脈沖。這種反應會產(chǎn)生一種各向異性的壓力波，產(chǎn)生的比沖約為300 s。如果能將壓力波轉化為推力，就可以設計出一種新型高比沖推力器[36]。

4 發(fā)展建議

如今微納衛(wèi)星種類繁多，質(zhì)量從幾千克到幾十千克，功率從幾瓦到幾百瓦，任務需求也日益多樣化。微納衛(wèi)星典型任務及參數(shù)要求見表6。微納衛(wèi)星獲得國際上高度重視，其配套的微推進系統(tǒng)也得到了迅速發(fā)展。不同于傳統(tǒng)的航天推進技術，微納衛(wèi)星推進系統(tǒng)對于總沖、功耗、調(diào)節(jié)精度等參數(shù)提出了更高的要求。同時，基于微納衛(wèi)星本身大規(guī)模組網(wǎng)工作的特點——低成本、小質(zhì)量、小體積，其也是微納衛(wèi)星未來主要的優(yōu)化設計方向。目前尚未獲得一種有效的解決方案可以適應所有要求，紛繁復雜的推進任務需要多種不同的推進方式共同發(fā)展。

模塊化也是微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)的一個重要發(fā)展趨勢。模塊化是指將推力器加工成同一規(guī)格的模塊，多模塊共同工作，通過選取多種排布方式，組建形成不同的推力器工作模式，以適應各類飛行任務的需求。美國麻省理工學院推力器模塊如圖13所示。

圖11 霍爾推力器中和器碳納米管陣列工藝流程Fig.11 The technological process of carbon nanotube neutralizer in Hall thruster

圖12 碳納米管熱波推力器原理示意圖Fig.12 Illustration of the carbon nanotube thermal thrust

表6 微納衛(wèi)星典型任務參數(shù)Tab.6 Parameters of typical missions of micro-nano satellite

對于微推進系統(tǒng)的研發(fā)制造，有幾項關鍵技術需要重點關注：

1）結構工藝

新型微推進系統(tǒng)中的核心部件往往加工難度較大，例如離子液體推力器中的發(fā)射極、碳納米管陣列材料等。作為推進系統(tǒng)中的核心部分，這些結構的性能參數(shù)與整個推力系統(tǒng)的性能密切相關。因此，如何加工出高可靠、符合實際要求的部件是研究中的技術難點。目前，國內(nèi)外針對微米量級尺寸部件的主要加工方式大致分為電化學加工、機械加工、激光加工等。隨著技術的成熟，為獲得更高的加工精度，避免類似同種結構的形貌差異過大等問題，采用方法逐漸從可控性相對較差的化學刻蝕過渡到激光加工、電火花切割等更好的選擇。

2）離子束流中和

離子推力器工作時，推力器尾部會噴出高速粒子，其將在電推進系統(tǒng)的周圍形成高電勢，從而對航天器產(chǎn)生一定的危害，影響系統(tǒng)的使用壽命。大型中和器的電子源主要為儲備式空心陰極。其缺點很明顯，工作時需要消耗大量工質(zhì)，在一定程度上增加了電推進系統(tǒng)的體積及質(zhì)量。常見低功率中和器的陰極結構有3 種：低功耗熱陰極、場致發(fā)射陣列陰極、碳納米管陣列陰極。相較而言，熱陰極技術較為成熟，使用壽命較長，但符合條件的陰極種類較少，性能受環(huán)境影響較大。與前者相比，場致發(fā)射陰極的功推比有顯著減小，同時穩(wěn)定性更好。然而陰極陣列的結構復雜，對于微型結構加工工藝要求極高。碳納米管陣列中和器是一種新型中和技術，各項性能均較佳，目前存在的主要問題為電子發(fā)射集中性較差。開發(fā)出新型低功率、小體積的電子源，或者設計出可以自行中和離子束流的推進系統(tǒng)，是電推進系統(tǒng)小型化的一個主要研究方向。

3）新技術交叉融合

微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)提出了新的要求以及側重點，自然需要新興推進技術支持。不同于傳統(tǒng)的工質(zhì)處理、工質(zhì)加速、工質(zhì)排出的工作方式，一些新興的推進方式逐漸提出。例如石墨烯光推進、碳納米管壓力波推進以及基于太陽系內(nèi)太陽風強度的太陽帆推進和磁場帆推進等。目前，石墨烯光推進、碳納米管壓力波、磁場帆推進已經(jīng)完成概念設想，正處于方案設計階段；太陽帆推進已實現(xiàn)在近地軌道飛行實驗以及空間探測器上的應用。

5 結束語

小型化、低成本化是空間飛行器未來主要的發(fā)展方向之一，因此，針對微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)的研發(fā)具有廣闊的應用前景。目前我國對于微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)的研發(fā)正處于起步階段，與國外仍存在一定的差距。因此，需要把握微納衛(wèi)星動力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，全方面調(diào)研，開展針對性技術攻關。相信在不遠的將來，我國微推進系統(tǒng)技術會更加成熟，為微納衛(wèi)星的平臺組建提供高效可靠的動力方案。