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目前，以微小卫星为代表的小型化航天器已成为航天领域重要发展趋势。多达数百颗甚至上千颗的微小卫星星座蓬勃发展，给航天领域带来了新的技术能力，将为太空探索开辟新领域。然而，当前微小卫星小型推进器技术远远落后于电子和传感器技术发展，正成为微小卫星实现大范围应用的一个主要障碍。 微小卫星电推进系统 推进器小型化难题是微小卫星快速发展的主要障碍 当前，国外发射的微小卫星大多数仅能实现自主定向，无法进行主动机动。如果要进行有组织的协调飞行，微小卫星需要高效、可靠的推进器系统，能够在编队内进行连续机动。当前立方星推进系统功率仅在数十瓦至一百瓦之间，推进效率极低，甚至低于10-15％，将消耗大量的推进剂和电力，可能会缩短微小卫星在轨运行和有效载荷寿命。 目前广泛使用的冷气和肼推进系统，在应用于微小卫星后，仅能运行在数十瓦的低功率水平，由于系统表面与体积比极高，喷嘴处水力损失较大，导致比冲极低。该推进器可通过增加电加热措施提高比冲，但也存在结构复杂、效率较低等不足，并且化学推进会带来腐蚀性等问题。因此，尽管当前该技术已经应用在多项空间任务中，但应用优势并不突出。 电推进是微小卫星推进器发展的主要方向 目前，空间推进技术趋势主要朝全电空间推进技术方向发展。国外重点关注的微小卫星电推进技术方向包括以下几种：
微小卫星电推进器发展方向 霍尔型推进器，被公认为是中小型卫星推进系统最有前途的发展方向之一，具有高推力密度和大比冲特点。国外正在重点开发和测试简化构型的圆柱形霍尔推进器。这种新几何构型虽然略微降低了推进效率，但也为实现小型化结构奠定了基础。目前主要由普林斯顿等离子体推进实验室、新加坡空间推进中心（SPCS）等机构开展相关研究。后者提出的混合型霍尔推进器，结合了高性能结构材料、灵活永磁式磁路以及创新的小型阴极技术，在超低功率和推力范围（约10瓦）条件下，实现了创纪录的75%推进效率，并且计划于2019年开展在轨试验。 离子推进器，是另一种主要的微小型电推进技术方向，可以支持卫星主动机动、轨道保持和行星际机动。该技术通过在栅格上施加直流电场加速离子通量，可获得非常高的比冲，但与霍尔推进器相比，需要增设放电室结构，因此推力密度低，小型化能力有限。虽然该技术可通过在栅格中施加更高的加速电压提高推力密度，但可能会导致动力电极和薄绝缘体之间的间隙被电击穿，给系统小型化产生较大影响。此外，由于立方星高度微型化的系统中稳定且安全地产生高电位需要先进的半导体技术，离子推进器技术发展主要依赖于材料技术的进步。目前国外正在积极研究小型化离子推进器，如Busek公司已研制出专用于立方星的微型射频离子推进器，尺寸和功率分别达到1厘米和10瓦。 脉冲和直流推进器，将等离子体作为整体介质进行加速，不存在推力密度低的问题，特别适合作为微推力器，目前已在多个小卫星和立方星任务中实现应用。然而，与霍尔推进和离子推进技术相比，该类电推进器因为金属蒸发、非平衡等离子体电离以及瞬态过程中非平稳放电等问题，存在大量能量损失，功率效率较低。这一特点导致该技术不适用于轨道转移和行星间机动等需要较大速度增量的任务，更适用于姿态调整和轨道保持等小速度增量任务，在高度协同的微小卫星编队飞行任务中具有应用优势。 可印刷阴极电弧推进器，是一类特殊的脉冲推进器，可利用电极间的脉冲电流或直流电流放电，对电极（通常是阴极）反应析出的物质电离、加速和排出产生推力。与传统的脉冲推进器相比，可印刷阴极电弧推进器拥有具备两个或多个同心电极的平面几何构型，通常由金属墨水在柔性聚合物薄膜的电介质晶片上印刷而成。这些推进器直径通常为几毫米，厚度不到1毫米，能够产生极小的推力脉冲，甚至可用于皮卫星等微小卫星的超精确姿态控制。可印刷阴极电弧推进器未来发展重点，是优化推进器几何结构和寻找新型结构材料。英国南安普顿大学最近已研制出尺寸约为5厘米的可印刷阴极电弧推进器。 具有旋转和复杂形状磁场的无电极系统，是电推进系统重点发展方向之一。该技术不涉及等离子体和导电电极之间的电流交换，因此避免了材料加热和腐蚀等方面的功率和材料损耗。该技术推进效率较高，但现在还处于小型化的初始阶段。该技术发展的主要瓶颈是涉及的物理过程异常复杂，缺乏对其有工作机理的深入了解。目前，国外如东京农业大学、新加坡SPCS、澳大利亚国立大学等已经在该技术的主要方向之一——螺旋推进器方面取得了重大进展。 电喷雾推进器，介于微脉冲推进器和可印刷电推进系统之间，主要通过向电喷雾发射器施加静电电压，加快液体推进剂从电喷雾发射器小直径毛细管喷出，进而产生推力。该技术是一类相对成熟的小型化技术，在立方星上拥有较高应用前景，未来可通过采用复杂纳米结构、加入超材料和优化几何形状，实现体积的进一步缩小。该类推进器曾用于欧洲“激光干涉仪空间天线”（LISA Pathfinder）项目。 |
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