隨著人造衛星數量的猛增,發射衛星所需的燃料用量也大幅增加。而且,將衛星送入軌道後,科學家們還需要一種動力來確保在必要時能夠移動衛星,比如避開太空垃圾、補償隨時間的增加而出現的阻力、或是在任務結束後使其自行脫離軌道。

當前的標準衛星推進劑是一種基於肼的劇毒燃料,會給人帶來一系列損害肝臟、腎臟和中樞神經系統等的健康問題。因此,所有操作人員都必須採取特殊的防護措施。如果在地面上發生肼洩露,其易爆性還可能造成公共安全風險。

2011年,歐洲化學品管理局(European Chemicals Agency)將肼添加到了「高度關注的物質」列表中,這意味著其使用將很快受到限制。因此,尋找一種安全的新型衛星推進劑也就勢在必行了。

用於立方衛星的單元推進劑

航天器設備製造商NanoAvionics專注於開發超小型衛星技術,包括立方衛星CubeSat,一種由10厘米立方單位的倍數組成的小型衛星,其每單位的重量不超過1.33公斤。據統計,2016年至今小型衛星的發射數量增加了三倍,該公司因而啟動了相關清潔推進劑的研究。

通過名為EPSS的項目,NanoAvionics開發了一種基於二硝酰胺銨(AND,一種由氮、氧和氫組成的化合物)的推進劑,其危害較小並尤其適用於小型衛星。該系統已被集成到一顆衛星上並在運行軌道上進行了演示。

新系統的工作原理是使燃料流經催化劑以進行分解,產生熱量和氣體來推動航天器飛行,這就是所謂的單元推進劑。而其他系統使用的則是二元推進劑,即兩種液體保持分離狀態,並在混合時點火。

研究人員表示,使用二元推進劑會給製造過程帶來風險,因為這兩種物質可能會意外提前接觸並著火。而在單元推進劑中,燃料要經過很長一段過程才能燃燒,相對而言更加穩定。

混合動力系統

由歐洲空中客車公司(Airbus)協調的名為HyproGEO的項目也開發了一種無毒推進系統,其側重點是地球赤道同步軌道上的衛星。這些對地靜止衛星在赤道面上方35,786公里的圓形軌道上運行,猶如停留在地球表面上方的固定點,通常用於通信和廣播。

將衛星送至這一高度並不容易,目前主要由肼基推進劑提供動力。不過,HyproGEO已開發出一種使用過氧化氫的混合動力系統。這種燃料包含98%的過氧化氫,具有高酸性,但其風險低於肼。它能分解成氧氣和水,避免釋放有害氣體。

對地靜止衛星的設計壽命在十年以上,一旦進入軌道後,其推進劑也必須保持同樣強的動力以便操縱衛星。HyproGEO的解決方案是使用混合推進,即讓過氧化氫通過催化劑以產生非常熱的氧氣和水蒸氣。氧氣本身就能提供推力,也可用以點燃另一種物質以增強推力。通過控制氧氣流量,科學家們就能控制發動機推力。

HyproGEO先是開發了使用新推進劑的試驗發動機並獲得了成功,隨後又設計了使用該燃料的火箭發動機。此後,挪威國防公司Nammo使用HyproGEO的混合動力發動機在短短三分鐘內將火箭發射到距地球表面107公里的地方,這是使用傳統推進系統發射亞軌道火箭通常所需的時間。

這些新型推進劑不僅安全、高效,而且廉價。NanoAvionics表示,其EPSS系統的成本大約是使用傳統推進劑的同類系統的三分之一。

不過,混合動力推進系統目前還無法將衛星送入地球赤道同步軌道,這是HyproGEO下一步需設法解決的問題。◇