基于微机电系统技术的微推进器发展简析

姚保寅 李辉 许红英 孙棕檀 （中国航天系统科学与工程研究院）



基于微机电系统技术的微推进器发展简析

姚保寅 李辉 许红英 孙棕檀 （中国航天系统科学与工程研究院）

Development of MEMS Micro Thruster

1　发展需求

随着微小卫星技术的发展和应用领域的不断扩大，对微推进系统提出了越来越迫切的需求。由于微小卫星具有体积小、质量轻、转动惯量小等特点，为精确实现其轨道调整、引力补偿、位置保持、轨道机动和姿态控制等操作，必须开发出具有高集成度、低功耗、小推力和微冲量等特点的微推进器。传统微电推进、微冷气推进和微激光等离子体推进等方式因体积和质量过于庞大而不再适用，而以微机电系统技术为基础的新型微推进器既可满足要求，又可显著降低量产成本，成为各航天大国的研究热点。

2　微推进器的分类

微推进器主要分为电推进和化学推进两大类。电推进式又分为电热式、电磁式和静电式：电热式主要有电弧电热式推进器和电阻电热式推进器，静电式主要有场效应离子推进器（FEEP）和胶体推进器，电磁式主要有微型脉冲等离子推进器（µPPT）等。化学推进式主要有液体化学推进器和固体化学推进器。

电磁式微推进器

电磁式微推进器主要指微型脉冲等离子推进器。该推进系统由固体推进剂棒、推进剂供给弹簧、电火花发生器和阴、阳电极组成，推进剂为特氟龙（Teflon）、聚丙烯等。工作原理是电路给电容充电至足够高的电压（约2kV），闭合晶闸管开关，阴极棒和阳极套筒之间高压放电，产生高温热流使推进剂前端暴露部分分解，分解后的气体被电离，在很薄的电离层内的自身磁压和气体动压的共同作用下，气体被加速喷射，产生推力。该微推进器技术比较成熟，但其结构较复杂，微型化较困难。

2013年5月，欧盟“液体微脉冲等离子推进器”（L-PPT）项目取得关键进展，首个原型推进器的所有部件（推进剂、阀门、电子控制、推进器和推进器底座）都已准备就绪，将送往波兰等离子体物理和激光微聚变研究所（IPPLM）实验室中的真空腔进行测试。该项目的目标是利用先进的微机电系统技术开发出以液态推进剂为基础的新型微型脉冲等离子推进器系统，以提供更大的比冲、更精确的推进控制和实现推进剂的无害化。

静电式微机电系统微推进器

静电式微推进器分为场效应离子推进器和胶体推进器，两者均由发射器、加速电极以及中和器组成，区别是场效应离子推进器的工作介质为铯或铟等液态金属，而胶体推进器的工作介质为甘油、碘化钠等电解液。在工作时，带电金属离子在强电场作用下加速运动，从发射器出口喷出产生推力。中和器发射电子束，中和喷出的带电金属离子，降低羽流污染。两者的优点是比冲非常高，且推力极小而精确，容易控制。通过引入微机电系统技术，可有效克服其体积大、工作电压高、电源与控制系统复杂等缺点。

2012年，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）在欧盟“微推进器”项目的支持下联合欧洲四国的研究团队成功为1～100kg小卫星研制出质量仅有200g、推力达到100µN的胶体推进器。每个推进器含有多个发射推进剂用的微机械毛细管。洛桑联邦理工学院实现了19个微机械毛细管和提取电极的集成。

固体化学微推进器

化学微推进器的工作原理为推进剂在燃烧室内燃烧，产生高温、高压燃气，并通过喷嘴以高速气流向后喷出，从而产生反作用推力。根据推进剂的物理状态分为液体化学微推进器和固体化学微推进器。而固体化学微推进器中不需液体化学微推进器结构中的管路、阀门等器件，具有结构简单、功耗低、无可动部件、集成度高、可靠性好等优点，成为化学微推进器的发展重点。固体化学微推进器的结构通常为三明治结构：底层为点火电路，中层为燃烧室和推进剂储腔，顶层为喷管层。由于固体推进剂属于一次性点火消耗，故需要采用推进阵列的设计形式来解决多次点火启动的问题。利用微机电系统工艺在同一个基片上制作出一系列的微推进单元，底部点火电路具有逻辑寻址功能，可以一定的逻辑功能产生推力，对小卫星的姿态连续地进行精确微调，实现“数字式”的推力控制。

2012年，欧洲航天局（ESA）为推进固体化学微推进器的发展能达到与电推进器同样的性能，在欧盟第七框架协议下启动了为期2年的“可实现宇宙探索用高效和精确控制的化学微推进器”（PRECISE）项目，重点研究基于MEMS的单一组分推进剂微化学推进系统（µCPS），提高关键组件的效率和可靠性，并要求达到技术成熟度的第五级。目前，该项目已研究出推进剂微化学推进系统，将在仿真的宇航空间环境中进行测试。

3　微推进器发展现状

由于微型推进器在航空航天领域有广泛的应用前景，所以一直为美国、欧洲和俄罗斯等国家和地区所重视。这些国家一方面通过积极将微机电系统技术引入传统电磁式和静电式微推进器的设计和制造中，一方面努力探索新型固体化学微推进器的发展。

推进剂微化学推进系统实物图

美国对微推进器的研究起步较早

真正意义上的微推进器最早出现于1992年，由美国宇航公司（Aerospace）研发完成。1997年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动了“数字微推进”项目，美国汤普森·拉莫·伍尔德里奇公司（TRW）在该项目的支持下，研制出“数字推进”型固态化学微推进器，成为固态化学微推进器的标准结构。随后，美国空军研究实验室（AFRL）、美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）、麻省理工学院（MIT）、霍尼韦尔（Honeywell）公司等机构和单位也陆续加入到多种微推进器的研究中，如美国空军研究实验室曾研制出用于微纳型卫星编队飞行和特殊姿态控制的质量小于100g的微型脉冲等离子推进器。

目前，美国航空航天局和麻省理工学院仍在开展相关领域的研究。如美国航空航天局于2009年授予美国5所大学63万美元研究微电推进器，麻省理工学院则为立方体卫星（CubeSat）研究离子电喷射推进器。

固态化学微推进器“三明治”结构（左）与实物图（右）

欧盟加大对微推进器的研究力度

在欧洲，欧洲航天局、法国国家科学研究中心系统分析与架构实验室（LAAS-CNRS）、英国萨瑞大学（University of Surrey）也基本与美国同步开展了多项研究。如法国LAAS-CNRS实验室也是对固体化学微推进阵列研究较早的著名实验室之一，他们对经典的“三明治”结构进行了改进，可提供更强大的推力和更长的脉冲时间。目前，与美国相比，欧盟为实现在技术领域的独立自主，在微推进器的研究上投入了更大的气力，在第七框架计划下设立了“微推进器”、“液体微脉冲等离子推进器”和“可实现宇宙探索用高效和精确控制的化学微推进器”等多个项目，分别研究胶体推进器、以液体推进器为基础的新型微型脉冲等离子推进器和基于MEMS单一组分推进剂的固体化学推进系统。其中，“可实现宇宙探索用高效和精确控制的化学微推进器”项目的参研方除了欧洲的公司、大学和研究机构外，还包括俄罗斯的军事工业联合股份公司。

微推进器的集成度和成熟度进一步提升

2013年，美国麻省理工学院研制出立方体卫星用离子电喷射推进器（iEPS）模块。该推进系统通过在强电场的作用下提取和加速推进剂（零蒸汽压的离子液体）和真空界面间的重分子离子来实现，可提供2000～3500s的幅度控制和带有特殊脉冲的推力，体积小于1U立方体卫星的10%～30%，产生的推动力则由携带的推进剂质量所决定，如小于150g的推进剂将可使1U立方体卫星从低地球轨道达到逃逸地球的速度，以及探索行星际空间。在该结构中，推进剂不需要被加压并通过毛细管流出，因此可省略阀门、管道、泵和加压步骤，使得设计变得紧凑，满足立方体卫星的限制和设计要求。麻省理工大学通过使用微机电系统技术实现了最大化集成，突破了硅和包含离子发射结构的微制造多孔金属衬底间的集成这个工艺难点。麻省理工学院的目标是为不同立方体卫星提供不同的集成离子电喷射推进器。如在1U立方体卫星中集成4个推进模块将是提供基础幅度控制和主要推力的最低配置。

4　结束语

微推进器已于1998年首次应用于强力卫星－1（MightySat－1）任务中，2001年在“天蝎座”（Scorpius）亚轨道探测火箭上进行了飞行功能测试。随后，在美国的“21世纪技术卫星”（TechSat21）计划纳卫星编队飞行、绿宝石星座中的纳型卫星轨道保持等试验中也对微推进器做了试验。洛桑联邦理工学院也计划将其研制的推进器首先安装于清理太空垃圾的空间清理－1上。

尽管微推进器有着巨大的应用前景和强烈的需求，并已在部分航天器上进行了试验，但总体上仍处于研发阶段，技术还不成熟，需要进一步研究和试验。未来，MEMS微推进器将继续通过加强在微机电系统制造技术、燃料物理性能、测试等技术上的研究获得快速发展。

王晓宇/本文编辑