新卫星发动机可以利用地球大气层无限期地留在轨道上

完全组装的基于射频螺旋的等离子推进器。图片来源：F. Romano 使用大气气体作为燃料的卫星发动机在实验室测试和建模中显示出良好的前景，但其在任务中的性能尚未得到证实。选择卫星轨道需要权衡利弊。极低地球轨道 (VLEO) 距离地球大约 100 至 450 公里（62 至 280 英里），具有多种优势。遥感相机可以捕获更清晰的图像，通信和雷达系统需要更少的功率，大气阻力有助于自然地将不活动的卫星移出轨道。同样的氛围也带来了重大挑战。即使在这些高度，空气阻力也会减慢航天器的速度，因此卫星必须几乎连续地产生推力才能保持在轨道上。传统的推进系统需要机载燃料，通常是昂贵的气体，例如氙气。作为斯图加特大学博士研究的一部分（发表在 arXiv 上），Francesco Romano 探索了一种不同的方法。他的概念使用负责阻力的大气分子作为等离子发动机的燃料，可能允许卫星无限期地保持在 VLEO 中，而无需携带传统的推进剂供应。该技术属于呼吸大气电力推进（ABEP）类别。这些系统收集航天器（或者在某些情况下，导弹）前面的极其稀薄的空气，并将其引导到电动机中。发动机将进入的分子转化为等离子体并将其从后部排出以产生推力。基本思想很简单，但将其转变为实用的推进系统需要解决几个困难的工程问题。原子氧对发动机的侵蚀首先是原子氧（AO）。在高层大气中，紫外线辐射将氧气分解成我们都需要呼吸的腐蚀性单原子气体。众所周知，AO 会氧化、腐蚀金属电极、加速栅，甚至标准霍尔推进器或其他类型离子发动机中使用的阴极。也许最重要的是，AO 会烧毁“电子枪”中使用的阴极，从而中和航天器，这样整个物体就不会带电，而只是将带电粒子吸回自身，从而抵消了它们提供的推力。如果没有这个功能，整个离子推进系统就会失败。设计用于 VLEO 的发动机时的另一个困难是大气本身的变化。它根据昼夜周期、纬度甚至太阳活动而变化。到目前为止，确保发动机能够在所有这些不同的条件下持续运行已被证明是困难的。聚集稀薄空气的镜子为了解决这些问题，罗马诺开发了一种非接触式、无中和剂的射频 (RF) 螺旋等离子体推进器，并将其与优化的大气进气系统配对。我们先来解决进气系统。他实际上尝试了三种不同版本的进气装置，其中一种称为“增强型漏斗设计”，它充当分子陷阱来捕获空气颗粒，这些颗粒分布得很远，永远不会相互碰撞。接下来，他使用了“漫射进气口”，该进气口采用由涂层钛合金制成的紧凑六边形设计。最后，他设计了所谓的“镜面进气口”，这是一种涂有石墨或二氧化硅的抛物面镜，可将颗粒直接弹入发动机。无论是在收集效率还是对准灵敏度方面，明显的赢家是镜面反射吸收。它收集了约 94.3% 的空气颗粒（风洞测试中为 AO、氩气或氮气），并且当倾斜 15° 时，效率仅下降 8%。受 MRI 机器启发，详细了解鸟笼天线。图片来源：F. Romano 不带中和器的等离子喷射器 为了设计推进器，Romano 从医疗设备中寻求灵感。他使用类似于 MRI 中使用的鸟笼天线，成功设计了一种推进器，确保 99% 的输送电力实际进入推进器，这是一个极高的效率阈值，改进了标准线圈，因为标准线圈会因自身电抗而消耗部分功率。缠绕在发动机周围的螺线管会产生一个磁场，将等离子体以准中性射流的形式从后面推出——正离子和负离子都被推出推进器，确保不需要中和剂。测试该系统证明了其可靠性。罗马诺使用真空室有意模拟推进器在该高度会遇到的三种主要气体的 VLEO 大气浓度。该发动机仅用 50-60W 的射频功率即可产生稳定的等离子体流，完全符合传统航天器太阳能电池板的能力。大气燃料能让卫星保持在高空吗？经过实验验证后，他采取了额外的步骤，将推进系统的模型应用到实际的现实用例中。这包括 GOCE 卫星、