南加州大学学生团队荣获AIAA小型卫星学生竞赛第一名

南加州大学Viterbi工程学院的学生设计了一种离子电喷射推进器，有助于填补小型卫星的推进技术缺口。

现在，环绕地球运行的卫星超过了2600颗。它们大小各异，大的堪比一辆校车，小的如同魔方。太空探索者现在追求的是更紧凑轻便的结构，他们认为成本、易于组装和易于发射是使用过程中的关键因素。鉴于重量轻的卫星，一枚火箭可以携带多个升空而不需要额外的燃料。

小卫星和立方体卫星项目利用了这些更紧凑轻便的结构，但因缺乏能够在严格的体积限制内施加足够推力的推进系统，发展大受阻碍。在较低的轨道上，这意味着卫星可能会随时间燃烧。而在更高的轨道上，它们可能最终成为太空垃圾，需要数年时间才能分解，并最终造成很大的混乱，干扰太空探索。

Viterbi工程学院宇航工程系博士生Robert Antypas和Jeffrey Asher等多名南加州大学探索和宇航物理实验室（Laboratory for Exploration and Astronautical Physics，LEAP）的学生组成了一支团队。这些学生正在与美国空军研究实验室（Air Force Research Laboratory，AFRL）合作，研发空间推进装置中离子电喷射推进器的优化设计。这种推进器类型体积小、重量轻、效力大，而且易于建造和定制。凭借这些独到优势，这个团队在“美国航天航空学会小型卫星海报大赛”（AIAA Small Satellite Poster Competition）中夺得第一名。获奖学生的指导老师是南加州大学Viterbi工程学院宇航和航空航天及机械工程教授Joseph Wang。

Asher称：“这些推进器不同于传统的电力或化学推进技术，它们能够通过增加排放点的数量，维持线性比例。”换言之，也就是可以通过增加装置上的发射尖端数量来增加喷出的推力水平，目前而言，其他类型的推进技术目前无法实现这个功能。

在航空航天界，立方体卫星标准广泛应用于成本较低的空间任务以及空间技术示范平台。

Asher表示：“目前，这些立方体卫星以搭载有效载荷的形式发射到太空，然后在主要任务所要到达的轨道上被抛弃。如果能够在这些小卫星上集成推进力，卫星设计者在确定发射装置和总体任务的复杂性时就能具备更多的灵活性，因为航天器可以主动改变它的轨道。”此外，他还说道，集成推进力也能让小型航天器能够更快地脱离轨道，减少空间碎片。

设计

学生团队创造的离子电喷射推进器是一种静电推进装置，在运行中使用电场从推进剂中提取并加速离子。推进器使用一种名为离子液体的新型液体推进剂来辅助离子提取。这种液体具有很高的导电性，接触到电场时，可以自由地“释放”电荷。它还具有极低的蒸汽压，因此可以直接暴露在空间的真空条件下而不会蒸发。

南加州大学试验台推进器的结构及主要部件。图/JEFFREY ASHER。

为了辅助提取离子，离子液体需要一个明确的发射点。为此，微小的发射尖端需要经过微机械加工，成为多孔玻璃基板。推进剂能够通过玻璃的小孔，然后在接触到尖端和提取器网格之间的高电场时，离子被排出，产生推力。

LEAP测试的推进器尺寸约为1×1×0.5英寸。传统的推进技术很难缩小到这样的尺寸，因此，这项新技术为小型航天器提供了一个高效的推进选择。

这个团队的工作考虑到了立方体卫星平台的限制。立方体卫星的大小是从100立方体毫米到约300-500立方毫米的立方体，也就是大概从一个纸巾盒到一个小微波炉的尺寸。Antypas是项目的主要测试人员和设计师，主导了大部分的初始测试工作。

测试及后续步骤

因新冠疫情导致这项工作受到严重影响。幸运的是，航天工程博士生Antypas在南加州大学校园关闭之前已经完成了大量的推进器测试。因无法按照既定计划在四月进入实验室工作，Asher决定将海报的重点转移到子系统的规模需求方面。他希望能在秋季晚些时候回到实验室。作为准备工作，Asher还与南加州大学Viterbi工程学院二年级优秀奖学金获得者Paulina Piekarewicz合作，Paulina Piekarewicz一直在协助建设测试设备。

团队目前的工作重心是将实验室中使用的设备整合到一块电路板上，以便搭载到未来的航天器上进行飞行演示并操作推进器。完成这项工作后，团队将开始执行子系统级别的测试，以确定整个组件的性能，并全程测量推力和功率效率。

未来的工作包括完善当前的设计，实现控制板直接与标准的CubeSat航空电子设备栈（航天器的计算机）交互。此外，这个子系统将用于在实验室环境中执行子系统级实验和束流中和实验，这有助于保持加速器束流聚焦。

AIAA小型卫星学生竞赛的23名参赛者来自7个州的8个国家。

编辑：Avni Shah

头图：一颗绕地球运行的超小型卫星。图/RICK JO。