碘动力卫星首次在太空成功测试：更高效经济，助力卫星小型化

空间技术公司ThrustMe与法国索邦大学的研究者成功在太空中测试了以碘为燃料的电力推进系统。该测试首次证实：碘不仅是传统氙气推进剂的可行替代品，而且还能实现推进系统的极致小型化。

这为小型卫星提供了新的机动和空间探索潜力，对航天工业的可持续发展十分重要。

相关论文于当地时间11月17日发表在知名学术期刊《自然》上，论文标题为“In-orbit demonstration of an iodine electric propulsion system”。

航天器在太空中的机动，如轨道转移、避免碰撞、轨道维护以及报废处置等都需要推进器。由于燃料效率高，离子推进器之类的电力推进系统成为不错选择。然而，由于卫星发电能力有限，电力推进系统通常使用能最大化其推力功率比的推进剂。目前，选择的推进剂几乎全是惰性气体氙（以及少量氪）。

“传统上，高性能电力推进系统主要使用氙气作为推进剂。氙气价格昂贵（5000美元/公斤）且商业生产有限，几十年来该行业一直在寻找替代推进剂。”论文通讯作者Trevor Lafleur对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者表示。

氙气非常稀有（大气中不到百万分之一），在其他行业如医疗、照明和半导体行业还有竞争性应用。随着大型卫星星座的兴起，未来十年内氙气的需求可能会超过供应。

研究者称，碘是一种改变游戏规则的推进剂。碘在推进方面的应用已被世界各地的公司、大学和航天机构进行了研究，不过，此前没有在太空中进行过测试。

Lafleur介绍道，2020年11月，他们发射了世界上第一个以碘为推进剂的电力推进系统（NPT30-I2），该推进系统在一个体积10*10*10厘米、重20千克的CubeSat卫星中。

此后，ThrustMe仔细分析推进系统和卫星数据，并将飞行结果与地面测量结果进行比较。结果确认卫星轨道变化与基于推进系统遥测的预测相匹配。

“我们的结果首次表明，碘不仅是氙的可行替代品，还有更好的性能。因为碘可作为固体在不加压的情况下储存，无需沉重的高压储存罐（氙气通常在100-200倍大气压的高压下储存），而且储存密度高。这就能进行大幅度的小型化，使我们能够生产一个非常小的推进系统，该系统可以为小型卫星提供部署、避免碰撞甚至太空探索的新能力。”Lafleur表示。

碘的腐蚀性是这项工作面临的主要问题之一。为此，研究人员使用陶瓷材料并将碘以固体形式储存。碘使用来自卫星的太阳能电池板的电力加热，并保存在直接连接到电离室的罐中。在那里，气体被电子轰击，产生等离子体。然后，等离子体中的正离子被电网加速，产生推力。

“碘比氙气便宜得多且量更多，因此该技术有潜力解决这个行业的推进剂可持续性挑战。” Lafleur总结道，“这对卫星星座特别有利，也会产生其他商业好处。”

“比如，我们的推进系统是独立的，它包括运行所需的所有子系统。由于碘是在未加压情况下储存的，因此我们能够提供预加燃料的系统，没有爆炸风险。这意味着最终用户无需像使用传统氙气推进剂那样执行任何推进剂处理操作，也不需要任何专门的推进剂装载设备。他们可以直接将推进系统与卫星集成。”

如今，电子设备的能力不断提高，进入太空的能力也不断增强，这导致卫星向小型化转变，用于地球观测、灾害管理、气候变化监测、城市规划和全球互联网接入。不过，由于小型卫星的严格尺寸限制，并非都能有合适的推进系统。此项工作则展现出碘在卫星小型化上的应用潜力。

此外，对于大型卫星和卫星星座，可使用更多的推进剂而不加压储存，将有助于简化卫星设计和推进系统集成，并减少氙气的市场需求，这可能对其他产业有好处。

问及此项工作的主要困难，Lafleur表示，虽然碘在1811年就被发现了，但其仍有物理特性不为人所知，诸如缺乏碘对不同材料的腐蚀速率、重要等离子体反应的电子-碘横截面、甚至某些温度-压力范围内的比热相关的可靠数据。

他也表示碘等离子体化学比氙气复杂得多，带来了许多实际的工程挑战，诸如防止气化的碘再沉积造成堵塞、消除碘对重要推进系统部件的腐蚀，以及小型化的挑战。