过氧化氢等清洁燃料，能否取代有剧毒，当前基于肼的卫星推进剂？

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科学家表示，开发用于卫星的新推进剂，取代有毒的肼（联氨）将使发射和处理卫星变得更安全，但这也需要扰乱现有的系统。随着卫星数量的激增，用来发射它们的燃料数量也会增加。进入轨道只是方程式的一半。一旦卫星在地球上空就位，它需要一种推进方法，以确保它可以在需要时移动，避免空间碎片，补偿随着时间推移产生的阻力，甚至在任务结束时脱离轨道。


目前卫星的标准推进剂是肼类燃料，毒性很大，暴露在高浓度肼中会导致一系列健康问题，包括对肝脏、肾脏和中枢神经系统的损害。如果联氨在卫星还在地面时泄漏，其毒性和爆炸性可能会成为一个公共安全问题。而且，为太空准备一颗联氨燃料的卫星是一项危险任务，任何参与其中的人都需要特别的预防措施，包括像太空服一样的衣服，以确保如果出现问题，处理燃料的人不会呼吸到有毒气体。


因此，工程师们正在寻找新的、更清洁的方式来发射和推进使用无毒燃料的卫星也就不足为奇了。总部位于欧洲和美国的宇宙飞船设备制造商NanoAvionics首席设计官Erikas Kneiys表示：从健康和安全的角度来看，使用肼是相当令人讨厌的，所以我们看到人们对这类推进剂的兴趣要大得多。2011年，欧洲化学品管理局将肼添加到“高度关注的物质”名单中，这意味着它的使用可能很快就会受到限制。
立方体卫星
NanoAvionics专门研究纳米卫星的技术，包括CubeSats，这是一种由10厘米立方体形状单元组成的微型卫星，通常使用现成的部件建造，每个部件重约1公斤。随着像这样的小卫星变得越来越常见，NanoAvionics表示：2016年至2020年间发射的小卫星增加了300%，因此对适合它们的清洁推进剂需求可能会上升。在观察立方体卫星市场时，特别是在使用(清洁燃料)的(化学)推进方面，基本上没有产品。


通过一个名为EPSS的项目，纳米航空电子公司已经开发出一种危害较小基于二硝酰胺铵(ADN)的推进剂，ADN是一种由氮、氧和氢组成的化合物，特别是用于小卫星。该系统已经集成到一颗试点卫星上，并进行了在轨演示。新卫星系统被称为单推进剂，它的工作原理是将燃料传递到催化剂上，使其分解，产生热量和气体来推动航天器。其他系统使用双推进剂，其中两种液体保持分离，通常在混合时点燃。


使用双组元会增加制造过程中的风险，因为这两种物质可能会意外接触并在理应点燃之前着火。在单推进剂中，必须走很远的路才能确保它燃烧，所以与(大多数)双推进剂系统相比，它是相对无害和稳定的，但受益于无毒推进剂的不仅仅是小卫星。由航空航天公司空中客车(Airbus)协调的HyproGEO项目也开发了一种无毒推进系统，这一次专注于地球静止轨道上的卫星。


这些卫星在36000公里的轨道上运行，似乎停留在地球表面上方的一个固定点上，通常用于通信和广播等方面，要到达那里，需要相当多的能量目前，这些能量主要由肼类推进剂提供，但HyproGEO已经开发出一种使用过氧化氢的混合推进系统。这种燃料含有98%的过氧化氢，而一般用来漂白头发的溶液只有6%左右，它是高度酸性的，但使用起来的风险依旧低于联氨，它还分解成氧气和水，避免释放对人体有害的烟雾。
混合推进剂
地球静止卫星的设计寿命是十年或更长时间，所以一旦卫星进入轨道，也用来操纵它们的推进剂必须同样坚固，必须确保它在15年后仍能运行，所以它应该是一个简单的系统，因为如果它很复杂，总会有东西破裂的风险。HyproGEO提出的解决方案是使用混合推进，这涉及到将过氧化氢传递到催化剂上，以产生非常热的氧气和水蒸气。氧气本身可以提供推进力，也可以用来点燃另一种物质，以获得额外的推动力。


当控制氧气的流动时，就可以控制发动机的推力，该团队成功开发了一种储存新推进剂的测试发动机，显示它如预期般分解，然后设计了使用这种燃料的火箭发动机。自2018年这项工作完成以来，挪威防务公司Nammo已经使用HyproGEO混合动力发动机在短短3分钟内发射了一枚火箭，距离地球表面107公里，这是使用传统推进系统亚轨道火箭的典型时标。


使用这些新的推进剂不仅使使用当前有毒燃料的人受益，而且还使整个基础设施更高效、更便宜。由纳米航空电子公司设计的epss系统，成本大约是使用传统推进剂的类似产品的三分之一。有了这些好处，是什么阻碍了这些新推进剂的发展呢？首先，混合动力推进系统传统上无法实现将卫星送入地球静止轨道所需的长时间发射，这是HyproGEO设法克服的一个问题。


博科园｜研究/来自：Horizon
参考期刊《EU Research & Innovation Magazine》
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