完全组装的基于射频赫里孔的等离子推进器。图片来源：F. Romano 一种使用大气气体作为燃料的卫星引擎在实验室测试和建模中显示出潜力，但其在实际任务中的表现尚未得到验证。为卫星选择轨道涉及平衡优缺点。非常低地球轨道（VLEO），大约位于地球上方100到450公里（62到280英里），提供了几个优势。遥感相机可以捕捉更清晰的图像，通信和雷达系统需要更少的电力，且大气阻力有助于自然地将失效卫星从轨道中移除。但同样的大气也带来了一个重大挑战。即使在这些高度，空气阻力也会减慢航天器，因此卫星必须几乎持续产生推力才能保持在轨道上。传统的推进系统需要机上燃料，通常是昂贵的气体，比如氙气。根据他在斯图加特大学的博士研究，Francesco Romano探索了一种不同的方法，他的研究结果发表在arXiv上。他的概念使用导致阻力的大气分子作为等离子引擎的燃料，可能使卫星在VLEO中无限期运行，而无需携带传统的推进剂供应。这项技术属于一种被称为大气呼吸电推进（ABEP）的一类系统。这些系统在航天器（或在某些情况下，导弹）前方收集极为稀薄的空气，并将其导入电引擎。引擎将进入的分子转化为等离子，并从后方排出以产生推力。基本思路简单明了，但将其转化为实用的推进系统需要解决几个困难的工程问题。 原子氧侵蚀引擎 首先是原子氧（AO）。在高层大气中，紫外线辐射将氧气（O2）分解为这种具有侵蚀性的单原子形式的气体，而我们都需要呼吸。AO以其强氧化性著称，腐蚀金属电极、加速网格，甚至标准霍尔推进器或其他类型的离子引擎中使用的阴极。也许最重要的是，AO会烧蚀“电子枪”中用于中和航天器的阴极，这样整个系统不会因带电而吸回带电粒子，从而抵消它们提供的推力。如果没有这一功能，整个离子推进系统就会失效。 另一个在为VLEO设计引擎时面临的困难特征是大气本身的可变性。它根据昼夜周期、纬度，甚至太阳活动而变化。确保一个引擎能够在所有这些不同条件下持续运行迄今为止已被证明是困难的。 一个收集稀薄空气的镜子 为了解决这些问题，Romano开发了一种无接触、无中和剂的射频（RF）赫里孔等离子推进器，并结合了优化的大气进气系统。首先，让我们来谈谈进气系统。他实际上试验了三种不同版本的进气系统——一种叫做“增强漏斗设计”的版本，作为分子捕获器来收集分散得如此稀疏以至于彼此不会相遇的空气粒子。接下来，他使用了一种“扩散进气系统”，该系统采用了一种涂层钛合金制成的紧凑的六角设计。最后，他设计了一种称为“镜面进气”的装置，这是一种涂有石墨或二氧化硅的抛物线镜，直接将粒子反弹到引擎中。经过比较，收集效率和对齐灵敏度方面的“镜面进气”显然是最优的。它收集了约94.3%的空气颗粒（在风洞测试中为AO、氩气或氮气），即使在15°倾斜时，效率仍仅下降8%。 细致观察“鸟笼”天线，灵感来自MRI机器。图片来源：F. Romano 没有中和剂的等离子喷流 为了设计推进器，Romano借鉴了医疗设备的灵感。使用类似于MRI中使用的鸟笼天线，他设计了一种推进器，以保证99%的输入电功率实际进入推进器，这是一个极高的效率阈值，改进了标准线圈的设计，因为标准线圈由于自身的反应性会消耗一些功率。一种绕着引擎的线圈产生的磁场将等离子体推向后方，形成一种准中性喷流——正负离子同时被推出推进器，确保不需要中和剂。测试系统验证了其可靠性。Romano使用真空室故意模拟VLEO大气中所遇到的三种主要气体的浓度。在只需50-60瓦的射频功率的情况下，引擎产生了稳定的等离子流，远在传统航天器太阳能电池板的能力范围内。 大气燃料能否让卫星悬浮？在经过实验验证之后，他又进一步，将推进系统的模型应用于实际的现实世界用例。这包括GOCE卫星，