杂志汇太空探索

别开生面效率高

霍尔推力器是电推进系统中的一种，而电推进系统又是火箭的一种，但是电推进系统与目前发射航天器用的化学推进系统不同。化学推进系统是通过推进剂催化反应或氧化剂燃烧剂反应产生高温，将推进剂加热后喷出；电推进系统不使用化学燃料，而是把能源和推进剂（工质）分开，用电能加热或电离推进剂，使其加速喷射而产生推力，即是一种把外部电能转换为推进剂喷射动能的火箭，所以又称电火箭。两者都要消耗推进剂，不过，消耗量有很大区别。对于同样的宇航任务，电推进系统效率高，它消耗的推进剂约为化学推进系统的十分之一，甚至更少。其电能由飞行器提供，一般由太阳能、核能或化学能经转换装置得到。推进剂常用氢、氮、氩或碱金属（铯、汞、铷、锂等）的蒸气等。电火箭发动机比冲高、寿命长（可起动上万次，累计工作上万小时），但推力一般小于100牛，所以适用于航天器的姿态控制、位置保持和星际航行等。

其实，早在20世纪初期电推进理论就已问世，但由于技术比较复杂，所以直到20世纪50年代末，一些国家才开始电推力系统的工程研究。至今，全世界约有数百颗人造地球卫星和空间探测器等使用过或正在使用电推进系统。化学推进系统喷射动能受限于推进剂化学内能的约束，推进剂喷出速度有限，约为每秒2千米～4千米；电推进系统打破了这一约束，喷出速度可达每秒15千米～80千米，很容易实现比化学推进高一个量级的比冲性能。理论和实践都证明，电推进系统比目前标准的化学推进系统的效率大10倍，具有高比冲（消耗单位质量推进剂所能产生的冲量，比冲越大，意味着推进技术性能越高，其大小则主要取决于推进剂的喷出速度）、高效率、省燃料、振动小、低成本、长寿命和较安全等一系列优点。它完成同样任务所需的推进剂就少，从而可以增加航天器的有效载荷，或者增加推进剂携带量以延长航天器的使用寿命。它能将航天器的有效质量提高到90%左右，是目前世界最先进的空间推进技术。

电推进系统也不是十全十美，其目前的不足之处就是推力小、耗电多，只能吹得动一张纸，所以航天器用电推进系统变轨需要较长时间，累计加速才行。电推进系统是依靠消耗电能来获得高比冲的，比冲和推力越高，需要的电功率就越多，因此航天器使用电推进系统时还必须考虑其供电能力。其比冲也不宜太高，否则电源太重。在设计比冲时需综合考虑，电推进系统最好在接近最佳比冲的工况下工作。电推进系统的推力低，对航天器的扰动小，控制精度高，但工作时间要比大推力的化学推进系统更长，因此要求该系统长寿命、高可靠。

近些年来，电推进系统发展很快，仅就2015年来说，中国航天科技集团五院510所研制的首个卫星用200 毫米离子电推进系统地面寿命及可靠性试验累计工作时间已超过11000小时，具备卫星在轨可靠运行15年的能力，这标志着我国自主研制的电推进系统达到国际先进水平，将全面迈入工程应用阶段，能够满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台以及深空探测器的发展需求。欧洲空间推进公司完成了5千瓦霍尔推进器测试。法国科学家发明了一款无墙霍尔推进器，该推进器能够以约合每小时7.24万千米的速度喷射出等离子流，它消耗的燃料是传统化学火箭消耗燃料的亿万分之一。2015年最重要的电推进系统成果是，3月2日，由美国制造的世界首批全电推进商业通信卫星成功发射，卫星用离子推力器完成了全部轨道转移和位置保持等任务，这标志着全电推进技术实现成熟应用，也意味着卫星的技术发展和应用空间正发生着重大变革。

目前，1颗15年寿命的高轨道通信卫星大约重5吨，其中化学燃料重量就达3吨，若采用全电推进方案，就能使卫星“瘦身”至2.5吨，让通信卫星用更小、更便宜的火箭发射。另外，全电推技术可大大延长通信卫星的寿命，燃料携带量将不再成为卫星寿命的约束，通信卫星的设计寿命将普遍突破目前15年的上限，达到18年～20年。

首批全电推商业通信卫星——亚洲广播卫星-3A

电推进系统一般是由电源子系统、电源变换器与控制子系统、推进剂储存与管理子系统、电推力器等组成。其中的一次电源主要由太阳能转换后提供；电源变换器与控制子系统是把一次电源变换成推力器各部件所需的电参量，并按程序来控制和调节推力器工作；推进剂常用氙、氨、肼、聚四氟乙烯等，其中氙目前用的比较多。

具体工作方式是：电源供给电能；电源变换器与控制子系统按预定程序起动发动机，并不断调整电推力器的各种参数，使发动机始终处于规定的工作状态；推进剂储存与管理子系统贮存和输送工质；电推力器将电能转换成工质的动能，使其高速喷出产生推力。其中的电推力器是电推进系统中最关键的核心。根据把电能转换为推进剂动能的加速方式不同，它可以分为电热式、静电式、电磁式三大类，每一类还可分为多种型式。例如：

电热式推力器是利用电能加热工质（如肼、氨、氢等）使其气化，经喷管膨胀加速、喷出产生推力，比冲为700秒～1000秒。它又可分为电阻加热式、电弧加热式和微波加热式等。

静电式推力器的工质（如汞、铯、氢等）是从贮箱经过电离室电离成离子，在引出电极的静电场力作用下加速形成射束，离子射束与中和器发射的电子耦合形成中性的高速束流，喷射而产生推力，比冲为8500秒～20000秒。它又可分为电子轰击式离子推力器、射频离子推力器、微波离子推力器、场发射离子推力器和铯接触式离子推力器等。

电磁式推力器是利用电磁场对载流等离子体产生洛伦兹力的原理，使处于中性等离子状态的工作介质加速以产生推力，比冲为5000秒～25000秒。它又可分为脉冲等离子体推力器、霍尔推力器（包括稳态等离子体推力器与阳极层推力器）和磁等离子体动力推力器等。

当前，应用比较广泛并比较成熟的电推进系统有两种，即电磁式推力器中的霍尔推力器（稳态等离子体推力器）和静电式推力器中的电子轰击式离子推力器（氙离子推力器）。这两种推力器的本质是一样的，都是用电能将惰性气体氙气电离，形成由离子和电子组成的等离子体，离子在电场作用下加速喷出，产生推力。不同的是，离子推力器的电离区和加速区分离，所以推力器效率更高，比冲更高，消耗推进剂更少，缺点是技术复杂，电源种类多，尺寸、重量较大；霍尔推力器的电离区和加速区是合一的，因而技术简单，电源种类少，尺寸、重量较小，可靠性更高，缺点是比冲低，羽流角偏大。两者各有优势，适用于不同的航天任务。

霍尔推力器的原理是将电子约束在磁场中，并利用电子电离推进剂，加速离子产生推力，并中和羽流中的离子。这种推力器主要由霍尔加速器和空心阴极两部分组成，其中霍尔加速器提供推进剂电离、在加速区域产生推力，空心阴极承担着点火和羽流中和的重任。霍尔推力器的寿命由这两部分的寿命综合决定。

离子推进器的原理是先将推进剂电离成粒子，然后在电磁场中加速，高速喷出，以其反作用力推动火箭。它能将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，金属高压输电网对离子流施加静电引力，离子流获得加速度，加速后的离子使推进器获得时速高达143201千米的速度，推动航天器前进。

目前，美国波音公司和日本卫星主要采用离子推力器，美国劳拉、洛马和欧洲泰雷兹-阿莱尼亚、空客等公司主要采用霍尔推力器。

目前，电推进系统已得到广泛应用。当前在轨运行的应用电推进系统的航天器大约有100个左右，其中离子推力器累计工作时间约20万小时，霍尔推力器累计工作时间约近10万小时。它们主用应用包括地球静止轨道卫星的位置保持、空间探测器的变轨等方面。

在地球静止轨道卫星方面，美国波音公司先是在其波音-601HP卫星平台上用离子推进器完成卫星的南北位置保持任务，但故障率较高，后在其波音-702平台上用新型离子推进器完成全部位置保持任务，可靠性较高。尤其是其全球首款全电推进平台——波音-702SP很受欢迎，并在2015年首次使用就获成功。所谓全电推进平台卫星是指地球静止轨道卫星在星箭分离后使用电推进系统取代化学推进系统完成轨道转移任务进入工作轨道，且入轨后的位置保持任务完全由电推进执行。美国劳拉公司在LS1300平台上用霍尔推力器完成卫星的南北位置保持任务。美国洛马公司在A2100M平台用霍尔电力器完成卫星的南北位置保持任务。欧洲泰雷兹-阿莱尼亚公司在空间客车-4000C平台上用霍尔推力器完成卫星的南北位置保持任务。欧洲空客公司在欧洲星-3000平台上用霍尔推力器完成卫星的南北位置保持任务。

电推进系统也可以用于完成卫星的轨道转移任务。例如， 2001年7月欧洲发射的“阿特米斯”卫星因火箭故障卫星没有进入预定轨道，最后靠用电推进系统经过18个月的轨道转移最终到达预定轨道。2010年8月美国发射的“先进极高频卫星”1号也因卫星化学推进系统故障，最后靠电推进系统在14个月内完成了几乎全部的轨道转移任务。

在空间探测器方面，早在1998年10月美国发射的“深空”1号上就用离子推力器作为主发动机进行了小行星探测的变轨试验，它在3年的飞行中累计工作产生速度增量达每秒4.3千米。2003年5月日本发射的“隼鸟”号小行星采样探测器在化学推进系统出故障的情况用4台离子推力器完成对近地小行星的采样返回。2014年日本发射的“隼鸟”2号小行星采样探测器也采用了4台离子推力器。2003年9月欧洲发射的“灵巧”1号月球探测器用1台霍尔推力器作为主发动机完成了欧洲首次探月任务。2007年9月美国发射的“黎明”号小行星探测器上用3台离子推力器作为主发动机先后对灶神星和谷神星进行了探测，这不仅使“黎明”号成为世界首个探测矮行星的探测器、首个探测谷神星的探测器，还成为首个先后环绕探测两个独立地外天体的探测器。利用“黎明”号上的同一套科学设备探测2个不同目标，不仅能降低成本，还便于科学家将2套探测数据进行分析对比。

此外，电推进系统还可以完成科学观测与试验航天器任务以及其他应用及飞行试验。例如，用于完成低轨卫星的大气阻尼补偿、卫星的完成精确姿态控制等。

我国从1967年就开始了电推进研究。1978年，中国航天科技集团五院510所研制的LIPS-80离子推力器获得国家科技进步一等奖。2012年10月，我国实践九号卫星发射升空，对多种电推进技术方案的正确性、在轨工作性能、与航天器的相容性以及长期在轨工作能力进行了成功验证，这意味着我国全电推进系统已经初步具备在轨应用能力。另外，中国航天科技集团五院502所、上海空间动力机械都在研制多种霍尔推力器。

据专家介绍，目前我国有多家单位完成大功率长寿命多模式电推力器的样机研制，并通过了长时间稳定点火试验；小推力长周期联合姿轨控技术等其他关键技术也取得重要进展，达到工程可用要求。同时我国已完成了全电推进卫星平台方案的详细设计。我国东方红三号B卫星平台在采用电推进系统后，与美国劳拉公司、欧洲泰雷兹-阿莱尼亚公司等的产品相比，电推进系统的应用方案基本类似，技术指标水平相当，平台的性价比、载荷比达到或略优于国外同类卫星水平。

预计到2020年，我国将实现千瓦级电推进产品的批量化推广应用，实现快启动电推进、多模式电推进产品的可靠性提升，完成50千瓦量级大功率推力器主要关键技术攻关。未来，我国的电推进系统可用于地球静止轨道卫星位置保持和轨道转移、空间探测器和载人深空探测的主推进、低轨卫星的轨道维持、航天器的姿轨控等许多方面。

“黎明”号上装载惰性气体氙气的钛合金容器

欧洲“灵巧”1号月球探测器上的电推力器