霍爾電推進技術的發(fā)展與應用

康小錄，杭觀榮，朱智春

（1.上?？臻g推進研究所，上海，201112 2.上海空間發(fā)動機工程技術研究中心，上海201112）

霍爾電推進技術的發(fā)展與應用

康小錄1,2，杭觀榮1,2，朱智春1,2

（1.上?？臻g推進研究所，上海，201112 2.上?？臻g發(fā)動機工程技術研究中心，上海201112）

霍爾電推進具有推力密度大、推力功率比大、比沖高及系統(tǒng)可靠等優(yōu)點，在20世紀60～70年代突破關鍵技術、完成空間試驗后，在俄、美、歐等航天器上獲得大量應用，執(zhí)行位置保持、軌道轉移、軌道調(diào)整和深空探測主推進等任務。目前，100 W級到5 kW級功率的霍爾推力器已經(jīng)實現(xiàn)在軌應用，100 kW功率的霍爾推力器已在研制中。針對未來載人深空探測、GEO衛(wèi)星、低軌和超低軌衛(wèi)星及軌道機動飛行器等任務需求，霍爾電推進朝著更大功率包絡，更強多模式調(diào)節(jié)能力，更高性能，更長壽命及推進劑多樣化等方向發(fā)展。在分析霍爾電推進技術特點和適用任務后，對國內(nèi)外霍爾電推進技術的發(fā)展現(xiàn)狀、任務應用等進行了綜述，最后對霍爾電推進的發(fā)展趨勢進行了展望。

霍爾電推進技術；霍爾推力器；多模式調(diào)節(jié)；大功率推進

0 引言

隨著航天器對承載比、速度增量及姿態(tài)控制精度等要求的逐步提高，以及新型航天任務需求的出現(xiàn)，高性能空間動力需求日益迫切。霍爾電推進（Hall electric propulsion）作為一種具有綜合優(yōu)勢的電推進技術，在國際上獲得了廣泛的研究和應用，特別是近年來在全電推進衛(wèi)星、GEO衛(wèi)星、低軌和超低軌衛(wèi)星、軌道轉移飛行器及大型深空探測任務等的牽引下，各國投資力度加大，研發(fā)和應用速度加快。本文在分析霍爾電推進技術特點和適用任務后，對國內(nèi)外霍爾電推進技術的發(fā)展現(xiàn)狀、任務應用等進行了綜述，最后對霍爾電推進的發(fā)展進行了展望。

1 霍爾電推進技術特點

霍爾電推進是一種利用電子在正交電磁場中閉合漂移運動產(chǎn)生的霍爾電流效應電離推進劑、產(chǎn)生等離子體，并主要通過靜電場加速離子、產(chǎn)生推力的一種電推進技術。圖1為霍爾電推進工作原理及其點火狀態(tài)?；魻栯娡七M系統(tǒng)由霍爾推力器、推進劑貯供系統(tǒng)、功率處理單元、濾波模塊及控制單元等組成，其中霍爾推力器產(chǎn)生推力，推進劑貯供系統(tǒng)、功率處理單元分別向霍爾推力器供應推進劑和電能，控制單元則控制電推進系統(tǒng)的運行。

霍爾推力器可分為穩(wěn)態(tài)等離子體推力器（Stationary Plasma Thruster，SPT）和陽極層推力器 （Thruster with Anode Layer，TAL，也稱為Anode Layer Thruster）2種。SPT的電離/加速區(qū)主要限定在放電室出口附近磁場強度最大的磁層內(nèi)，又稱為磁層推力器（Magnetic-layer Thruster），放電室一般采用絕緣材料，放電通道較長。TAL的電離/加速區(qū)主要限定在陽極附近的薄層內(nèi)，放電室一般采用導電材料，放電通道較短。

霍爾電推進的主要特點是：

1）系統(tǒng)簡單可靠，安全性好；

2）綜合性能好，兼顧推力和比沖；

3）比沖高，采用氙、氪等氣體推進劑時比沖約1 000～4 000 s，采用鉍等新型推進劑時比沖可超過7 000 s；

4）推力功率比大，約40～66 mN/kW，可縮短任務執(zhí)行時間；

5）推力密度大，約1～2 mN/cm2，推力器體積、重量較小，便于在航天器上的布局；

6）調(diào)節(jié)能力強，功率、比沖、推力大范圍可調(diào)，可根據(jù)不同任務需求選擇相應的優(yōu)化工作模式。

根據(jù)航天器功率供應能力，可將電推力器劃分為小功率（≤0.5 kW）、中功率（0.5～10 kW）、大功率（10～500 kW）和超大功率（〉500 kW）。根據(jù)霍爾推力器工作原理，其功率包絡約在10 W～500 kW。目前應用最為廣泛的霍爾推力器為屬于中功率電推進中的0.66 kW霍爾推力器（40 mN）、千瓦級推力器（1.35 kW）和300 mN推力器（5 kW）。

一般霍爾推力器采用氙作為推進劑，最高比沖超過3 000 s。通過改用小原子量或低電離能的推進劑，可有效提高比沖，如研究表明，SPT推力器采用氪、金屬鎂為推進劑時比沖可達5 000 s和8 000 s以上，TAL推力器采用鉍推進劑時比沖可達7 000 s，效率可達70%。

霍爾電推進在航天器上應用，可帶來如下優(yōu)勢：

1）大幅節(jié)省推進劑，增加有效載荷或延長航天器在軌壽命。

2）沖量小、一致性好且易于控制，提高航天器姿態(tài)穩(wěn)定度。

3）推力功率比大，可縮短電推進軌道轉移周期。

4）擴展深空探測距離，縮短深空探測周期，提升深空探測發(fā)射窗口、行星再入時機、著陸地點選擇的靈活性，減少高速度增量深空探測器對行星引力加速的依賴。

因此，霍爾電推進在GEO衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星和深空探測器等領域獲得大量應用，執(zhí)行位置保持、軌道轉移、軌道調(diào)整和深空主推進等任務。至2016年12月，國際上已經(jīng)在119顆航天器上應用了559臺霍爾推力器。

2 國外霍爾電推進的研究和應用現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

20世紀50年代末，前蘇聯(lián)科學家首先提出霍爾電推進技術，其中TAL首先由Kruchatov原子能研究所的阿斯科爾德·渣里諾夫在20世紀50年代末提出[1]，SPT由同一家單位的阿列克謝·莫洛佐夫在1962年提出。SPT在20世紀60年代率先獲得了重大突破，成為霍爾電推進發(fā)展的主要方向。前蘇聯(lián)1972年在Meteor-1 10氣象衛(wèi)星上實現(xiàn)了霍爾電推進首次空間試驗，試驗的Eol-1霍爾電推進系統(tǒng)功率420～460 W，推力器推力16～19 mN，比沖806～1 000 s[2]。1982年、1994年前蘇聯(lián)/俄羅斯的亞千瓦級、千瓦級霍爾電推進系統(tǒng)分別在GEO衛(wèi)星平臺東西位保任務、東西-南北位保任務中實現(xiàn)應用。

20世紀末前蘇聯(lián)解體后，美、歐等接觸俄羅斯霍爾電推進技術之后，鑒于其簡單可靠的突出優(yōu)勢，迅速引進該技術，并實現(xiàn)國產(chǎn)化，形成自有產(chǎn)權的產(chǎn)品。據(jù)不完全統(tǒng)計，至2016年12月，國外已有556臺霍爾推力器應用在117顆航天器上，其中GEO衛(wèi)星97顆，低軌衛(wèi)星18顆，深空探測器1顆，軌道機動飛行器1艘[3-4]，應用的各種霍爾推力器指標范圍：功率100 W～4.5 kW，推力5～294 mN，比沖800～2 100 s。表1為國外典型霍爾推力器技術指標。

下面對國外中功率（0.5～10 kW）、大功率（〉10 kW）和小功率（≤0.5 kW）霍爾電推進的發(fā)展和應用情況進行論述。

2.2 中功率霍爾電推進

國外中功率霍爾電推進已相當成熟，形成了型譜化產(chǎn)品，實現(xiàn)了商業(yè)應用。

中功率霍爾電推進在俄、美、歐等超過10種GEO平臺上執(zhí)行位置保持、軌道轉移等任務（見表2）；在低軌衛(wèi)星、深空探測領域也已經(jīng)成功應用，如俄羅斯為埃及研制的EgyptSat 2低軌遙感衛(wèi)星[5]，歐洲SMART-1月球探測器[6]等。

具有代表性的中功率霍爾推力器為：1）亞千瓦級：俄羅斯SPT-70推力器；2）千瓦級：俄羅斯SPT-100，歐洲PPS 1350-G；3）5 kW級：俄羅斯SPT-140，美國XR-5（原BPT-4000），歐洲PPS 5000，意大利HT5k。這些霍爾推力器均開展了地面1:1壽命試驗，其中SPT-100推力器壽命試驗達到7 008 h[7]，PPS 1350-G，BPT-4000推力器的壽命試驗時間均超過了10 000 h[8-9]。在BPT-4000霍爾推力器長壽命試驗中，科研人員發(fā)現(xiàn)了能夠大幅延長霍爾推力器壽命的磁屏蔽抗削蝕技術，之后開展了機理研究[10]，并在多種霍爾推力器上進行了驗證。

表1 國外典型霍爾推力器主要技術指標Tab.1 Main technical indexes of typical Hall thrusters abroad

日本石川島播磨航空航天公司針對衛(wèi)星軌道提升任務，研制了千瓦級IHD-1000霍爾推力器[11]，大阪大學開展了2.1 kW的THT-VI穩(wěn)態(tài)等離子體推力器和2.9 kW的TALT-2陽極層推力器技術研究。

目前國外研制的5 kW級霍爾推力器都具備

多模式工作能力，以針對不同的任務需求調(diào)節(jié)功率、推力、比沖，如對于GEO衛(wèi)星，軌道轉移時電推進以大功率、大推力模式工作，位置保持時電推進以小功率、高比沖模式工作。新研的霍爾推力器也大都具備多模式工作能力。

表2 國外采用霍爾電推進的典型GEO衛(wèi)星平臺Tab.2 Typical foreign GEO platforms employing Hall electric propulsion

2.3 大功率霍爾電推進

霍爾推力器大推力功率比、大推力密度，以及技術成熟度較高的特點，使其在數(shù)十千瓦至百千瓦量級功率時，與其他電推進技術相比具有優(yōu)勢。因此，美、俄、歐等均將大功率霍爾電推進作為未來空間任務支撐技術，開展大量研究并形成多款樣機。

美國從2000年左右開始，在天基計劃、先進空間運輸計劃、空間太陽能計劃、人類探索與發(fā)展空間計劃、格倫研究中心戰(zhàn)略研究基金、空間推進計劃及普羅米修斯計劃等大量項目的支持下，開展大功率電推進技術研究，研制了50 kW級NASA-457Mv1，NASA-457Mv2，NASA-400M和20 kW級的NASA-300M霍爾推力器原理樣機[12]；目前正在針對載人火星探測等背景需求，研制100 kW級的X3霍爾推力器（圖3），該推力器已經(jīng)實現(xiàn)了60.8 kW穩(wěn)態(tài)點火[13]。

俄羅斯、歐洲也形成了功率20～30 kW的大功率霍爾推力器樣機。

針對大型深空探測任務對大推力、高比沖電推進的需求，美國、俄羅斯、歐洲開展了大量研究。為了提高比沖，美國研究了NASA-400M霍爾推力器使用Kr工質(zhì)時的性能，功率43 kW時，推力1.2 N，陽極比沖4 943 s，陽極效率68%；美、俄2002年左右在前蘇聯(lián)25～140 kW功率、8 000 s比沖的D-160陽極層推力器的基礎上，聯(lián)合研制了采用鉍推進劑的VHITAL-160陽極層推力器，功率25.3～36.8 kW，推力527～618 mN，比沖5 375～7 667 s，效率56%～63%[14]。

美國針對GEO衛(wèi)星發(fā)射后的電推進快速軌道轉移任務所需的最佳比沖為800～1 500 s，同時推力要盡量大的需求，研究了NASA-120M.V2和NASA-457M霍爾推力器在100～150 V放電電壓下的工作特性。

美、俄針對5～10 t大型GEO衛(wèi)星軌道轉移和位置保持任務，發(fā)展10 kW級霍爾推力器：如美國Aerojet Rocketdyne研制計劃用于轉型通信衛(wèi)星 （Transformational Communications Satellite，TSAT）的12 kW功率XR-12霍爾推力器；俄羅斯火炬設計局研制針對5～8 t大型GEO衛(wèi)星的12.5 kW功率的SPT-230霍爾推力器。

美國研究表明，50 kW級的太陽能電推進可滿足近期深空探測需求，并制定了太陽能電推進技術演示任務，其中作為主要候選任務的無人小行星重定向任務，將采用大功率電推進執(zhí)行主推進及俯仰、偏航控制任務。針對這一任務，NASA格倫研究中心和噴氣推進實驗室聯(lián)合研制了12.5 kW功率的磁屏蔽霍爾推力器（Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding，HERMeS）樣機，技術驗證樣機1計劃開展2 000 h削蝕試驗，至2016年6月已完成728 h[15]。

為了驗證核電推進的可行性，前蘇聯(lián)在1987年發(fā)射的“宇宙-1818”偵察衛(wèi)星和“宇宙-1867”偵察衛(wèi)星上，采用了基于“TOPAZ-1”核反應堆的霍爾電推進試驗系統(tǒng)并取得成功?！癟OPAZ-1”核反應堆輸出電功率為6 kW，壽命1～2年。霍爾電推進系統(tǒng)采用6臺SPT-70霍爾推力器，累計系統(tǒng)工作150 h。

為了驗證采用較低功率的電推力器組成推力器簇實現(xiàn)較大功率電推進系統(tǒng)的可行性，并研究霍爾推力器簇的性能、羽流等特性，美國、意大利等開展了相應研究，如美國密歇根大學BHT-200-X3推力器簇、BHT-600推力器簇、P5推力器簇試驗，意大利Alta公司（現(xiàn)已并入Sitael公司）HT-100推力器簇試驗等。

2.4 小功率霍爾電推進

針對微小衛(wèi)星需求，國外近年來加大了小功率霍爾電推進研制力度。以色列、巴西及韓國等新興航天國家，更以微小衛(wèi)星發(fā)展為契機，開展小功率霍爾電推進技術研究。表2為國內(nèi)外典型小功率霍爾推力器技術指標和狀態(tài)。

前蘇聯(lián)/俄羅斯在20世紀70年代至80年代初進行的多次霍爾電推進在軌試驗，采用了450 W和350 W的SPT-60、SPT-50小功率霍爾推力器。俄羅斯2012年發(fā)射的Canopus-V衛(wèi)星采用2臺SPT-50霍爾推力器（圖3）執(zhí)行軌道維持任務[16]，克爾德什研究中心研制了KM-37和KM-45等小功率霍爾推力器，其中KM-45曾應用在印度2010年4月15日發(fā)射失敗的GSat 4衛(wèi)星上。

美國主要是Busek公司在研制小功率霍爾推力器，普林斯頓大學等在開展圓柱形小功率霍爾推力器技術研究[17]。Busek公司研制的200 W功率BHT-200霍爾推力器（圖4）在2006年發(fā)射的TacSat 2小衛(wèi)星上執(zhí)行軌道提升任務，成為首臺空間應用的美國國產(chǎn)霍爾推力器，目前正針對碘衛(wèi)星（iSat）計劃，研制采用碘推進劑的BHT-200-I霍爾推力器。

歐洲典型的低功率霍爾推力器為意大利Sitael公司HT-100和HT-400、法國Snecma公司的PPS X000和烏克蘭哈爾科夫航空學院的SPT-25。

以色列研制的300 W功率的HET-300霍爾推力器，將用于2017年發(fā)射的Venμs遙感小衛(wèi)星上，執(zhí)行軌道保持和720 km軌道到410 km軌道的變軌任務。

韓國Satrec Initiative公司研制了300 W霍爾推力器及其系統(tǒng)，用于執(zhí)行 2013年發(fā)射的Dubaisat-2低軌遙感衛(wèi)星的軌道高度維持任務。

日本大阪大學增在研制的PROITERES月球探測器將采用30 W小功率霍爾推力器執(zhí)行地月軌道轉移任務。

3 我國霍爾電推進的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)開展霍爾電推進技術研究的單位主要有上?？臻g推進研究所、北京控制工程研究所、蘭州空間物理研究所和哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學及上海交通大學等單位，其中研究所偏重技術應用，高校偏重機理研究。

上?？臻g推進研究所是我國最早開展霍爾電推進技術研究的單位。1994年，正值我國電推進研究低谷時期，該所基于航天發(fā)展需要，在比較主要電推進技術之后，確定開展霍爾電推進技術研究，先后攻克了霍爾推力器、空心陰極、微流量控制及電推力器性能測試等關鍵技術，在20世紀末實現(xiàn)霍爾推力器穩(wěn)定點火，在2005年成功研制國內(nèi)首套霍爾電推進系統(tǒng)，在2008年～2011年研制國內(nèi)首套空間飛行霍爾電推進系統(tǒng)。

十二五期間，上?？臻g推進研究所霍爾電推進技術獲得了快速發(fā)展，取得成果如下：

1）圓滿完成國內(nèi)首次霍爾電推進空間飛行試驗。HET-40霍爾電推進系統(tǒng)于2012年10月14日發(fā)射升空，在軌標定性能為系統(tǒng)功率734 W時，推力38.32 mN，比沖1 495 s。至2014年1月，系統(tǒng)點火次數(shù)達到212次。這次試驗在軌評估了霍爾電推進系統(tǒng)性能，驗證了霍爾電推進方案、地面試驗手段的正確性，評估了與航天器的相容性，使我國成為俄、美、歐之后第4個掌握霍爾電推進技術的國家。

2）針對大速度增量任務對電推力器的長壽命需求，攻克霍爾電推進長壽命技術。涉及的關鍵技術有高性能磁透鏡技術、耐削蝕放電室技術、抗中毒發(fā)射體技術、長壽命加熱器技術、壽命驗證技術和磁屏蔽抗削蝕技術等。2016年6月，4.5A空心陰極壽命試驗累計點火時間達到28 000 h，點火次數(shù)超過15 000次，HET-40（推力40mN）、HET-80（推力80mN）霍爾推力器分別于2015年7月和2016年10月完成2 422 h和8 035 h壽命試驗，總沖分別達到0.35 MNos和2.3 MNos，均達到國際先進水平。此外，攻克了磁屏蔽抗削蝕技術，使推力器放電室削蝕顯著降低，極大地延長推力器壽命，并應用到5 kW多模式霍爾推力器產(chǎn)品上，使我國成為第2個掌握該技術的國家。

3）針對全電推進衛(wèi)星、深空探測器對多模式霍爾電推進的需求，攻克多模式霍爾電推進技術。涉及的關鍵技術有寬工況磁路技術、高電壓穩(wěn)定技術、大發(fā)射電流大調(diào)節(jié)比空心陰極技術及寬工況微流量控制技術等。研制了 5 kW級HET-300多模式霍爾推力器，性能包絡為功率2～5 kW，推力80～320 mN，比沖1 800～3 160 s。評估了千瓦級HET-80霍爾推力器的多模式工作性能，在放電功率0.3～2.6 kW和電壓200～800 V時，實測推力25～135 mN和比沖1 300～2 500 s。

4）針對電推力器空心陰極加熱器限制可靠性，以及傳統(tǒng)電推力器空心陰極啟動前需要加熱數(shù)分鐘才能點火的問題，攻克了無加熱器的快啟動空心陰極技術，空心陰極、霍爾推力器的點火時間分別縮短至在毫秒量級和1 s以內(nèi)，同時提高空心陰極和霍爾推力器可靠性，使我國成為第2個掌握電推進快啟動空心陰極技術的國家。

5）針對載人深空探測等大型空間任務，探索大功率霍爾電推進技術。完成30 kW級大功率霍爾推力器設計方案；采用2臺HET-80霍爾推力器組成推力器簇，在國內(nèi)首次開展電推力器簇性能試驗。

6）面向工程應用，建立了0.1～5 kW霍爾推力器產(chǎn)品型譜，包括HET-5，HET-20，HET-40，HET-80及HET-300霍爾推力器，正在開展10～50 kW大功率霍爾推力器，以及百瓦級、千瓦級、10 kW級不同功率量級的霍爾電推進系統(tǒng)研制。

哈爾濱工業(yè)大學從2002年起，開始以Aton霍爾推力器為切入點，開始霍爾電推進技術研究，主要研究內(nèi)容包括磁場優(yōu)化、放電振蕩[18]、壽命預測及仿真技術等，此外還有圓柱形霍爾推力器和高效率多級等離子體推力器等新型霍爾推力器技術研究。

北京控制工程研究所從2012年左右開始霍爾電推進技術研究，與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合研發(fā)了千瓦級HEP-100MF霍爾推力器及其系統(tǒng)[19]，正在研制5 kW級HEP-5000MF霍爾推力器及百瓦級霍爾推力器。

蘭州空間技術物理所于2008年左右開始霍爾電推進技術研究，研制了千瓦級LHT-100霍爾推力器及其系統(tǒng)，正在研制5 kW級LHT-140霍爾推力器[20]。

基于HEP-100MF和LHT-100推力器的2套千瓦級霍爾電推進系統(tǒng)于2016年11月3日隨XX-2衛(wèi)星發(fā)射入軌并進行在軌試驗，其中HEP-100MF推力器在軌標定結果為功率1 350 W，推力79.1 mN，比沖1 794 s[21]。

北京航空航天大學主要進行霍爾推力器羽流仿真與診斷，小功率霍爾推力器技術研究。

上海交通大學主要開展霍爾推力器等離子羽流、放電室壁面材料濺射和空心陰極模擬技術研究[22]。

大連理工大學等在開展霍爾推力器仿真技術研究[23]。

4 霍爾電推進發(fā)展趨勢展望

基于霍爾電推進研究歷程、現(xiàn)狀、應用和未來需求等，對其發(fā)展趨勢進行展望。

4.1 擴展功率范圍

近年來蓬勃發(fā)展的微小衛(wèi)星，以及未來載人深空探測等大型航天任務，均可采用霍爾電推進執(zhí)行軌道轉移、位置保持等任務，相應航天器質(zhì)量從幾十千克至上百噸，這要求霍爾電推進系統(tǒng)從現(xiàn)有的中功率范圍拓展至從小于100 W到超過1 MW，相應單臺霍爾推力器的功率從小于100 W到超過200 kW甚至500 kW，推力從小于5 mN到超過20 N。

4.2 強化多模式工作能力

GEO衛(wèi)星及全電推進平臺的軌道轉移、位置保持和姿態(tài)控制等任務，對電推進的功率、推力和比沖等指標需求差異大，需采用工作參數(shù)可調(diào)的多模式電推進，且要求的多模式調(diào)節(jié)能力正在逐步提高。目前美、俄、歐等新研的電推進幾乎都具有多模式能力，如美國2010年首飛的BPT-4000推力器功率3～4.5 kW，針對遠距離無人深空探測任務的HiVHAc推力器功率0.3～3.6 kW，推力24～150 mN，比沖1 000～2 800 s，針對無人小行星重定向任務的HERMeS推力器功率調(diào)節(jié)范圍達到6.25～12.5 kW。為進一步提升調(diào)節(jié)能力，并簡化霍爾推力器結構，俄羅斯火炬設計局開展了空心磁陽極霍爾推力器技術研究。

4.3 提升性能

國外正在進一步提升霍爾推力器的效率、比沖、啟動速度及重量等性能，以降低推進劑、電能的消耗，縮短啟動時間，并進一步輕質(zhì)化。例如，通過采用新型磁路構型、高性能仿真設計手段，提升霍爾推力器比沖和效率，中功率霍爾推力器樣機最高比沖超過3 300 s（美國Busek-1000，功率2.3 kW時），效率達 60%（美國BHT-1500），大功率霍爾推力器樣機最高比沖7 667 s（俄羅斯VHITAL-160，鉍推進劑，功率36 kW時）；通過采用具備快啟動能力的空心陰極，使霍爾電推進系統(tǒng)啟動時間由原來的400 s左右降低到1 s以內(nèi)，如烏克蘭研制的快啟動霍爾推力器飛行樣機（SPT-20和SPT-100）啟動時間小于1 s，比現(xiàn)有啟動時間降低2～3個數(shù)量級。國外在傳統(tǒng)圓環(huán)構型霍爾推力器基礎上，進一步探索有利于提升性能的新型霍爾推力器構型。例如，為了減少離子對放電室壁面的轟擊、減小束發(fā)散角、提升效率，俄羅斯莫斯科無線電大學與Morozov于1992年一起提出了帶緩沖腔的ATON型霍爾推力器；針對傳統(tǒng)霍爾推力器小型化后由于放電室面容比提高導致等離子體對壁面轟擊增加、效率降低及壽命減少等問題，美國普林斯頓大學提出圓柱形霍爾推力器技術研究。

4.4 延長壽命

航天任務速度增量的逐步增長，要求電推進壽命相應提升。目前霍爾推力器壽命約數(shù)千至一萬小時，而針對小行星重定向任務的HERMeS霍爾推力器設計壽命達到5萬小時。除了磁屏蔽技術，科研人員還在探索其他延壽技術。例如，為了降低甚至消除等離子體對放電室壁面的削蝕，德國Thales Electron Devices GmbH提出高效率多級等離子體推力器 （High Efficient Multistage Plasma thruster，HEMP thruster），研制了額定功率1.38 kW的HEMP3050和7.5 kW的HEMP30250樣機，研究表明該類型推力器具有很大的推力調(diào)節(jié)能力，HEMP3050計劃在OHB SmallGEO平臺上進行驗證，哈爾濱工業(yè)大學也在開展相應研究；法國國家科學研究院于2015年左右提出無壁面霍爾推力器思路，以從根本上消除壁面削蝕，并通過200 W、1 500 W樣機和柵網(wǎng)陽極樣機驗證了可行性[24]。

4.5 推進劑多樣化

目前，在軌應用的霍爾推力器均采用氙氣推進劑。雖然氙氣綜合性能較好，但在地球上含量很少，價格昂貴。對于大功率霍爾電推進任務，推進劑需求量達到10 t量級甚至更高，如果集中采購10 t左右的氙氣，將會造成氙氣價格大幅上漲，不利于航天任務的實施[25]。為了能進一步降低霍爾電推進系統(tǒng)成本，科研人員正在拓展推進劑種類，氪氣、氬氣及碘等是重要研究方向。

5 結束語

經(jīng)過50多年的發(fā)展，霍爾電推進已經(jīng)成為國際上研究和應用最為廣泛的一種高性能電推進技術，研究的國家超過12個，應用領域已由GEO衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星擴展至深空探測器、軌道機動飛行器等。以美、俄、法等國家為代表，國際上正在進一步加大霍爾電推進技術研究和應用力度。我國霍爾電推進經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了喜人的成績，一些技術已經(jīng)達到國際先進水平，特別是中功率霍爾電推進完成在軌飛行驗證，為后續(xù)工程應用奠定了良好基礎。但是，仍需清醒地認識到，我國霍爾電推進與俄、美、法等仍然存在十年以上的差距，需要進一步加強任務牽引，加強基礎研究，加強技術創(chuàng)新，加強產(chǎn)學研合作，加強研發(fā)條件建設，使霍爾電推進早日達到國際領先水平，成為我國2030年左右躋身航天強國之列的強有力支撐。

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（編輯：馬 杰）

Development and application of Hall electric propulsion technology

KANG Xiaolu1,2,HANG Guanrong1,2，ZHU Zhichun1,2
（1.Shanghai Institute of Space Propulsion,Shanghai 201112,China; 2.Shanghai Engineering Research Center of Space Engine,Shanghai 201112,China）

Hall electric propulsion has the merits of high thrust density,high thrust-to-power ratio, high specific impulse and high reliability.It brought through its keytechnologyand completed its space experiments during1960s and 1970s.Now Hall electric propulsion has got a lot of applications,such as station keeping,orbit transfer,orbit adjustment and main propulsion of deep space,in spacecrafts of Russia,USA and some other countries.Currently,on-orbit application of 100 W～5 kW Hall thrusters has been realized,and 100 kW Hall thruster is under development.According to the mission requirements of future manned deep-space exploration,GEO satellites,LEO satellites and super low orbit satellites and orbital maneuver vehicles,Hall electric propulsion is developed towards the directions of higher-power envelope,stronger multimode adjustment capability,higher performance,longer life and propellant diversification.In this paper,the technical features and the applicable tasks of Hall electric propulsion technology is analyzed,the development and applications of Hall electric propulsion technology at home and abroad are reviewed,and then the development trends of Hall electric propulsion is prospected.

Hall electric propulsion technology;Hall thruster;multimode adjustment;high power propulsion

V439.4-34

A

1672-9374(2017)01-0008-10

2016-12-20；

2017-01-13

康小錄（1962—），男，研究員，研究領域為電推進技術