電推進工質的研究進展及發(fā)展趨勢

申連華，張 星，陳 藝，梁 棟，游 岳，孫海云，劉朝陽

(1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.航天綠色推進劑研究與應用北京市重點實驗室，北京 100074)

電推進工質的研究進展及發(fā)展趨勢

申連華1,2，張 星1,2，陳 藝1,2，梁 棟1,2，游 岳1,2，孫海云1,2，劉朝陽1,2

(1.北京航天試驗技術研究所，北京 100074；2.航天綠色推進劑研究與應用北京市重點實驗室，北京 100074)

簡述電推進的原理及優(yōu)勢，介紹了電推力器的種類(電磁式、電熱式和靜電式)和電推進工質的分類(固體、氣體和液體三類)，并對各類工質特點進行了概述。固體工質易儲存、無泄漏，但有嚴重碳化現象及比沖??；氣體工質比沖高和可控性好，但貯存容器過大、容易泄漏；液體工質比沖大，效率高，可控性好等。在此基礎上，重點論述了國外電推進工質的研究應用情況。最后結合當前材料研究前沿，對離子液體、納米顆粒、超臨界流體及傳統(tǒng)工質修飾改性材料等作為電推進工質的前景進行了展望。

電推進；工質；電磁式推力器；電熱式推力器；靜電式推力器

0 引言

電推進指通過電能加熱工質，使其發(fā)生解離和加速，形成高速射流從而產生反作用推力的技術[1]。與傳統(tǒng)的化學推進相比，電推進由于突破了推進劑化學內能的約束，其比沖可以比化學推進的比沖高一個數量級(見表1)，因此完成相同任務所攜帶的推進劑就可以大大減少，從而可以增加航天器的有效載荷比、延長工作壽命并且節(jié)約發(fā)射成本。近年來，隨著高效太陽能和核能發(fā)電技術應用到航天領域，電推進的比沖還將繼續(xù)增加。除了以上優(yōu)點外電推進還具有推力小、控制精度高、壽命長、安全性能好及推力調節(jié)方便等優(yōu)點，因此電推進在用作航天器的姿態(tài)控制、軌道控制、深空探測主推進及無拖曳控制等具有廣泛的前景。

電推進概念雖然是由美國的Robert H Goddard在20世紀初最先提出的[2-3]，但是直到20世紀50年代，電推力器的工程應用研究才獲得開始。從1931年蘇聯列寧格勒電推進研究小組研制出世界上第一臺電推進器開始，到2015年3月美國波音公司的兩顆全電推進衛(wèi)星(亞洲廣播衛(wèi)星-3A和歐洲通信衛(wèi)星115西B)升空[4]，經過80多年的發(fā)展，電推進新技術不斷擴展，空間電推進取得了長足的進步，同時為了適用新技術發(fā)展的需要，電推進工質種類和數量也在不斷增多，從最初的液態(tài)汞和銫，到目前廣泛應用的肼、聚四氟乙烯、氙氣和氪氣及極具有應用前景的納米顆粒、離子液體，超臨界流體等，電推進必將成為未來各國競爭的熱點。

表1 電推進和化學推進的比沖和推力對比Tab.1 Comparison between electric propulsion and chemical propulsion in aspects of the specific impulse and thrust

1 電推進的分類

1.1電推力器的類型

電推進根據加速工質的方式不同，可分為電磁式、電熱式和靜電式三種類型[5]。電磁式推力器是氣體工質被電離后在周圍磁場作用下，受洛倫茲力，從噴管加速噴出，產生推力。電磁推力器的優(yōu)點是技術比較成熟、比沖較高、壽命長等。主要包括磁等離子推力器、脈沖感應推力器、脈沖等離子體推力器和可變比沖等離子體推力器等。

電熱式推力器是指通過對工質加熱使其發(fā)生分解，再經噴管加速排出產生推力。其優(yōu)點是結構簡單、成本較低、安全可靠、并且操作和維護起來比較方便等。電熱式推力器包括電阻加熱推力器、電弧加熱推力器、微波等離子體推力器和太陽熱等離子體推力器等。

靜電式推力器是指通過電能將工質離解成離子，離子在靜電場作用下加速飛出產生推力。靜電型推力器的優(yōu)點是比沖較高、質量輕、結構緊湊以及技術成熟等。主要包括電子轟擊式離子推力器、霍爾效應推力器、回旋加速諧振離子推力器、場效應發(fā)射離子推力器和膠體推力器等。其中霍爾效應推力器又可以分為穩(wěn)態(tài)等離子推力器和陰極層推力器。

1.2 電推進工質的分類

根據所采用的工質(推進劑)的狀態(tài)不同，電推進的工質可以分為固體、液體和氣體三種類型。固體工質主要有：聚四氟乙烯、聚乙烯、尼龍-6、鋅、鋰、鎘及鉍等[6]；氣體工質有氮氣、氫氣、一氧化二氮、氬氣、氙氣及氪氣等；液體主要有肼、氨、水、乙醇、液體汞、銫、甘油及碘化納等。對不同的推力器來說其所適用的工質也是不同的，如表2所示。下面按工質的狀態(tài)對近年來電推進工質的的研究情況進行介紹。

表2 電推進工質的類型Tab.2 Types of electric propulsion working medium

2 電推進工質的研究進展

2.1 固體工質

在20世紀50年代末，Bostick W.H.首先提出將金屬作為推進劑用于脈沖等離子體推力器，但噴射流的沉積物導電性不理想并且容易產生羽流污染[7]；采用氮氣和氬氣等氣態(tài)工質推進劑時，但由于推進劑利用效率低并且快速動作控制閥門不易解決，應用受到限制。直到找到了固體聚四氟乙烯并將其作為脈沖等離子體推力器工質，聚四氟乙烯等離子體推力器便登上了空間應用的舞臺。這是由于固體聚四氟乙烯具有蒸氣壓低、穩(wěn)定性好，無毒、廉價、容易獲得、良好的機械強度和加工性能等優(yōu)點,并且在300～500 ℃的溫度作用下，能直接升華成氣體，不易碳化。聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器誕生后便很快獲得了應用，成為第一個應用于航天器控制的電火箭發(fā)動機。目前，該推力器主要有同軸電極型和平行軌道電極型兩種結構[8]，其中同軸結構，推力大，比沖稍低，而平行軌道電極型的推進劑供系統(tǒng)結構簡單，比沖高。

1964年，前蘇聯以采用聚四氟乙烯為推進劑工質，在自動行星際站宇宙探測器上裝載了脈沖等離子體推力器，該推力器利用太陽電池帆板對太陽定向，這也是世界上最早在航天器上成功應用的電推進系統(tǒng)。1966年，美國發(fā)射的林肯實驗衛(wèi)星以聚四氟乙烯為推進劑，使用6臺脈沖等離子體推力器發(fā)動機，做東西位?？刂?；在上世紀70年代，美國空軍研制了放電能量達750 J的毫磅級推力的聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器用于同步衛(wèi)星的南北位?？刂疲⑶以?981～1988年陸續(xù)將聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器海軍子午儀導航衛(wèi)星用作軌道修正和阻力補償任務。2007年，美國將脈沖等離子體推力器電推進應用到 FalconSat-3小衛(wèi)星上來進行姿態(tài)控制。我國于1970年研制的放電能量為4J的MDT-2A推力器(圖1)，并于1981年用彈道火箭進行了首次聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器的空間飛行試驗并獲得圓滿成功[9]。

隨后，為了進一步提高工質分解產物的電導率，改善脈沖等離子體推力器性能，學者們也嘗試將聚乙烯，尼龍-6等代替聚四氟乙烯作為工質，但實驗結果并不理想，其從總體性能上并不如聚四氟乙烯，部分工質的參數見表3所示。俄羅斯學者 L.N. Lesnevsky 認為用金屬鋰和鎘作推進劑，脈沖性能參數比氣體和氟塑料推進劑的裝置穩(wěn)定，并且由于金屬單位質量離化能耗低，可在1 000 ℃以上的高電極溫度下工作，因此可實現大推力、高功率運行，為此進行了深入的研究[10]。

近年來，日本東京計量技術研究所正在研究將60C代替氙氣作推進劑應用到電子轟擊式離子推力器的可行性。Michigan 技術大學在 BPT-2 000 推力器上進行了鎂和鋅輕金屬推進劑性能試驗。Busek公司測試了以碘作為推進劑的霍爾推力器性能，結果表明：在9 kW范圍的其性能超過氙氣推進劑。2003年NASA開展了以鉍為推進劑的高功率霍爾推力器，并于2005年進行了點火試驗，結果表明：20 kW的鉍為工質的霍爾推力器首次點火成功，比沖達到蘇聯水平[11]。目前，美國正在對以鋰和鉀為工質的磁等離子體動力學推力器進行研究試驗，它是通過在電極間施加向電流，使鋰和鉀等工質受熱氣化形成等離子體，等離子體在磁場作用下加速噴出，產生推力。與大多數電推力器相比，其特點是推力大、比沖高(10～40 kN(s·kg)-1)、推力密度大和結構簡單等?？捎糜谖磥泶笮秃教炱鞯淖丝睾蛙壙?， 也可用作深空的主推進器。

表3 部分固體工質的參數Tab.3 Parameters of partial solid working mediums

2.2 液體工質

最早采用的液體推進劑有液體汞和銫，由于有毒且產生污染逐漸被其他工質取代，在所電推進的液體工質中，肼作為工質廣泛應用于電熱式推力器。這是由于一方面肼經過催化可分解成氫氣、氮氣和氨，不僅可以提供給下游的電推力器作為推進工質使用并且肼分解放出的能量也增加了電推力器的比沖；另一方面肼可以與化學推進系統(tǒng)共用一套貯箱及管路輸送系統(tǒng)，從而能簡化火箭結構、減輕其質量[12]。美國研究人員研制的肼電弧推力器的電功率達1.8 kW，比沖5 kN(s·kg)-1，目前，已在“國際通訊衛(wèi)星-8”等地球同步衛(wèi)星上執(zhí)行位置保持任務。日本將研制的推力為0.13 N，比沖為560 s的肼電弧推力器用于對地觀測小衛(wèi)星。

針對現有以固體聚四氟乙烯作為工質的脈沖等離子體推力器推進劑利用率和推進效率低的問題，科學家嘗試將液體工質用于脈沖等離子體推力器，然而采用液體工質進給脈沖等離子體推力器需要一套活動的進給和入射系統(tǒng)，這會增加推進器的復雜性，但由于液體工質沒有延時蒸發(fā)和大粒子發(fā)射等問題，并且質量流率容易控制、有較低的平均原子或分子重量等優(yōu)勢[13]，使得液體工質進給的脈沖等離子體推力器具有更高的推進效率。加利福尼亞大學的Ziemer等人分別將水和氬氣為工質對脈沖等離子體推力器進行了性能對比測試，結果表明：水比氬氣作為工質具有更高的推進效率，同時水作為一種安全無毒的推進劑工質，可以飲用也可以作為燃料，因此在載人航天器上可以共享一個貯存系統(tǒng)，同時也能充分利用空間站上產生的大量廢水作為工質，減少地面向空間站補給推進劑的運輸量，從而能大大節(jié)約成本和空間，然而缺點是水電阻加熱推力器比沖偏低，只有200 s左右。2003年，由SSTL研制的水電阻加熱推力器首次在災害檢測衛(wèi)星上進行了飛行試驗[14]。

由于銫、銦和銣等金屬具有高的原子質量、低的熔點和逃逸能成為場效應發(fā)射離子推力器較理想的推進劑(見表4)。場效應發(fā)射離子推力器是依靠高壓靜電場離化液體銫、銦和銣并加速帶電離子產生推力，因此具有高比沖、低推力、壽命長、控制簡便、控制精度高、振動小、反復開關性能好等推進技術等特點[15]，但缺點是液態(tài)堿金屬的使用會對許多航天器表面造成潛在的沉積及污染。近年來，歐洲空間局正在研究將銫、銦和銣應用到小衛(wèi)星的控制上。

在上世紀60年代，美國就開始發(fā)展以導電液體如甘油、碘化納為推進劑工質的膠體推力器，由于這種推力器使用的是稀有氣體作為推進劑，有利于長時間的儲存并且能適用于長期的任務。同時該推力器比沖較高，能提供較寬的推力和比沖范圍，是一種可應用于微小衛(wèi)星的非常有發(fā)展前景的推進系統(tǒng)。計劃于2017年發(fā)射的美國的“利薩”探路者航天器，將采用美國Busek公司和意大利ALTA公司研制的膠體電推進來完成超精確無拖曳控制[16]。

表4 液體工質的參數Tab.4 Parameters of partial liquid working mediums

2.3 氣體工質

目前，在所有的電推進的氣體工質中，氬氣、氙氣及氪氣等稀有氣體由于化學性質較穩(wěn)定、無毒、不易爆炸、不會對貯箱和管路造成腐蝕，逐漸取代傳統(tǒng)的一些有毒物質作為推進劑應用于電推進。這些稀有氣體用于電推進工質的都有嚴格的技術指標要求[17]，美國宇航局采購的用于離子推進的氙氣指標如表5所示。1992年，俄羅斯鮑曼莫斯科國立技術大學研究者建立一個專門生產超高純度氪和氙氣的工廠，生產出的氪和氙氣的純度能達99.999 99%，而雜質的含量不到0.000 01%。

1965年美國以氮氣為推進劑，在衛(wèi)星上首次使用電阻加熱推力器作姿態(tài)控制，推力可達2 000 mN，比沖1 210 m/s。1972年，蘇聯用氙氣為推進劑工質，在流星號氣象衛(wèi)星上，首次使用2臺靜態(tài)等離子體推力器進行了軌道調整試驗。1998年，NASA將離子引擎作為主力推進系統(tǒng)的深空一號探測飛船采用氙氣為推進劑，飛行時間達16 265 h；深空一號的成功發(fā)射，標志著航天史上電推進首次作為主推進劑應用在深空飛行中[18]。2003年，日本發(fā)射的隼鳥號航天器以氙氣為工質，裝載4臺微波等離子體電推進系統(tǒng)，消耗氙氣47 kg，在整個飛行任務中離子電推進系統(tǒng)累計工作39 637 h，成功完成了采樣返回任務；2007年美國發(fā)射的黎明號航天器也是以氙氣為工質，裝載3臺 NSTAR-30 離子電推進系統(tǒng)完成了對主帶小行星灶神星和谷神星科學探測的主推進任務，見圖2。不僅如此，以氙氣和氪氣為工質的霍爾推力器發(fā)展到現在已經具有SPT-25、SPT-50、SPT-70及SPT-100等多種型號[19]，也是迄今在空間用得最多的電推力器之一。美國ERC公司的在 SPT-100 推力器上，以氙氣和氪氣為推進劑進行了試驗研究結果表明：氪氣推力器的性能不如用氙氣，在額定工作下，氪氣的比沖低于氙氣，并且效率降低8%，這是由于氙氣的原子量和密度要高于氪氣，并且電離能要低于后者，具體參數見表6。

表5 用于離子電推進的氙氣指標Tab.5 Specifications of xenon used for ion electric propulsion

電推進一般選用原子量高，熔點低、密度大、蒸氣壓和逃逸能低的作為工質，同時也要綜合考慮其毒性、價格等因素，當前電推進工質可以分為氣體工質、液體工質和固體工質3大類。氣體作為工質比沖高和可控性好，但由于貯存容器過大并且容易泄漏；固體工質易儲存、無泄漏，但工質有嚴重碳化現象、熱破壞性強以及工質的延時蒸發(fā)和大粒子發(fā)射等問題造成推進劑的比沖小。而液體作為工質時具有安全，比沖較大，效率高，可控性好等優(yōu)點。不同類型的工質各有利弊，工質的選擇需要從未來工程實際應用的角度出發(fā)，選擇容易儲存和能量密度較高的推進劑工質。

近年來，我國的電推進也在飛速發(fā)展。目前，國內研究比較多的電推進類型是霍爾電推進和離子電推進，并且這兩種電推進采用的工質主要是氙氣，氙氣等氣體作為工質雖然推功比大，比沖高和可控性好，但由于貯存容器過大并且容易泄漏，不適用在軌微星姿態(tài)的精確控制和調整。目前為止，國內對其他類型的電推進工質的研究和報道卻較少，而工質作為電推進的一部分，其對電推進整體性能的影響不容忽視。因此，加強對電推進工質等基礎理論的研究，對提升我國電推進水平，提高我國航天技術水平在國際上的影響力奠定基礎。

3 未來趨勢

目前，為滿足軌道轉移及深空探測等未來應用需求，電推進正向著高功率方向發(fā)展。一方面，隨著近年來核能發(fā)電技術和太陽能供電技術的大力發(fā)展，許多成熟高效的綠色新能源技術逐漸被應用在電推進技術領域，能源轉化效率由過去的20%～30%上升到60%～70%以上，電推進功率也能基本覆蓋從近地推進、深空探測到空間姿態(tài)調整等從小到大不同應用場合的功率需求，并且這種綠色能源來源廣泛，可持續(xù)性強[20]。此外，大功率、高電壓、快速充放電的新型超級電容器的發(fā)展也為電推進技術中工質的快速高效電離提供了另一種途徑。另一方面，除了電力能源發(fā)展以外，以新型離子液體為代表的高性能工質的不斷出現,也為高功率大比沖電推進技術的研發(fā)提供了可能。

離子液體是有機陽離子和陰離子通過靜電作用結合形成的有機鹽類，其蒸汽壓幾乎忽略不計。離子液體的這種特殊結構滿足其作為電推進工質的所有要求，并且由于離子液體的粘度極低可以大大減小噴管堵塞。此外，由于離子液體較強的可調控性，通過改變陽離子和陰離子的種類可以組合出上千種不同性能的離子液體，這些離子液體通常具有較高的能量密度和穩(wěn)定性，這也為其作為電推進工質的未來發(fā)展之路奠定了基礎。另外，除了純離子液體化合物作為工質的研究之外，還有學者開始探究離子化基團修飾的石墨烯納米衍生物、碳納米管包合金屬顆粒與等離子體、離子液體以及肼、氙、氨等傳統(tǒng)工質中形成復合工質來進一步提升電推進工質的綜合性能。由于離子化基團修飾納米顆粒優(yōu)良的分散性和穩(wěn)定性，其復合工質繼承了納米顆粒的這一優(yōu)勢并且有助于提高工質的運行穩(wěn)定性和提高能量效率。除此之外，還有學者考慮將超臨界流體這一新型的物質形態(tài)應用于電推進技術中。通過改變壓力和溫度可以將傳統(tǒng)的工質轉變?yōu)榻殡姵?、密度、粘度等物理化學性質超乎尋常的超臨界流體，這種超臨界流體在電離以及場運動方面可能有著特殊的優(yōu)勢，這一前沿領域也在逐步引起歐美俄等航天強國的關注和研究。

4 結束語

近年來，隨著人類航天任務需求的不斷增加，電推進技術也在持續(xù)發(fā)展，一方面新的電推進技術也層出不窮包括：氣體動力鏡推力器、真空弧推力器、吸氣電磁推進、雙極PPT及無電極等離子體等；另一方面， 核電和太陽能等許多成熟高效的綠色新能源技術逐漸被應用在電推進技術領域。為了適應這些新技術的需要，電推進的工質也不斷增多。一方面研究者不斷探索和嘗試將新的工質用于電推進，包括氪氣、氮氣、碘、鎂、鉍、離子液體、納米顆粒、碳納米管、石墨烯衍生物及超臨界流體等，其中有些已經工程應用階段，有的還處于試驗階段；另一方面，在傳統(tǒng)工質的基礎上經過改性、修飾及將傳統(tǒng)工質與新的工質進行復合形成的復合工質兼具多種工質優(yōu)異的特性，因此，通過對電推進工質進行篩選和優(yōu)化，進而提高電推進的性能，推動人類電推進水平再上新臺階。

目前已經應用電推進的國家包括美國、俄羅斯、歐洲、日本等，在電推進的研究和應用方面都獲得了巨大成功，不同類型和不同特點的電推進在空間航天器上都獲到了廣泛應用。中國、韓國及以色列等國家正在制定或實施電推進應用計劃。目前我國在電推進技術上與美國和俄羅斯等還有較大差距，針對目前國內電推進研究仍處于基礎研究和總體設計研究的發(fā)展現狀，只有加大投入，促進合作，才能縮短與世界領先水平的差距。

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Research progress and development trend ofworking medium for electric propulsion

SHEN Lianhua1,2， ZHANG Xing1,2， CHEN Yi1,2， LIANG Dong1,2， YOU Yue1,2， SUN Haiyun1,2，LIU Chaoyang1,2

(1.Beijing Institute of Aerospace Testing Technology， Beijing 100074， China; 2.Beijing Key Laboratory of Research and Application for Aerospace Green Propellant， Beijing 100074, China)

The basic principle and primary characteristic of electric propulsion are described briefly. The types of electric thruster and classification of electric propulsion working medium are introduced. The features of various working mediums are summarized. Solid working medium is easy to store and has no leakage， but has a serious carbonization phenomenon and low specific impulse. Gas working medium has a good controllability and high specific impulse， but needs large storage container and is easy to leak. Liquid working medium has high efficiency， good controllability and high specific impulse. On this basis， the research and application situations of electric propulsion working medium in China and foreign countries are discussed emphatically. In combination with materials in current research front， the development prospect of ionic liquids， nano-particles， supercritical fluids and traditional propellant modified materials used as electric propulsion working medium is also discussed.

electric propulsion；working medium；electromagnetic thruster；electrothermal thruster；electrostatic thruster

2016-03-31；

2017-07-06

申連華(1988—)，男，碩士，研究領域為推進劑

V513-34

A

1672-9374(2017)06-0007-07

(編輯：馬 杰)