電推進(jìn)加速技術(shù)現(xiàn)狀及展望

夏廣慶，鹿 暢，孫 斌，韓亞杰

(1. 大連理工大學(xué)航空航天學(xué)院，大連 116024； 2. 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；3. 遼寧省空天飛行器前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024)

0 引 言

電推進(jìn)技術(shù)由于具備遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)的比沖優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前各國航天器降低總質(zhì)量、提高有效載荷能力、延長在軌壽命的最有效途徑之一。國際上已經(jīng)把采用電推進(jìn)系統(tǒng)作為衡量空間推力器先進(jìn)性的標(biāo)志之一。

2010年8月，美國洛馬公司研制的先進(jìn)極高頻軍事衛(wèi)星AEHF在遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)失效的情況下，被多模式霍爾推力器成功拯救且確保了預(yù)定的14年壽命，從而避免了超過20億美元的損失。隨即拉開了全電推進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的序幕。2012年10月14日，中國實(shí)踐9A衛(wèi)星搭載LIPS-200離子推力器和HET-70霍爾推力器進(jìn)行了空間在軌實(shí)驗(yàn)，這是中國首次進(jìn)行電推進(jìn)技術(shù)的空間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。以此為分界點(diǎn)，中國電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，從基礎(chǔ)性預(yù)研階段正式進(jìn)入空間應(yīng)用階段。2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京控制工程研究所聯(lián)合研制的中國新一代磁聚焦型霍爾推力器HEP-100MF在實(shí)踐十七號(hào)衛(wèi)星上采用，該衛(wèi)星搭載“長征五號(hào)”運(yùn)載火箭在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，并于同年11月22日，在地球同步軌道點(diǎn)火成功，標(biāo)志著磁聚焦型霍爾推力器在國際上首次實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用。2019年12月，中國在“實(shí)踐二十號(hào)”衛(wèi)星上成功應(yīng)用了由蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研發(fā)的LIPS-300離子推力器，標(biāo)志著中國電推進(jìn)技術(shù)取得重大突破。2020年1月，上?？臻g推進(jìn)研究所研制的中國首款20 kW大功率霍爾推力器成功完成點(diǎn)火試驗(yàn)。該推力器的成功研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了中國霍爾推力器推力從毫牛級(jí)向牛級(jí)的跨越。可見電推進(jìn)的必要性和重要性在現(xiàn)代航天領(lǐng)域日益凸顯。隨著航天任務(wù)的擴(kuò)展以及衛(wèi)星性能的提高，研發(fā)更高性能的電推進(jìn)裝置對(duì)中國未來的航天任務(wù)將起到至關(guān)重要的作用。

電推進(jìn)的發(fā)展可以追溯至20世紀(jì)60年代，至今電推進(jìn)在功率、結(jié)構(gòu)、原理、形式上更加多樣化，所適用的航天任務(wù)范圍也更加寬廣。電推進(jìn)的本質(zhì)是將電能或者電磁能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)工質(zhì)的動(dòng)能，使推進(jìn)工質(zhì)獲得極高的噴出速度，從而產(chǎn)生反作用推力。其中，等離子體加速過程是電推進(jìn)產(chǎn)生推力的核心過程。根據(jù)加速方式的不同，可將電推進(jìn)大致分為電熱式、靜電式以及電磁式三種類型。不同的加速方式各有優(yōu)劣，例如，靜電加速方式通常存在電極腐蝕的問題，而電磁加速方式中，通常存在電磁干擾和效率偏低等問題。但是，隨著航天器可用功率的增加，先進(jìn)材料及高精密加工技術(shù)的出現(xiàn)，電推進(jìn)技術(shù)的潛力得到了持續(xù)深入的開發(fā)，新概念電推進(jìn)技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。

鑒于此，本文綜述了各類電推進(jìn)加速技術(shù)及基本原理，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外最新加速技術(shù)，總結(jié)了現(xiàn)有加速技術(shù)存在的問題。在此基礎(chǔ)上，對(duì)電推進(jìn)加速技術(shù)的下一步發(fā)展進(jìn)行了展望，以期為中國電推進(jìn)的發(fā)展、新型電推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)提供參考，促進(jìn)電推進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 電熱加速技術(shù)

電熱加速推進(jìn)本質(zhì)上是將電能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)工質(zhì)的熱能，然后被加熱至極高溫度的中性工質(zhì)或等離子態(tài)的工質(zhì)通過拉瓦爾噴管膨脹，熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，產(chǎn)生推力，最終為航天器提供動(dòng)量。

1.1 典型電熱加速技術(shù)

典型的電熱加速技術(shù)包括電阻加熱、電弧加熱和微波或射頻電熱。除加熱方式不同外，電熱式推力器的工作原理基本一致：推進(jìn)工質(zhì)受熱膨脹后，流經(jīng)拉瓦爾噴管將部分熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，進(jìn)而獲得推力。電熱式推力器是最接近化學(xué)推進(jìn)的一種電推進(jìn)方式，其比沖基本由推進(jìn)工質(zhì)的加熱程度決定。受加熱機(jī)制限制，不同的加熱方式有各自的性能特點(diǎn)。

電阻加熱的方式受推力器材料耐熱性限制，工質(zhì)溫度無法加熱至過高，通常不超過3000 K。因此，電阻加熱推力器的比沖一般在100～300 s，推力在0.2 N左右，功率在0.1～1 kW。由于效率較低，對(duì)工質(zhì)攜帶量要求較高。電弧等離子體的溫度一般在10000～20000 K，而電弧放電附近的推力器通道溫度在2000 K左右，小于推力器材料溫度上限。電弧加熱推力器的比沖一般在500 s左右，采用氫氣或氦氣作推進(jìn)工質(zhì)時(shí)，比沖可達(dá)1000 s以上。推力在0.1 N左右，輸入功率可達(dá)1 kW，運(yùn)行時(shí)長在1000 h以上。射頻或微波電熱推力器功率一般為0.1 kW，頻率kHz～GHz。以氦氣為工質(zhì)時(shí)，能量耦合效率達(dá)99%，總效率大于54%，比沖達(dá)600 s。

總體而言，電熱式推力器的結(jié)構(gòu)工藝及制造簡單，可選的推進(jìn)工質(zhì)也極為豐富，其發(fā)展已相對(duì)成熟，而且在早期在軌飛行航天器的姿態(tài)控制、阻力補(bǔ)償、位置保持、軌道修正等任務(wù)上已得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 電熱加速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

電阻加熱最顯著的優(yōu)點(diǎn)在于其非常易于與化學(xué)推進(jìn)的工質(zhì)管理系統(tǒng)耦合，其整體結(jié)構(gòu)可以非常緊湊，使用、維護(hù)、安裝及操作均非常簡單。除此之外，電阻加熱推力器還具有安全可靠、污染小等優(yōu)點(diǎn)。而且，該推力器的性能對(duì)等離子體狀態(tài)不敏感，效率一般可超過50%。由于上述原因，電阻加熱推力器特別適合小衛(wèi)星，是通信衛(wèi)星的首選推進(jìn)方案。當(dāng)然，受結(jié)構(gòu)材料的限制，電阻加熱推力器的工質(zhì)受熱上限很低，導(dǎo)致其比沖遠(yuǎn)小于其他形式的電推進(jìn)。

電弧加熱的方式可以規(guī)避推力器材料對(duì)工質(zhì)受熱的限制，所以其比沖有顯著增加。但是由于只有部分工質(zhì)可以發(fā)生電弧放電，其效率小于電阻加熱的方式，約為35%～40%。除此之外，其陰陽極暴露在等離子體環(huán)境中，極易受離子沖擊腐蝕，導(dǎo)致其壽命較短，一般為幾百小時(shí)。此外，電弧等離子體的不穩(wěn)定性也是影響其使用的主要障礙。

微波電熱式相對(duì)于電弧加熱省去了陰陽極，因此使用壽命顯著提高。微波放電產(chǎn)生的等離子體可不與推力器壁面接觸，因而同樣不受推力器材料限制，工質(zhì)受熱上限高，比沖也較高。此外，其還可使用衛(wèi)星的微波功率處理單元。其主要問題是微波放電的不穩(wěn)定性，若微波的功率沉積不合適會(huì)影響推力器的使用壽命。而且，通常也只有部分工質(zhì)參與放電，所以其效率也較低，一般小于10%。綜上所述，由于電熱式推力器可省去工質(zhì)管理系統(tǒng)，因此特別適用于小衛(wèi)星。但由于比沖較低，其一般用于低成本衛(wèi)星的在軌飛行任務(wù)。各種加熱方式均有優(yōu)劣，針對(duì)各加熱方式的優(yōu)缺點(diǎn)或針對(duì)不同的任務(wù)需求，新型的電熱式推力器不斷被研發(fā)。

在電阻加熱推力器方面的進(jìn)展主要有：2017-2019年，Romei等報(bào)道了他們研制的新型熱交換器電阻加熱推力器。新型換熱器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括一個(gè)帶集成噴嘴的薄壁同心管。通過采用多層加熱及氣熱交換，工質(zhì)到達(dá)噴管處時(shí)其溫度可較傳統(tǒng)電阻加熱推力器有顯著提高。以氙為工質(zhì)時(shí)，氣體溫度可由1000 K提升至3000 K，且比沖由50 s提升至100 s以上。但由于換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必須采用激光增材制造技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。

圖1 新型換熱器結(jié)構(gòu)圖[34]Fig.1 Structure of the new type heat exchanger[34]

2019年，Kindracki等提出一種采用超級(jí)電容的新型功率單元(Super capacitor power system, SCPS)電阻加熱推力器。其工作模式為：首先，在正常飛行期間，推力器系統(tǒng)保持待機(jī)模式，超級(jí)電容由航天器電源以低功率模式充電；然后，在推力器啟動(dòng)之前，將超級(jí)電容與充電系統(tǒng)斷開，由超級(jí)電容單獨(dú)為推力器供電；再次，推力器工作期間，超級(jí)電容器快速放電，使加熱器快速升溫；最后，推力器關(guān)閉后，超級(jí)電容重新連接到航天器的充電系統(tǒng)進(jìn)行充電。該推力器利用了超級(jí)電容超高的功率密度以及可以快速充放電的特性，比較適用于時(shí)間短但功耗高的任務(wù)。實(shí)驗(yàn)表明，采用超級(jí)電容的電源單元可在單位質(zhì)量流量(g/s)下將工質(zhì)氣體的溫度增加約200 ℃，并使比沖增加約28%。

2015年，Cervone等提出一種基于固體推進(jìn)劑的低氣壓電阻加熱推力器。該推力器首次嘗試以固態(tài)的冰作為推進(jìn)工質(zhì)，利用低壓條件下固態(tài)冰升華為水蒸氣持續(xù)提供推進(jìn)工質(zhì)，推力1～1.6 mN，比沖約為70 s。由于采用了固態(tài)推進(jìn)劑，可進(jìn)一步縮小推力器整體體積，實(shí)現(xiàn)小型化，此外利用水作為推進(jìn)工質(zhì)，更為安全、環(huán)保。

在電弧加熱推力器方面的進(jìn)展主要有：2017年，Horisawa等報(bào)道了一種陣列式電弧加熱推力器。如圖2所示，該推力器采用多組陰陽極及微噴管陣列的方式顯著增大了電弧加熱推力器的推力。采用6×6陣列時(shí)，實(shí)驗(yàn)中推力最高接近45 mN，比沖接近120 s，效率超過30%。

圖2 陣列式電弧加熱推力器設(shè)計(jì)概念[37]Fig.2 Design concept of array arcjet thruster[37]

2014年，F(xiàn)ujita等和Kamimura等報(bào)道了其研制的毛細(xì)管型電熱脈沖等離子體推力器。該推力器主要針對(duì)傳統(tǒng)脈沖等離子體推力器進(jìn)行了改進(jìn)，將電磁加速改為電弧加熱加速，其原理如圖3所示。利用毛細(xì)管結(jié)構(gòu)可以使電弧放電更加穩(wěn)定且易于控制。而且，該推力器的加速方式混合了熱加速與電磁加速，對(duì)中性粒子和等離子體均有明顯的加速作用，比沖和效率得以進(jìn)一步提高。該推力器比沖可達(dá)780 s，效率13%～25%。在上述工作基礎(chǔ)上，相繼有類似的毛細(xì)管型電熱脈沖等離子體推力器被研發(fā)。

圖3 毛細(xì)管型脈沖等離子體推力器[43]Fig.3 Capillary pulse plasma thruster[43]

在射頻或微波電熱推力器方面的進(jìn)展主要有：2018-2019年，Doyle等和James等提出了微波加熱功率沉積的時(shí)空調(diào)控方法。其通過施加兩個(gè)或兩個(gè)以上相同振幅的諧波，同時(shí)改變高次諧波的相位偏移，可以使等離子體產(chǎn)生電場(chǎng)相位不對(duì)稱。這種電不對(duì)稱效應(yīng)(EAE)進(jìn)而可以改變放電等離子體的分布特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過優(yōu)化微波相位，沉積至離子的功率占總射頻功率的比例可由57%提升至77%，等離子體密度可提高225%，軸線區(qū)域中性氣體溫度提高35%。

最后，表1總結(jié)了不同電熱式推力器的改進(jìn)方向?？梢钥闯?，電阻加熱多從推力器組成單元進(jìn)行改進(jìn)，電弧加熱的改進(jìn)較為多樣化，微波或射頻電熱則從能量耦合方面進(jìn)行改進(jìn)。

表1 電熱式推力器改進(jìn)方向Table 1 Improvement direction of electrothermal thruster

2 靜電加速技術(shù)

靜電加速技術(shù)中，通常首先采用電能電離推進(jìn)工質(zhì)，然后通過具有極高電勢(shì)差的柵極加速離子。

2.1 典型的靜電加速方式

離子推力器的偏置電壓柵極引出及加速離子是最典型的靜電加速方式。離子推力器的等離子體源可以采用多種方式，包括直流放電電子轟擊式、微波放電、射頻放電、螺旋波放電等，而加速過程均采用開有數(shù)千個(gè)孔且電壓偏置的柵極系統(tǒng)完成。由于柵極間的電壓差極高(>1 kV)，可以在極短的距離內(nèi)將離子加速到極高的速度，所以靜電加速可獲得極高的比沖(通常在1000 s以上)。

2.2 靜電加速技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

目前，影響靜電加速方式的關(guān)鍵因素主要有以下四個(gè)方面：

1)由于柵極板的厚度極薄，通常小于1 mm，當(dāng)柵極跨度過大時(shí)，柵極板力熱穩(wěn)定性很難保證。因此離子推力器的總功率及推力水平很難得到大幅提升。

2)柵極的引出與加速過程相互耦合并限制，比沖很難得到顯著提高。

3)離子被柵極引出后，為了防止衛(wèi)星積累電荷，需要使噴射到空間中的羽流呈電中性。為此，需要配備專門的中和器來中和離子。中和器在一定程度上影響了推力器的壽命、體積大小、總質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

4)柵極及中和器需要獨(dú)立的電源供電，很難小型化，因此離子推力器應(yīng)用于微小衛(wèi)星受限。

針對(duì)以上問題，許多新型的靜電加速技術(shù)相繼出現(xiàn)：

為應(yīng)對(duì)大尺寸柵極板制造困難的問題，2012年NASA格林研究中心提出了一種新型的離子推力器——環(huán)型離子推力器。針對(duì)中國未來近地軌道任務(wù)、遠(yuǎn)距離深空探測(cè)等使命，2015年蘭州空間物理研究所在國內(nèi)率先展開了環(huán)型離子推力器的研發(fā)。如圖4所示，環(huán)型離子推力器的放電室呈環(huán)形，使其具備如下顯著優(yōu)勢(shì)：首先，柵極跨度成倍減小，降低了大尺寸柵極的制造難度，可大幅提高推力器設(shè)計(jì)尺寸；其次，陽極面積增大近一倍，顯著增大了放電室輸入功率上限；再次，中和器可安裝在推力器軸線上，使得結(jié)構(gòu)一體化，節(jié)省安裝空間；最后，其還具備制造多環(huán)及混合環(huán)型推力器的潛力。

圖4 環(huán)型離子推力器[52]Fig.4 Annular ion thruster[52]

為了解決柵極系統(tǒng)引出與加速過程耦合限制的問題，F(xiàn)earn基于托卡馬克核試驗(yàn)裝置的四柵極離子引出系統(tǒng)提出了用于離子推力器的雙階柵極系統(tǒng)。如圖5所示，在雙階柵極系統(tǒng)中，離子的引出和加速過程分成了兩個(gè)階段實(shí)現(xiàn)。在引出階段，屏柵極與第二個(gè)柵極僅負(fù)責(zé)聚焦束流離子；在加速階段，第二個(gè)柵極和第三個(gè)柵極僅負(fù)責(zé)加速束流離子。引出過程與加速過程分開后，第三個(gè)柵極電壓的取值僅受電子回流限制，通過合理的設(shè)計(jì)柵極間距和孔徑，可以在屏柵極和第二個(gè)柵極上施加非常高的電壓。因此，雙階柵極系統(tǒng)的比沖沒有理論上限，可以大幅提高離子推力器的推力密度。

圖5 雙階柵極結(jié)構(gòu)示意圖[56]Fig.5 Dual-stage ion optics[56]

為了規(guī)避外部中和器的限制，2014年Lafleur和Rafalskyi首次提出了自中和射頻離子推力器。如圖6所示，推力器的引出柵極由射頻電源供電。離子和電子對(duì)于振蕩場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間不同，分別于不同的時(shí)間點(diǎn)被引出。此過程會(huì)產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)，對(duì)鞘層電壓進(jìn)行一定程度的矯正。離子被引出之后，被加速柵極加速并從尾部噴出，產(chǎn)生推力。與此同時(shí)，當(dāng)?shù)入x子體電勢(shì)值接近零時(shí)，由于電場(chǎng)的改變，大量電子會(huì)被引出，并經(jīng)由柵極加速噴出。在整個(gè)過程中，為保證系統(tǒng)內(nèi)不存在直流電流，推力器內(nèi)配有隔直裝置，保護(hù)系統(tǒng)安全。最終在單位時(shí)間內(nèi)，電子和離子的提取引出量大致相等。推力器工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的等離子體束流由連續(xù)交替加速的離子和電子組成，這種束流可以自行中和。因此，該推進(jìn)系統(tǒng)無需額外的中和器，極大地減小了推力器的體積和質(zhì)量。

圖6 自中和射頻離子推力器[57]Fig.6 Neutralizer-free gridded ion thruster[57]

除上述基于平行柵極結(jié)構(gòu)的靜電加速方式，還有一種新型柵極結(jié)構(gòu)的靜電加速方式——慣性靜電加速。如圖7所示，其電離及加速過程相互耦合，相比于其它靜電加速方式，其具有無空心陰極、抗燒蝕、使用壽命更長的優(yōu)勢(shì)。此外，將等離子體的產(chǎn)生階段與加速階段分開，與螺旋波等離子體源相結(jié)合，可進(jìn)一步提高該推力器的性能。

圖7 慣性靜電約束推力器[58]Fig.7 Inertial electrostatic confinement thruster[58]

為實(shí)現(xiàn)靜電加速技術(shù)的小型化，許多基于靜電加速技術(shù)的微電推進(jìn)被研發(fā)出來，典型的靜電加速微推進(jìn)包括：

1)場(chǎng)發(fā)射電推力器

場(chǎng)發(fā)射電推力器(Field emission electric propulsion, FEEP)一般是基于場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)。其基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。FEEP推力器的發(fā)射極為一個(gè)非常鋒利的針。推進(jìn)工質(zhì)為液態(tài)金屬，如銫。液態(tài)金屬首先浸潤發(fā)射極尖端，然后在發(fā)射極與引出極之間施加極高的電壓，在發(fā)射極尖端形成極強(qiáng)的電場(chǎng)。在電場(chǎng)及液態(tài)金屬表面張力的相互作用下，液態(tài)金屬在發(fā)射極尖端形成泰勒錐。如果泰勒錐附近的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到液態(tài)金屬的蒸發(fā)強(qiáng)度(約為10V/m)，液態(tài)金屬離子化并蒸發(fā)，進(jìn)而在靜電場(chǎng)下被加速噴出。發(fā)射出的金屬離子通過柵極孔，速度可高達(dá)100 km/s，比沖可達(dá)6000 s以上。

圖8 場(chǎng)發(fā)射電推力器[59]Fig.8 Cut away view of Nano FEEP thruster prototype[59]

2)離子液體推力器

如圖9所示，離子液體推力器(Ionic liquid thruster, ILT)與場(chǎng)發(fā)射電推力器工作原理類似。不同的是，ILT的推進(jìn)工質(zhì)為一種離子化合物。由于采用了離子液體，離子化及啟動(dòng)電壓要求降低，推力器性能得到進(jìn)一步提升。在3 kV加速電壓下，離子液體推力器的比沖在1000 s以上，效率可高達(dá)90%。

圖9 離子液體推力器結(jié)構(gòu)示意圖[60]Fig.9 Structure diagram of ILT[60]

3)超聲電噴推力器

超聲電噴推力器利用超聲產(chǎn)生毛細(xì)管駐波陣列，駐波尖端在強(qiáng)電場(chǎng)的吸引下形成帶電液滴，并被靜電場(chǎng)加速噴出。超聲電噴推力器的原理如圖10所示。液體首先流入發(fā)射臺(tái)表面，當(dāng)超聲波傳至發(fā)射臺(tái)表面時(shí)，在液體表面產(chǎn)生毛細(xì)駐波。當(dāng)發(fā)射臺(tái)表面與引出極之間施加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，毛細(xì)駐波尖端會(huì)被電場(chǎng)極化。當(dāng)電場(chǎng)力和振動(dòng)力超過液錐表面張力時(shí)，液錐頂部將被拉長直至破裂，形成極小的帶電液滴。隨后，這些液滴在靜電場(chǎng)作用下繼續(xù)加速噴出。超聲電噴推力器推力約1～20 μN(yùn)，比沖900～1200 s。

圖10 超聲電噴推力器[61]Fig.10 Ultrasonically aided electrospray thruster[61]

4)碳納米管陣列離子推力器

碳納米管陣列離子推力器是一種基于碳納米管場(chǎng)電離技術(shù)的新型微型離子推力器。如圖11所示，碳納米管陣列離子推力器利用碳納米管(CNT)場(chǎng)放電在納米管尖端高效電離推進(jìn)工質(zhì)，然后利用柵極引出并加速離子。碳納米管陣列離子推力器具備易小型化、高電離率、高效率等特點(diǎn)。而且，根據(jù)碳納米管電極的不同極性可以切換發(fā)射離子和電子，因此無需中和器，其使用壽命較長。目前其比沖在2000 s以上，工質(zhì)離化率約30%。

圖11 碳納米管陣列離子推力器[63]Fig.11 Carbon nanotube array ion thruster[63]

5)磁化電子轟擊金屬離子推力器

如圖12所示，在該推力器中，電子槍E-gun發(fā)射高能電子轟擊金屬靶，融化金屬靶形成金屬蒸氣，同時(shí)電離部分金屬蒸氣。金屬離子進(jìn)入加速區(qū)域產(chǎn)生推力。該推力器的特點(diǎn)為電子槍轟擊金屬靶可產(chǎn)生3000 ℃～6000 ℃高溫，可融化絕大部分金屬，因此金屬靶材料可選范圍非常廣泛。該推力器的推力由中性及離化的金屬氣體噴出獲得。目前，實(shí)驗(yàn)中離子占比小于1%，比沖約為100 s。

圖12 磁化電子轟擊金屬離子推力器[65]Fig.12 Metal ion thruster using magnetron electron beam bombardment[65]

表2總結(jié)了不同功率靜電式推力器的改進(jìn)方向?？梢钥闯觯蠊β熟o電式推力器可從柵極形狀和柵極加速模式上進(jìn)行改進(jìn)，而小功率靜電式推力器多從電離模式上改進(jìn)。

表2 靜電式推力器改進(jìn)方向Table 2 Improvement direction of electrostatic acceleration thruster

3 電磁加速技術(shù)

電磁加速技術(shù)中，等離子體在電磁力的共同作用下電離并加速。但是，通常帶電粒子獲得能量和電磁加速并非一個(gè)過程，一種推進(jìn)方式也常伴隨幾種電磁加速過程，所以利用電磁加速的方式非常多，電磁式推力器種類也較多。以下針對(duì)每種電磁式推力器進(jìn)行介紹。

3.1 典型電磁式推力器

電磁式推力器種類繁多，其加速機(jī)制通常也差異較大，主要有：脈沖等離子體推力器(Pulsed plasma thruster, PPT)、磁等離子體動(dòng)力推力器(Magneto-plasma dynamic thruster, MPDT)、霍爾推力器、多級(jí)會(huì)切場(chǎng)推力器、感應(yīng)式脈沖等離子體推力器、螺旋波等離子體推力器(Helicon plasma thruster，HPT)、電子回旋共振等離子體推力器(Electron cyclotron resonance plasma thruster, ECRPT)、可變比沖磁等離子體火箭(Variable specific impulse magnetoplasma rocket, VASIMR)。

由于加速機(jī)制不同，這些推力器的性能也存在較大差異。例如，PPT放電的瞬時(shí)功率(MW)遠(yuǎn)高于平均功耗水平(W)，因而可得到較高的瞬時(shí)比沖和推力(目前最高可達(dá)2700 s)。MPDT的比沖高達(dá)10000 s，推力約25 N，平均效率約35%。MPDT所需的輸入功率較高，一般在kW～MW?；魻柾屏ζ鞅葲_一般在1000 s以上，推力在μN(yùn)～mN。多級(jí)會(huì)切場(chǎng)推力器的比沖可達(dá)3000 s以上，效率在40%以上。感應(yīng)式脈沖等離子體推力器中等離子體可被加速至100 km/s，獲得0.1 Ns左右的總沖量，實(shí)現(xiàn)2000～8000 s的比沖。HPT中等離子體密度一般在10～10m，推力為mN～N量級(jí)，比沖大于1000 s，適用于較大功率電推力器。ECRPT可實(shí)現(xiàn)推力約1 mN，比沖1000 s，功率30 W。VASIMR的額定功率和推力則可高達(dá)30～200 kW以及0.3～6 N。

3.2 新型電磁加速技術(shù)

..新構(gòu)型霍爾推力器

1)嵌套式霍爾推力器

嵌套式霍爾推力器是NASA大功率霍爾推力器的下一步發(fā)展方向之一。圖13所示為NASA研制的嵌套式霍爾推力器。在保證高比沖和高效率前提下，可以明顯降低推力器的總質(zhì)量和空間尺寸，而且可降低高功率霍爾推力器產(chǎn)生的扭矩，實(shí)驗(yàn)證明該方案還可以提升推力器功率工作范圍和推力功率比。

圖13 嵌套式霍爾推力器[86]Fig.13 Nested-channel Hall thruster[86]

2)無壁霍爾推力器

如圖14所示，將標(biāo)準(zhǔn)霍爾推力器的陽極改為緊貼外壁的環(huán)形，并將其位置改為通道出口處，這是最基本的將標(biāo)準(zhǔn)霍爾推力器轉(zhuǎn)換為無壁霍爾推力器的方法。除此之外，還有將陽極變?yōu)闁啪W(wǎng)結(jié)構(gòu)的無壁霍爾推力器(ISCT200)，如圖15所示。無壁霍爾推力器可以極大地延長霍爾推力器的使用壽命。

圖14 無壁霍爾推力器[87]Fig.14 The configuration of the wall-less Hall thruster[87]

圖15 ISCT200無壁霍爾推力器[88]Fig.15 The ISCT200 wall-less Hall thruster[88]

3)圓柱形霍爾推力器

圓柱形霍爾推力器(Cylindrical Hall thruster, CHT)是普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室首次提出的新概念霍爾推力器。其由一個(gè)圓柱形區(qū)域和一個(gè)具有可變深度的短環(huán)形通道組成，如圖16所示。與標(biāo)準(zhǔn)霍爾推力器相比，其具有更高的體積表面比，可顯著減少壁面腐蝕。CHT具有更高的推進(jìn)劑利用率和標(biāo)準(zhǔn)霍爾推力器相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

圖16 圓柱形霍爾推力器[89]Fig.16 Cylindrical Hall thruster[89]

..無電極洛倫茲力推力器

基于場(chǎng)反構(gòu)型(Field-reversed configuration, FRC)的無電極洛倫茲力(Electrodeless Lorentz force, ELF)推力器在兼具大功率、高比沖和大推力優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以運(yùn)行在10 kW～MW水平，且不受限于功率密度，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姶攀酵屏ζ?。如圖17所示，ELF推力器的工作過程主要分為3個(gè)階段：1)等離子體預(yù)電離階段；2)FRC形成階段；3)等離子體團(tuán)加速階段。

圖17 無電極洛倫茲力推力器[90]Fig.17 ELF thruster[90]

..移動(dòng)磁場(chǎng)無電極推力器

如圖18所示，移動(dòng)磁場(chǎng)無電極推力器以螺旋波放電作為離子源，通過移動(dòng)磁場(chǎng)加速區(qū)域?qū)Φ入x子體進(jìn)行加速。加速區(qū)域通過外部螺線圈提供沿軸向移動(dòng)的磁場(chǎng)，進(jìn)而增大離子和電子的電荷分離程度，增大雙極電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)加速。該推力器的特點(diǎn)主要為可在低功率下實(shí)現(xiàn)較高的加速效率。

圖18 移動(dòng)磁場(chǎng)無電極推力器[91]Fig.18 Traveling magnetic wave plasma thruster[91]

最后，通過總結(jié)上述新型電磁加速技術(shù)可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于霍爾推力器，通常從推力器結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行創(chuàng)新，而其他推力器多從電磁加速模式上創(chuàng)新或改進(jìn)。

3.3 不同電磁加速技術(shù)適用性分析

電磁加速實(shí)現(xiàn)方式多且推力器種類多，不同電磁式推力器的特性差別也較大，因此各類電磁式推力器有其各自的適用范圍。表3對(duì)比了不同電磁式推力器的性能參考范圍及適用任務(wù)。從技術(shù)成熟度來看，霍爾推力器是目前研制技術(shù)最為成熟的推力器，也是國際上研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。其推力、功率、比沖覆蓋范圍廣，可橫跨微小功率至大功率范圍，在衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移和位置保持、深空探測(cè)器主推進(jìn)、低軌衛(wèi)星軌道維持等任務(wù)中有大量應(yīng)用。其它電磁式推力器目前主要處于地面研究和空間驗(yàn)證階段，離工程廣泛應(yīng)用尚有一定差距。

表3 電磁式推力器的性能參考范圍及適用任務(wù)[92-96]Table 3 Performance reference range and applicable tasks of electromagnetic thruster[92-96]

受電離和加速原理機(jī)制限制，電磁式推力器可大致分為小功率類和大功率類。小功率類電磁式推力器主要包括脈沖等離子體推力器、電子回旋共振等離子體推力器、移動(dòng)磁場(chǎng)無電極推力器等。它們具有推力小、系統(tǒng)一體化等優(yōu)勢(shì)，主要在微小衛(wèi)星上有所應(yīng)用和發(fā)展。大功率類電磁式推力器主要包括磁等離子體動(dòng)力推力器、感應(yīng)式脈沖等離子體推力器、螺旋波等離子體推力器、螺旋波預(yù)電離感應(yīng)式脈沖推力器、可變比沖磁等離子體火箭、無電極洛倫茲力推力器等。這些推力器的功率、推力、比沖大，主要用于載人航天、深空探測(cè)、星際貨物運(yùn)輸?shù)群教烊蝿?wù)。

4 其他加速技術(shù)

4.1 無工質(zhì)推進(jìn)

無工質(zhì)推進(jìn)主要包括帆類推進(jìn)技術(shù)和電動(dòng)繩系技術(shù)。帆類推進(jìn)又包括電動(dòng)帆、太陽帆和磁帆。電動(dòng)帆利用帶電導(dǎo)線陣產(chǎn)生電場(chǎng)，形成一個(gè)虛擬帆，使得太陽風(fēng)中的質(zhì)子或地球電離層中的離子在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，通過動(dòng)量交換的方式獲得推力。電動(dòng)帆的典型參數(shù)為：功率為500～700 W，電子電流(槍電流)為20～50 mA,導(dǎo)線直徑10～50 μm，長度10～40 km，電勢(shì)20～40 kV。預(yù)計(jì)對(duì)于200 kg航天器，采用100根導(dǎo)線的電動(dòng)帆，有效帆面積約為100 km，可產(chǎn)生200 mN推力。太陽帆推進(jìn)主要利用太陽光的光壓獲得推力，1 km面積上的光壓可達(dá)9 N。

磁帆推進(jìn)包括純磁帆和磁等離子體帆兩種方式。該推力器太陽風(fēng)在很寬的空間范圍內(nèi)被大型超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)反射，作用在線圈上的反作用力將推動(dòng)航天器沿著太陽風(fēng)方向加速運(yùn)動(dòng)。磁等離子體帆利用強(qiáng)磁場(chǎng)極大地?cái)U(kuò)展了帆有效攔截面積，省略其他帆類推力器的展開過程。

電動(dòng)繩系采用通電導(dǎo)體切割地球磁力線所產(chǎn)生的洛侖茲力為衛(wèi)星提供推力，用于衛(wèi)星軌道的機(jī)動(dòng)操作。電動(dòng)繩系的特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，適用于近地軌道衛(wèi)星的姿態(tài)調(diào)整等。

4.2 氣動(dòng)電磁耦合推進(jìn)

..微陰極電弧推力器

微陰極電弧推力器(Micro-cathode arc thruster, μCAT)是利用陰陽電極間脈沖電弧放電產(chǎn)生等離子體，在氣壓動(dòng)力及磁場(chǎng)的作用下等離子體加速噴出放電通道產(chǎn)生推力。其外觀如圖19所示。該推力器的特點(diǎn)包括：采用固態(tài)推進(jìn)工質(zhì)，金屬陰極既作為放電陰極又作為推力器的推進(jìn)工質(zhì)，不需要額外的工質(zhì)貯存系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，系統(tǒng)質(zhì)量輕，所需電源功率較小，工作壽命長，推力可變，安全性能高，同時(shí)具有較低回流污染。對(duì)于微納衛(wèi)星極具吸引力，發(fā)展前景非?？捎^。

圖19 微陰極電弧推力器[100]Fig.19 μCAT[100]

..可展開陣列式微陰極電弧推力器

該推力器由南安普敦大學(xué)首次提出。如圖20所示，該推力器直接將導(dǎo)電納米材料在絕緣層上打印制作陰陽極。工作原理與微陰極電弧推力器基本一致，其具備加工效率高且成本低特點(diǎn)的同時(shí)，其推力和輸入功率可以隨陣列的規(guī)模增大而增大。目前處于初步研發(fā)階段。

圖20 可展開陣列式微陰極電弧推力器[102]Fig.20 Deployable vacuum arc thruster[102]

4.3 磁重聯(lián)推進(jìn)

在螺旋波等離子源尾端，通過實(shí)現(xiàn)磁重聯(lián)過程加速等離子體。圖21所示為該推力器示意圖。該推力器的特點(diǎn)包括：結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高。磁重聯(lián)過程中約50%的磁能可轉(zhuǎn)換為等離子體的動(dòng)能。目前，該推力器尚處于初步研發(fā)階段。

圖21 磁重聯(lián)推力器[103]Fig.21 The magnetic reconnection thruster[103]

4.4 發(fā)散磁場(chǎng)靜電離子推力器

直流放電產(chǎn)生的等離子體在發(fā)散型磁場(chǎng)中直接加速噴出。環(huán)形陽極產(chǎn)生的電場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)形成正交場(chǎng)束縛電子，離子被靜電場(chǎng)加速。該設(shè)計(jì)最初用作螺旋波等離子體推力器的尾端加速裝置。圖22所示為其原理示意圖，其特點(diǎn)包括：無需螺旋波離子源，由直流放電產(chǎn)生的等離子體即可被加速，易實(shí)現(xiàn)高推力密度。而且，在這一設(shè)計(jì)中，等離子體自洽電場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)向中心軸線傾斜，有利于減少轟擊周圍壁面的離子數(shù)量。

圖22 發(fā)散磁場(chǎng)靜電離子推力器[104]Fig.22 Electrostatic thruster with divergent magnetic field[104]

5 結(jié)束語

本文對(duì)各類電推進(jìn)加速技術(shù)及基本原理進(jìn)行了綜述，介紹了不同類型的最新加速技術(shù)?；仡櫛疚那笆鰞?nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)電推進(jìn)隨航天任務(wù)的需求逐漸往尺寸、功率更大或質(zhì)量更輕、體積更小和效率更高的方向發(fā)展，且電推進(jìn)的形式更加多樣化，所采用的加速方式往往綜合多種加速效應(yīng)。電熱加速方式總體而言比沖和效率較低，其發(fā)展方向與加熱方式相關(guān)：電阻加熱的改進(jìn)通常集中在熱交換器、功率處理單元和推進(jìn)工質(zhì)方面；電弧加熱由于起弧機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，且起弧過程涉及多物理場(chǎng)耦合，因此其改進(jìn)方程多采用陣列化以及電熱電磁混合加速；射頻或微波電熱的改進(jìn)方向集中在功率沉積調(diào)控。靜電加速方式比沖高，技術(shù)相對(duì)成熟，其發(fā)展方向與功率相關(guān)：對(duì)于大功率靜電加速方式，往往通過改變柵極形狀和柵極加速模式進(jìn)行改進(jìn)；對(duì)于小功率靜電加速方式，往往通過利用不同的物理效應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)，如場(chǎng)效應(yīng)、場(chǎng)電離、高能電子燒蝕及電離。電磁加速方式物理機(jī)制復(fù)雜，加速過程往往伴隨多種物理效應(yīng)，如霍爾效應(yīng)、脈沖電弧、螺旋波、有質(zhì)動(dòng)力等，所以電磁加速方式研發(fā)難度大，形式也最多，但電磁加速方式的潛力巨大，通常可實(shí)現(xiàn)推力器性能的大幅提升。

綜合上述三種基本加速方式的分析，對(duì)電推進(jìn)加速技術(shù)的下一步發(fā)展方向進(jìn)行如下展望：1)通過嵌套或陣列實(shí)現(xiàn)增大推力器的功率和推力；2)針對(duì)現(xiàn)有加速技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)全新的推力器結(jié)構(gòu)；3)多種加速機(jī)制混合，揚(yáng)長避短；4)借鑒其他領(lǐng)域的新理論或新技術(shù)提出新概念電推力器。