大功率霍尔电推进技术发展与思考
大功率霍尔电推进技术发展与思考
刘佳1,2 田雷超1,2 张岩1,2 杭观荣1,2 康小录1,2
（1.上海空间推进研究所；2.上海空间发动机工程技术研究中心）
摘 要：霍尔电推进主要包括稳态等离子体推进和阳极层推进两类，前者是目前广泛应用的霍尔电推进技术，后者的比冲性能较为突出。目前，中小功率霍尔电推进已步入全面空间应用阶段，大功率成为霍尔电推进研发的主阵地，多通道嵌套、双级加速、新型工质及推力器簇等成为大功率霍尔电推进的重要发展方向。
关键词：霍尔电推进；工作原理；研究进展
霍尔电推进是目前空间应用最广的电推进技术，在低轨卫星及卫星星座、空间站、地球静止轨道（GEO）卫星、深空探测等多个领域具有广泛应用，执行阻力补偿、位置保持、轨道转移、深空探测器的主推进等空间任务。随着中小功率霍尔电推进技术趋近成熟且处于全面推广应用阶段，大功率成为技术发展的必然趋势，同时我国正在开展或论证的在轨服务与维护、载人探月、空间核电推进等重大任务均对大功率霍尔电推进提出明确需求，迫切需要开展大功率霍尔电推进技术的研发工作。
一、
工作原理与特点
霍尔电推进利用电子在正交电磁场中的霍尔效应电离工质产生高密度等离子体，通过耦合静电场加速离子喷出产生推力。霍尔推力器的结构简单、可靠性高，在航天工程应用方面均有显著优势；推力密度大，可以在较小尺寸下获得较大推力；推力、比冲覆盖范围广，多模式工作特点可以满足不同空间任务需求。
根据放电室材料及放电通道的尺寸不同，霍尔推力器分为稳态等离子体推力器（又称磁层推力器）和阳极层推力器（见图1）。稳态等离子体推力器放电室通常采用氮化硼陶瓷等绝缘材料，放电通道较长，霍尔电流区较宽；而阳极层推力器放电室通常采用石墨等导电材料，放电通道较短，霍尔电流区较窄。稳态等离子体推力器是霍尔电推进的常规技术，也是目前应用最广的技术；阳极层作为一项高比冲霍尔电推进技术，可将霍尔电推进的比冲提升10%~50%以上，最高可到8000s以上。
图1 稳态等离子体推力器（左）和阳极层推力器（右）基本结构示意图
大功率霍尔电推进在国际上尚未形成统一的概念，霍尔电推进技术的发展和空间应用情况不断发生变化。本文粗略地将功率不小于10kW的霍尔电推进定义为大功率，功率不小于100kW的霍尔电推进定义为特大功率，功率不小于500kW的霍尔电推进定义为超大功率。大功率霍尔电推进可以将现有推力器的推力提高数倍，最大可以到10N以上；可以将现有推力器的比冲提高20%~50%，最高可达到8000s以上。因此，大功率霍尔电推进特别适用于未来大规模、远距离空间任务，以及配套空间核电推进技术的应用。
二、
研究进展
稳态等离子体推力器是目前国内外空间应用的主力，据统计，截至2023年9月，国内外入轨的稳态等离子体推力器的数量在5500~6000台，占入轨电推力器总数的90%以上。国外在20世纪六七十年代开始进行霍尔电推进空间试验，八九十年代正式实现空间应用，目前空间应用的最大功率的霍尔推力器是5千瓦级，10kW及以上的大功率霍尔电推进尚未实现空间应用，但美国“门户”月球轨道空间站计划正在研制大功率霍尔电推进系统，空间应用只是时间问题。
阳极层推进作为一种具有较高比冲的霍尔电推进技术，其概念由苏联Askold Zharinov提出，20世纪八九十年代苏联针对未来大型货物运输、载人深空探测等任务开展大功率阳极层电推进技术研究。根据工质电离加速控制方式的不同，阳极层推力器可分为单级和双级两类，单级推力器功率通常在10kW以下，如俄罗斯的D-38、D-55、D-80等；双级推力器功率通常在10kW以上，最高可到100千瓦级，如俄罗斯的D-160、VHITAL-160、KM-50等，大功率阳极层推力器多采用双级设计方案，因其具有功率大、比冲高等特点，是大功率霍尔电推进高比冲发展的重要技术方向。
（一）美国
美国是发展大功率霍尔电推进技术力度最大的国家，其在空间推进发展路线图中明确提出发展50kW、100kW霍尔推力器用于低轨和“国际空间站”（ISS）轨道货物运输任务，以及火星轨道的货物运输任务。在大功率霍尔电推进技术领域，美国研制了以下多种典型产品。
HERMeS是一款10千瓦级推力器，其最大功率可达13.3kW、最高比冲2900s，目前已经达到工程样机水平（见图2）。早期，美国国家航空航天局（NASA）的“小行星重定向任务”配置了HERMeS霍尔电推进系统；目前，美国的“门户”月球轨道空间站正在基于HERMeS推力器开展先进电推进系统（AEPS）研制，AEPS系统配置了3台HERMeS推力器和4台BHT-6000推力器，系统功率可达50千瓦级。
图2 美国HERMeS霍尔推力器
在NASA的主导下，美国研制了NASA-300M系列、NASA-400M及NASA-457M等多款大功率霍尔推力器产品。NASA-300M是一款20千瓦级推力器，可实现氙气、氪气工质的稳定工作。推力器采用氙气工质时，推力可到1.13N，总效率可到67%；采用氪气工质时，推力可到0.8N，总效率63%。此外，NASA在NASA-300M基础上，融入磁屏蔽技术，分别研制了NASA-300MS霍尔推力器及升级版的NASA-300MS-2霍尔推力器，推力器寿命获得显著提升。NASA-457M是一款50~100kW霍尔推力器（见图3），也可实现氙气、氪气稳定工作；推力器采用氙气工质时，功率可达95kW，最大推力3N以上；采用氪气工质时，推力器比冲可提高20%，且随着推力器功率增大，氙气工质的效率与氪气的基本相当。在NASA-457M基础上，NASA又研制了一款最大功率为50kW推力器NASA-400M，相比NASA-457M，NASA-400M在比冲方面的性能显著提高，采用氪气工质，推力器的最高比冲可达4950s。
图3 美国NASA-457M霍尔推力器
X3是由密歇根大学主导研制的一款多通道嵌套式100千瓦级推力器（见图4），设计功率200kW，2009年进行推力器方案设计，2013年实现推力器30kW功率点火，2017年实现推力器100kW功率点火。推力器在3个通道同时工作下的功率可到102kW，最大推力可到5.42N，是目前推力最大的霍尔推力器。
图4 美国X3霍尔推力器及工作状态
（二）俄罗斯
俄罗斯是霍尔电推进技术应用的最大推动者。美国曾一度放弃霍尔电推进而选择离子推进方案，俄罗斯则一直坚持霍尔电推进的研发，并在国际上实现霍尔电推进的空间首飞，极大推动了霍尔电推进的发展与应用，其研制的SPT-100、SPT-140等中小功率推力器广泛应用到“快讯”2000（Express-2000）、“欧洲星”3000EOR（Eurostar-3000EOR）等多个地球静止轨道卫星平台，但在大功率稳态等离子体推力器领域，俄罗斯却只有20千瓦级SPT-230、30千瓦级SPT-290等少数产品。
SPT-290是俄罗斯火炬机械制造设计局（Fakel）早期研制的一款30千瓦级推力器，推力器采用同轴内磁极、分立外磁极的磁路方案，阴极中置，推力器功率可达25~30kW，最大推力1.5N，最高比冲3000s以上，预计寿命可达27000h。
SPT-230是俄罗斯Fakel近年来研制的一款20千瓦级推力器，主要面向5~6t航天器的轨道提升、位置保持等任务需求。SPT-230推力器在SPT-140基础上改进磁路及气体分配器设计，增大了径向磁场的轴向梯度和工质的分布均匀性；推力器实测最大功率可到25kW，推力最大可到1N，预估寿命7500~8000h。
在阳极层霍尔电推进领域，俄罗斯是最早开展相关技术研究的国家，研制了D-50、D-80、D-100、D-160、TM-50、VHITAL-160等推力器产品，基本形成功率覆盖100W~100kW的阳极层推力器型谱；此外，俄罗斯也是目前国际上最先掌握双级阳极层电推进关键核心技术的国家，在大功率阳极层推进领域处于绝对领先地位。
D-160是俄罗斯中央机械制造研究院研制的一款100千瓦级推力器，是目前俄罗斯功率最大的霍尔推力器。D-160推力器采用水冷磁路设计，铋金属为推进剂，最大功率可到140kW，最高比冲达8000s，是目前比冲最高的霍尔推力器。D-200是一款30千瓦级推力器，同样采用双级设计，铋金属为推进剂，辐射冷却，但功率最大只达到34kW。
2004年，美国NASA喷气推进实验室（JPL）联合俄罗斯中央机械制造研究院开展了铋工质的超高比冲阳极层推力器VHITAL-160研制工作（见图5）。中央机械制造研究院负责VHITAL-160推力器及配套铋工质贮供模块产品研制，美国密歇根大学等机构主要开展铋工质储存、流量控制等关键技术攻关，同时对双级推力器的微观工作机制开展大量的仿真等基础理论研究。基于前期D-160和D-200的技术基础，VHITAL-160推力器采用辐射冷却方式，测试验证功率20~36kW，比冲可到5300~7600s。
此外，俄罗斯的科尔德什研究中心还开展了氙气工质的TM-50阳极层霍尔推力器研制工作。TM-50是一款50千瓦级推力器，同样采用双级设计，但采用氙气工质，功率可到50kW，具有单级、双级双模式特点，比冲不但覆盖常规霍尔推力器的1000~2500s（单级工作模式），还可以实现5000~7000s高比冲（双级工作模式）。
图5 VHITAL-160阳极层推力器及工作状态
（三）欧洲
2015年，针对未来深空探测和大型货物运输任务对动力技术的需求，欧洲提出了HiPER计划，在该计划支持下进行了大功率霍尔电推进技术研究，代表性工作有法国开展PPS-20k推力器研制、意大利开展HT-20k推力器研制等。
PPS-20k推力器是由法国Snecma公司研制的一款20千瓦级推力器，推力器额定功率为20kW，推力为1050mN，推力器测试最大功率可达40kW。HT-20k推力器是由意大利Siteal公司研制的一款20千瓦级推力器（见图6），于2015年开始进行推力器方案设计，通过对磁场、热设计、电极位置等进行优化，推力器可满足氙气、氪气工质稳定工作；推力器工作4h后达到热平衡状态，在20kW额定功率下的推力为1.1N。
图6 意大利HT-20k霍尔推力器
（四）中国
我国霍尔电推进研究起步较早，但前期发展缓慢，直到2012年才完成中小功率霍尔推进的首次在轨飞行验证，拉开我国在该领域空间应用的序幕。在大功率霍尔电推进领域，我国起步较晚，但发展迅速，在3~5年时间内先后研制了10kW、20kW、50kW等多款大功率推力器样机，其中，10kW样机已经完成工程化研制，具备空间应用能力；20kW推力器于2020年研制成功，实现我国霍尔推力器推力由毫牛到牛级的跨越；50~100kW推力器于2021年前后完成优化后的指标考核，相关性能也达到国际先进水平。
2017年，上海空间推进研究所在国内率先开展大功率霍尔电推进技术研究，大功率霍尔的型谱已初步成型，包括10千瓦级的HET-500、20千瓦级HET-1000、50~100kW的HET-3000等产品。HET-500推力器实测最大功率12.5kW，推力可到600mN，且通过了环境适应性试验，顺利完成了500h的放电室削蚀试验，预估寿命10000h以上。2020年，上海空间推进研究所还完成了由4台推力器、贮供单元、功率处理单元组成的50千瓦级电推进系统的全系统热试车（见图7）。
图7 由4台推力器组成的50千瓦级电推进簇系统工作状态
2020年，上海空间推进研究所研制的20千瓦级HET-1000推力器实现氙气、氪气工质稳定工作（见图8）。采用氙气工质时，在20kW额定功率下，效率可到70%，比国外同等水平的NASA-300M、PPS-20k、HT-20k等推力器效率提高3%~9%，达到国际领先水平。
图8 20kW的HET-1000霍尔推力器
2020年下半年，上海空间推进研究所研制的50~100kW HET-3000推力器首次满工况点火，推力器最大功率可到80kW，实现氙气、氪气及氙氪混合气体稳定工作，测试最大推力3.07N，在相同功率和电压下，氪气比氙气比冲提高10%左右（见图9）。此外，兰州空间技术物理研究所研制的50~100kW大功率霍尔推力器样机于2022年1月成功点火，实测最大功率105kW，推力4.58N，是目前国内功率最大的霍尔推力器。
图9 50~100kW霍尔推力器及工作状态
相比稳态等离子体推进，我国开展阳极层霍尔电推进技术研究起步较晚，2007年，西南核工业物理研究院在国内率先开展阳极层电推进技术研究，开始研制千瓦级推力器样机，并开展推力器放电特性、放电振荡及等离子体特性等基础研究工作。哈尔滨工业大学于2015年左右开展1kW中小功率的阳极层电推进技术研究，探究放电通道尺寸、阳极结构、材料等对推力器性能的影响，建立数值模型，研究壁面削蚀及其演化规律。2018年，针对未来大型深空探测任务、空间核电技术等发展需求，上海空间推进研究所在国内首次开展大功率双级阳极层电推进技术研究，目前已经研制了多款推力器产品，包括首款10~20kW推力器产品，首次验证双级加速的效果，推力器工作过程中也出现了阳极过热、效率偏低等问题，正在进一步开展相关的机理研究工作（见图10）。
图10 10~20kW双级阳极层推力器
三、
发展思考
（一）基于多通道结构方案的超大功率霍尔电推进技术
目前空间应用的最大功率推力器是5千瓦级，针对大型轨道空间站、在轨服务平台等，国内外正在开展10~50kW的产品论证及研制工作，未来大型探月/探火任务、兆瓦级空间核电推进等需要配套100千瓦级的产品。
霍尔推力器的特征尺寸（指圆柱形的直径或方体形的长宽）会随着功率的增大而增加，50kW霍尔推力器的特征尺寸约为0.5m，200kW推力器的特征尺寸约为1.0m。随着特征尺寸的增大，在推力器研制过程中会出现材料、加工、热处理及焊接工艺等多方面问题，从而使推力器产品生产难度增加、生产周期延长。此外，多通道设计可有效减小推力器特征尺寸，推力器功率越大，特征尺寸减小的效果越明显，2000kW霍尔推力器采用多通道设计，直径可减小84%，只有1.5m左右。多通道嵌套式霍尔推力器功率与尺寸关系如图11所示。
图11 多通道嵌套式霍尔推力器功率与尺寸关系
然而，霍尔推力器的功率、特征尺寸增大后，对地面真空试验系统尺寸、抽气能力提出更高的要求，50kW霍尔推力器配套的真空舱直径会达到8m，200kW推力器配套的真空舱直径则将达到14m以上；霍尔推力器的功率由50kW增加到200kW，真空系统的抽速将提高4倍。综合考虑霍尔电推进的技术特点、空间任务规模与需求、地面试验成本等因素，单台霍尔推力器的功率达到100~200kW是可以实现的。
（二）基于双级设计方案的超高比冲大功率霍尔电推进技术
高比冲始终是霍尔电推进技术发展的重点方向之一。电推进比冲越高，完成相同任务消耗的工质越少，为进一步提升航天器性能、延长在轨寿命奠定基础。中小功率稳态等离子体推进的比冲通常在1000~3500s，随着推力器功率增大到50kW量级，最高比冲可增长到5000s，但仍无法满足远距离、大速度增量深空探测任务及空间核电推进技术对超高比冲电推进的需求。双级阳极层技术实现工质电离与离子加速独立控制，可将霍尔推力器的比冲进一步提高20%~50%，最高可达到7000~8000s。
不同于化学推进，在功率一定的前提下，电推进的比冲和推力成反比，单纯地追求高比冲并不合适，需要综合考虑比冲和推力功率比。比冲决定推进剂的消耗量，推力决定航天器推进系统工作的时间（间接反映任务时间）。为此，需要根据任务特点，选择最佳比冲，而非最高比冲。综合考虑，航天器地球轨道机动的最佳比冲不超过3500s，基于太阳能的深空探测器主动力的最佳比冲不超过4000s，空间核电推进深空探测器主动力的最佳比冲不超过8000s。
（三）基于低成本、高性能的大功率霍尔电推进工质多样化
氙气是霍尔电推进首选工质，采用氙气工质的霍尔电推进的推力、比冲、效率、寿命、可靠性等综合性能最佳，但氙气也存在价格昂贵、产量少等问题。早期，霍尔电推进多用于附加值高的卫星，且卫星数量相对较少，氙气工质问题并不突出。但近年来，随着大批量低轨卫星星座及商业航天的快速发展，对氙气工质的需求量不断攀升，氙气价格高、产量少的问题凸显，替代工质的研究成为热点方向。根据国内外的研究情况综合分析，氙气的替代工质主要有两类：一类是氪气、氩气等同族的稀有气体工质，具有成本低、储量大等优势；另一类是碘、铋、镁等固体工质，具有价格便宜、储量大、储存密度大等优势，特别适用于工质需求量大的空间任务。
氪气、氩气等稀有气体工质的电离难度大、电压利用率低，导致中小功率霍尔推力器效率偏低，且其比冲优势并未体现。但随着推力器功率的增大，稀有气体工质的效率明显提高。此外，在大功率条件下氪气工质的比冲可以提高至少20%，高比冲的优势更加明显。对于中小功率霍尔推力器，研究人员近几年来才开展氪气、氩气等工质技术研究，而氪气工质一直是大功率霍尔推力器可选择推进剂，在研究初期就开展了氪气工质的性能测试，美国研制的NASA-457M、NASA-400M等推力器均能实现氙气、氪气稳定工作，最高比冲可以达到5000s；我国的20kW、50kW推力器在研制早期均开展了氪气工质测试，均可稳定工作，并获得较高比冲性能。
在大功率、超高比冲霍尔电推进领域，铋工质成为较好的选择，俄罗斯在开展大功率阳极层推力器研制工作中采用铋工质，实测最高比冲接近8000s，铋工质常温下以固体状态存在，可以有效减少储存空间，尤其针对大规模空间任务的优势更为明显。
（四）由多台相对较小功率的推力器并联构成推力器簇设计方案实现超大功率电推进系统
霍尔推力器单台的功率极限在100~200kW，由于工程实践、地面试验等限制因素，单台霍尔推力器并不适合兆瓦级功率的电推进系统，而基于多台较小功率推力器并联构成的推力器簇系统方案可行性更高。
推力器簇系统方案一方面可以降低对单台推力器功率的需求，极大降低推力器地面测试对试验系统的要求；另一方面以互为备份的方式可以显著提高系统的可靠性。在化学推进中发动机簇的方案常被应用，美国的巨型运载火箭“星舰”配置了33台猛禽发动机，显著提高了火箭的安全性和可靠性，即使1台或几台发动机出现故障，其他发动机仍然可以控制火箭正常飞行。我国空间站核心舱配置由4台推力器构成的推力器簇霍尔电推进系统，充分验证了电推力器间及系统间的匹配性、兼容性及可行性。
四、
结束语
大功率霍尔电推进是技术发展的必然趋势，也是未来大型空间任务对推进的需求。霍尔推力器没有必要追求功率的极限，单台推力器的功率达到100~200kW是可行的，可以通过推力器簇方案实现兆瓦级系统。对于霍尔推力器的比冲需要综合考虑型号需求，选择最佳比冲。此外，大功率霍尔电推进研制难度大、周期长、成本高，需要提前布局，并长期、持续投入。（本文得到国家自然科学基金重点项目（U22B20130）的支持，原刊载于《中国航天》2023年第11期）
期刊简介
《中国航天》（CN11-2801/V，ISSN1002-7742）创刊于1987年，月刊，由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天系统科学与工程研究院主办，是航天领域具有较大影响力的权威综合性科技期刊。期刊曾获全国优秀期刊二等奖、三等奖各一次，航天科技期刊一等奖4次，中国期刊方阵“双百”期刊等奖项。
约稿范围
包括但不限于以下方向：空间技术与系统（包括航天运输系统、空间基础设施、载人航天、月球及行星探测、发射场与测控系统、空间环境治理等）；空间应用（包括卫星遥感、卫星通信、卫星导航等卫星应用业务及空间应用产业等）；空间科学（包括空间天文、月球与行星科学、空间环境下的科学实验等）；世界主要航天国家发展分析（包括国外航天技术动态、主要航天国家发展战略及规划研究等）；航天国际交流合作研究（包括外空全球治理，空间科学、空间技术、空间应用等领域国际合作等）。
联系方式
电话：010-89061771/89061765
邮箱：qk_zght@spacechina.com
地址：北京市西城区月坛北小街2号院1号楼