耿 海，吳辰宸，孫新鋒，王紫桐，賈艷輝，呂方偉，蒲彥旭

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘肅省空間電推進(jìn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的空間動(dòng)力技術(shù)，因其比沖較化學(xué)推進(jìn)高近乎10倍，在實(shí)現(xiàn)航天器高載荷量方面具有無可替代的優(yōu)勢(shì)。從20世紀(jì)90年代美國(guó)率先在通信衛(wèi)星上應(yīng)用電推進(jìn)開始，過去30多年在軌應(yīng)用電推進(jìn)的航天器數(shù)量幾乎翻了數(shù)倍，空間電推進(jìn)的應(yīng)用數(shù)量已超過上千臺(tái)/套（含Starlink星座用電推進(jìn)）。是否應(yīng)用電推進(jìn)已成為衡量衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

空間電推進(jìn)可廣泛用于通信衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、載人空間站等航天器的位置保持、姿態(tài)控制、軌道轉(zhuǎn)移和深空探測(cè)航天器的主推進(jìn)等任務(wù)。近10多年來，國(guó)內(nèi)外空間電推進(jìn)的應(yīng)用日趨廣泛。但受當(dāng)前航天器空間能源的限制，至今為止，5 kW以上高功率電推進(jìn)技術(shù)在軌應(yīng)用還未取得突破，在軌空間電推進(jìn)的推力和比沖性能還較低，國(guó)內(nèi)實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星搭載的LIPS-300離子電推進(jìn)在5 kW最高功率下產(chǎn)生的推力不超過300 mN、比沖不超過5 000 s。

近年來，隨著航天技術(shù)的進(jìn)步，空間已成為各航天大國(guó)競(jìng)相關(guān)注的熱點(diǎn)，“進(jìn)入空間、利用空間、控制空間”也已成為各國(guó)空間戰(zhàn)略的核心發(fā)展目標(biāo)。我國(guó)已完成月球探測(cè)及采樣返回任務(wù)，正在實(shí)施火星探測(cè)任務(wù)，計(jì)劃實(shí)施多項(xiàng)深空探測(cè)任務(wù)，如“近地小行星探測(cè)”“木星系統(tǒng)探測(cè)”以及超深空探測(cè)與采樣返回等。以典型的深空探測(cè)任務(wù)為代表，月球探測(cè)已經(jīng)進(jìn)入載人登月綜合探索階段，火星、木星和小行星探測(cè)嘗試無人采樣返回，火星探測(cè)也向著載人探測(cè)的終極目標(biāo)邁進(jìn)。僅依靠常規(guī)化學(xué)推進(jìn)和中低功率（10 kW以下）電推進(jìn)為代表的空間動(dòng)力技術(shù)，已不能滿足國(guó)家空間戰(zhàn)略的發(fā)展需求，如載人深空探測(cè)及采樣返回、近地空間貨運(yùn)、空間原位資源開采與利用等任務(wù)，需要推進(jìn)系統(tǒng)的比沖在5 000 s以上、推力在牛級(jí)以上。在當(dāng)前技術(shù)條件下，要滿足任務(wù)所需的推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，電推進(jìn)的功率須達(dá)到百千瓦級(jí)。

本文結(jié)合高功率電推進(jìn)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)高功率電推進(jìn)技術(shù)的綜合發(fā)展情況進(jìn)行調(diào)研分析，提出各技術(shù)路線后續(xù)須要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)我國(guó)高功率電推進(jìn)的發(fā)展給出建議。

1 高功率空間電推進(jìn)技術(shù)內(nèi)涵

空間電推進(jìn)的推力、比沖、效率和功率之間存在強(qiáng)約束關(guān)系（2Pη=TIspg，g為重力加速度），推力T和比沖Isp正比于功率P和效率η[1]。這意味著即使在100%效率的情況下，要實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)的牛級(jí)大推力和5 000 s高比沖，電推進(jìn)所需的輸入功率至少要在25 kW以上。因此，高功率電推進(jìn)必然具有大推力和高比沖的性能特點(diǎn)。在當(dāng)前的技術(shù)水平下，電推進(jìn)的效率一般為60%左右。若進(jìn)一步考慮系統(tǒng)的效率，高功率電推進(jìn)總的系統(tǒng)功率通常要在50 kW以上。

電推進(jìn)盡管具有比沖高和效率高的優(yōu)勢(shì)，但是缺點(diǎn)也很明顯，中小功率電推進(jìn)的推力密度?。ā?.3 mN/cm2）、比沖相對(duì)較低（≤4 000 s），難以滿足載人深空探測(cè)、軌道快速轉(zhuǎn)移、深空貨運(yùn)等任務(wù)對(duì)牛級(jí)大推力和5 000 s以上高比沖空間動(dòng)力的應(yīng)用需求。為滿足上述任務(wù)亟需，最佳途徑是提高電推進(jìn)系統(tǒng)的推力和比沖，即進(jìn)一步提升電推進(jìn)系統(tǒng)的功率。上世紀(jì)60年代，美國(guó)和俄羅斯即開展了高功率電推進(jìn)技術(shù)的研究，積累了深厚的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

60多年來，高功率電推進(jìn)技術(shù)雖然取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但目前仍處于實(shí)驗(yàn)室工程樣機(jī)研制階段，距離工程應(yīng)用還有較大的差距。與此同時(shí)，隨著各國(guó)對(duì)空間戰(zhàn)略的重視及大型空間任務(wù)的實(shí)施，對(duì)數(shù)百千瓦甚至兆瓦級(jí)的超高功率電推進(jìn)的需求越來越迫切。高功率電推進(jìn)具備的多模式及功率、推力、比沖等性能寬范圍連續(xù)調(diào)節(jié)能力，為大幅提升航天器的載荷比提供了有效途徑。因而，近年來，高功率電推進(jìn)被作為空間核心關(guān)鍵技術(shù)，受到了世界各航天強(qiáng)國(guó)的普遍關(guān)注。

目前，國(guó)際上高功率電推進(jìn)重點(diǎn)聚焦電磁加速的技術(shù)路線，形成了以霍爾電推進(jìn)（Hall）、磁等離子體推進(jìn)（Magneto Plasma Dynamic，MPD）、可變比沖磁等離子體火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR）、無電極場(chǎng)反構(gòu)型電磁推進(jìn)（Field Reversed Configuration Thurster，F(xiàn)RPT）、脈沖誘導(dǎo)等離子體推進(jìn)（Pulse Inductively Thruster，PIT）、螺旋波電磁推進(jìn)（Helicon Plasma Thruster，HPT）為代表的國(guó)際主流技術(shù)方向。

2 高功率空間電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及須重點(diǎn)解決的問題

2.1 霍爾電推進(jìn)技術(shù)

霍爾電推進(jìn)是利用電子在正交電磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)電離推進(jìn)劑，并通過電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)離子加速。霍爾電推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)是工作電壓低、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)繼承性好、推力密度大；其劣勢(shì)也很明顯，如結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大、放電振蕩難以抑制。因此，百千瓦功率以下的霍爾推力器具有明顯優(yōu)勢(shì)，而百千瓦功率以上的優(yōu)勢(shì)漸消。國(guó)際上，開展高功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究的國(guó)家主要以美國(guó)、俄羅斯和中國(guó)為代表。

俄羅斯是最早開展霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究的國(guó)家，研制了以SPT系列為代表的穩(wěn)態(tài)等離子體霍爾推力器產(chǎn)品，其中高功率霍爾推力器的典型產(chǎn)品是SPT-290，如圖1所示，該推力器的最高設(shè)計(jì)功率為30 kW、推力1.5 N、比沖3 300 s[2-3]。此外，俄羅斯還研制了以D-160為代表的陽極層霍爾推力器產(chǎn)品，如圖2所示，最高設(shè)計(jì)功率140 kW、推力2.5 N、比沖8 000 s[3-4]。

圖1 SPT-290霍爾推力器實(shí)物圖Fig.1 Prototype of SPT-290 Hall Thruster

圖2 D-160霍爾推力器實(shí)物圖Fig.2 Prototype of D-160 Hall Thruster

美國(guó)高功率霍爾推力器以NASA的X系列和M系列穩(wěn)態(tài)等離子體霍爾推力器為代表。X系列產(chǎn)品包括NHT-X2[5]和NHT-X3[6]；M系列產(chǎn)品包括NASA-300M[7]、NASA-400M[8]和 NASA-457M[9-10]。NHT-X3由3個(gè)同心環(huán)形放電室構(gòu)成，共享陰極置于環(huán)心，最高設(shè)計(jì)功率為240 kW、推力15 N、比沖為 1 400～4 600 s，如圖 3所示。NASA-457M 是NASA格林研究中心（Glenn Research Center，GRC）于2011年研制的50 kW霍爾推力器，如圖4所示。測(cè)試結(jié)果顯示，采用氙氣作為推進(jìn)劑時(shí)，該推力器功率為46 kW、陽極電壓為700 V、最大比沖為3 370 s，當(dāng)陽極電壓為600 V時(shí)，系統(tǒng)最高效率可達(dá)72%；若采用氪氣推進(jìn)劑，最大比沖能夠達(dá)到4 940 s。

圖3 NHT-X3霍爾推力器放電試驗(yàn)測(cè)試圖Fig.3 Discharging of X3 Hall Thruster

圖4 NASA-457M霍爾推力器實(shí)物圖Fig.4 Prototype of NASA-457M Hall Thruster

國(guó)內(nèi)開展高功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)研究的單位有蘭州空間技術(shù)物理研究所和上?？臻g推進(jìn)研究所。蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的50 kW的霍爾推力器產(chǎn)品LHT-450在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)氪氣推進(jìn)劑45 kW工況下的穩(wěn)定工作，實(shí)測(cè)推力1.38 N、比沖3 900 s、效率60%，整體技術(shù)水平與NASA-457M相當(dāng)，如圖5所示。上海空間推進(jìn)研究所研制的10～50 kW的HET-3000霍爾推力器樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了28 kW穩(wěn)態(tài)放電，最大推力1.16 N、最高比沖4 146 s[11]。

國(guó)內(nèi)外高功率霍爾推力器的性能參數(shù)對(duì)比如表1所列，可以看出，美國(guó)的X系列和M系列代表了當(dāng)前國(guó)際霍爾電推進(jìn)的最高水平。國(guó)內(nèi)高功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)還處在追趕國(guó)際先進(jìn)水平階段。面向未來的應(yīng)用需求，須重點(diǎn)開展霍爾電推進(jìn)放電振蕩機(jī)制及抑制方法、熱失穩(wěn)機(jī)制及防護(hù)方法、多元工質(zhì)高比沖實(shí)現(xiàn)機(jī)制等問題的研究。

表1 國(guó)內(nèi)外高功率霍爾推力器性能參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparative of performance for Hall electric propulsion at home and abroad

圖5 蘭州空間技術(shù)物理研究所霍爾推力器45 kW穩(wěn)態(tài)放電圖Fig.5 Steady discharging of 45 kW LIPS Hall electric propulsion

2.2 磁等離子體電推進(jìn)技術(shù)

磁等離子體電推進(jìn)（MPD）技術(shù)是利用陰極大電流（幾kA）放電使推進(jìn)劑氣體電離，并在陽極作用下產(chǎn)生等離子體電流，等離子體電流在與外加磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的洛倫茲力作用下加速、高速排出形成推力。MPD的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、加速機(jī)制清晰，但其難點(diǎn)是等離子體振蕩不穩(wěn)定性抑制、系統(tǒng)高熱防護(hù)和陰極長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)。MPD是國(guó)際上最早提出的高功率電推進(jìn)技術(shù)方案（20世紀(jì)60年代至今），也是研究最為廣泛的技術(shù)方案，美國(guó)、德國(guó)、意大利、日本、俄羅斯和中國(guó)分別開展了技術(shù)研究。MPD有SF-MPD（自生場(chǎng)）和AF-MPD（外加場(chǎng)）兩種，目前以AF-MPD為主流技術(shù)。

美國(guó)NASA和普林斯頓大學(xué)聯(lián)合研制的ALFA AF-MPDT（樣機(jī)實(shí)物如圖6所示）性能為：功率0.25 MW、比沖6 200 s、推力5 N、整機(jī)效率為60%[12]。美國(guó)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)還聯(lián)合開展了數(shù)兆瓦M(jìn)PD樣機(jī)的研究，功率4 MW時(shí)，推力50 N、比沖6 900 s（最高比沖接近7 000 s）[13]。此外，美國(guó)NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）和普林斯頓大學(xué)建設(shè)了鋰工質(zhì)推進(jìn)MPD試驗(yàn)設(shè)施，NASA建設(shè)了適用于氫推進(jìn)劑的氣體工質(zhì)試驗(yàn)設(shè)施。

圖6 美國(guó)ALFA磁等離子體推力器Fig.6 ALFA MPD thruster of USA

德國(guó)斯圖加特研制了ZT-3、DT-6和SX3三種不同功率的MPD原理樣機(jī)，但是試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，ZT-3和DT-6的效率均不超過30%。最新研制的100 kW級(jí)AF-MPD推力器SX3（如圖7所示）的試驗(yàn)表明，穩(wěn)態(tài)下推力器效率為20%～45%。此外，為了抑制高熱，SX3采用了水冷裝置[14]。

意大利比薩大學(xué)研制的0.17 MW AF-MPD于2011年以氬氣作為推進(jìn)劑的試驗(yàn)結(jié)果顯示，MPD性能為：推力3.5 N、比沖3 000 s、整機(jī)效率28%。意大利Alta公司研制的脈沖準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)MPD的性能為：功率0.1 MW、推力2.5 N、比沖2 500 s[15]。

日本開展MPD技術(shù)研究的單位有JAXA、東京工業(yè)大學(xué)和大阪工業(yè)大學(xué)等，他們聯(lián)合研制了兆瓦級(jí)MPD和空心陰極穩(wěn)態(tài)MPD，研究了空心陰極高熱防護(hù)劑冷卻技術(shù)，提出了螺旋波離子源結(jié)合MPD加速的螺旋波MPD等離子體電推進(jìn)技術(shù)[16]。

俄羅斯能源設(shè)計(jì)局研制了500 kW鋰推進(jìn)劑MPD原理樣機(jī)，放電試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，推力器的比沖為4 500 s、推力為12.5 N、效率為55%。俄羅斯克爾得什研究中心研制的1 MW的堿金屬鋰推進(jìn)劑MPD的推力超過20 N、比沖超過8 000 s[11]。

北京控制工程研究所聯(lián)合北京航空航天大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院完成了150 kW的AF-MPD樣機(jī)研制，最高實(shí)測(cè)性能為推力5 N、比沖6 000 s，正在開展500 kW超導(dǎo)MPD推力器原理樣機(jī)的研制[17]。上?？臻g推進(jìn)研究所研制了20 kW的AF-MPD原理樣機(jī)，設(shè)計(jì)推力500 mN、比沖3 200 s，已完成了5 kW的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)[12]。

國(guó)內(nèi)外高功率MPD電推進(jìn)的性能參數(shù)對(duì)比如表2所列，從結(jié)果看，MPD的效率普遍偏低。面向MPD工程樣機(jī)的研制和未來應(yīng)用，必須重點(diǎn)開展放電不穩(wěn)定機(jī)制及抑制方法、大電流高熱防護(hù)方法等基礎(chǔ)研究。

表2 國(guó)內(nèi)外高功率MPD推力器性能參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparative of performance for MPD electric propulsion at home and abroad

2.3 可變比沖磁等離子體火箭技術(shù)

可變比沖磁等離子體火箭（VASIMR）的工作原理是通過螺旋波放電電離推進(jìn)劑產(chǎn)生高密度等離子體，等離子體經(jīng)過離子回旋共振加速，在磁噴管強(qiáng)磁約束下，定向高速噴出產(chǎn)生推力。VASIMR的優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)壽命、性能連續(xù)可調(diào)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大和超導(dǎo)強(qiáng)磁的問題，限制了技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。VASMIR最早由美籍華人提出，國(guó)際上目前僅美國(guó)和中國(guó)開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和原理樣機(jī)研制。

美國(guó)Ad Astra Rocket公司（AARC）先后研制了VX-10/25/50/100/200/200SS和VF-200等原理和飛行驗(yàn)證樣機(jī)，其中VX-200（如圖8所示）在200 kW功率下的試驗(yàn)測(cè)結(jié)果顯示，采用氬氣推進(jìn)劑時(shí)，其最高性能為推力5.4 N、比沖5 000 s、推力器效率72%、系統(tǒng)效率60%。VF-200是VX-200的飛行驗(yàn)證樣機(jī)，性能較VX-200高，最大推力為6 N、推力器效率達(dá)到76%。VX-200SS是針對(duì)深空探測(cè)任務(wù)需求研制的原理樣機(jī)，典型特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)100 kW、100 h連續(xù)穩(wěn)態(tài)放電，其中SS表示穩(wěn)定狀態(tài)（Stable State）[18-21]。

圖8 VX-200推力器Fig.8 Prototype of VX-200

國(guó)內(nèi)西安航天動(dòng)力研究所開展了VASIMR關(guān)鍵技術(shù)研究，2016年研制了30 kW級(jí)功率VASIMR原理樣機(jī)HiMPE-30，并進(jìn)行了地面試驗(yàn)測(cè)試，獲得的性能參數(shù)為：功率30 kW、比沖3 000～5 000 s、推力0.5～0.8 N、效率50%，推進(jìn)劑為氬氣[22]。63601部隊(duì)和國(guó)防科技大學(xué)聯(lián)合開展了VASIMR試驗(yàn)樣機(jī)（如圖9所示）的研制，目前已完成原理性試驗(yàn)驗(yàn)證，樣機(jī)性能有待進(jìn)一步測(cè)試[23]。中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院也開展了VASIMR樣機(jī)的研制，正計(jì)劃進(jìn)行放電試驗(yàn)測(cè)試。

圖9 63601部隊(duì)的VASIMR電推進(jìn)放電測(cè)試Fig.9 Discharging of VASIMR electric propulsion

國(guó)內(nèi)外高功率VASIMR電推進(jìn)的性能參數(shù)對(duì)比如表3所列，其中VF-200代表當(dāng)前國(guó)際最高水平。與美國(guó)相比，國(guó)內(nèi)的VASIMR研制還處在起步階段，須持續(xù)開展離子回旋共振加速機(jī)制、超導(dǎo)強(qiáng)磁實(shí)現(xiàn)方法、集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究。

2.4 脈沖等離子體團(tuán)場(chǎng)反構(gòu)型推進(jìn)技術(shù)

脈沖等離子體團(tuán)場(chǎng)反構(gòu)型（FRPT）推力器的工作原理是利用外加的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電離和俘獲等離子體電子，并驅(qū)動(dòng)電子形成環(huán)形等離子體電流，在外加徑向磁場(chǎng)的耦合作用下，產(chǎn)生軸向的洛倫茲力加速等離子體高速排出。FRPT的優(yōu)勢(shì)是質(zhì)量輕、效率高、長(zhǎng)壽命、性能連續(xù)可調(diào)節(jié)及推進(jìn)劑多元化，不足是脈沖工作對(duì)電源和開關(guān)的性能要求高。盡管對(duì)FRPT的研究起步較晚，但該技術(shù)已成為國(guó)際上高功率電推進(jìn)技術(shù)的主流發(fā)展路線，美國(guó)、新加坡、日本和中國(guó)均開展了樣機(jī)研制。

美國(guó)MSNW公司與NASA及華盛頓大學(xué)、愛德華空軍研究實(shí)驗(yàn)室、密歇根大學(xué)分別研制了ELF-250/300[24]（如圖10所示）、RP3-X[25]（如圖11所示）、UM-RMF[26]（如圖12所示）系列原理樣機(jī)。ELF-160的最大功率為50 kW、最大推力為1 N、采用氮?dú)獾淖罡弑葲_為6 000 s、效率優(yōu)于50%。UM-RMF樣機(jī)的最大設(shè)計(jì)功率為150 kW，目前完成了30 kW的試驗(yàn)測(cè)試，但是性能不詳。

表3 國(guó)內(nèi)外高功率VASIMR電推進(jìn)性能參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparative of performance for VASIMR electric propulsion over the world

圖10 ELF推力器Fig.10 Thruster of ELF

圖11 RP3-X推力器Fig.11 Thruster of RP3-X

圖12 UM-RMF推力器Fig.12 Thruster of UM-RMF

新加坡南洋理工大學(xué)基于核聚變Rotamak裝置研究，提出了GER（Gradually Expanded Rotamaklike Plasma）概念，GER本質(zhì)上也是基于場(chǎng)反構(gòu)型的電磁推進(jìn)。目前他們已經(jīng)開展了對(duì)稱結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)RMF射頻放電研究，并完成了GER樣機(jī)方案的設(shè)計(jì)，如圖13所示[27]。

JXAX聯(lián)合日本多所高校提出了HEAT（Helicon Electrodeless Advanced Thruster）計(jì)劃，旨在利用螺旋波等離子體源與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（Rotation Magnetic Field，RMF）加速的方法研制新一代無電極電推進(jìn)技術(shù)。從前期的試驗(yàn)結(jié)果看，HEAT推力器的加速效果不理想。因此，JAXA正在開展基于HEAT的場(chǎng)反構(gòu)型電推進(jìn)技術(shù)研究[28]。

蘭州空間技術(shù)物理研究所開展了場(chǎng)反構(gòu)型電推進(jìn)技術(shù)研究，研制了5 kW功率的原理樣機(jī)，并完成了放電試驗(yàn)測(cè)試，如圖14所示。由于對(duì)場(chǎng)反構(gòu)型電推進(jìn)機(jī)制的認(rèn)識(shí)還不清晰，研制的樣機(jī)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)還有差距，科研人員正在開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和樣機(jī)的優(yōu)化。

圖13 新加坡南洋理工大學(xué)GER推力器設(shè)計(jì)方案Fig.13 Design scheme of GER thruster in NTU，Singapore

圖14 蘭州空間技術(shù)物理研究所的FRPT樣機(jī)試驗(yàn)Fig.14 Discharging of the LIPS FRPT prototype

國(guó)外高功率FRPT電推進(jìn)的性能參數(shù)如表4所列，盡管國(guó)際上已完成了多款原理樣機(jī)的研制，但是其試驗(yàn)性能與理論分析結(jié)果還有差距。必須重點(diǎn)開展旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)電流驅(qū)動(dòng)機(jī)制、加速機(jī)制、高比沖實(shí)現(xiàn)方法、回路高效耦合方法等問題的研究，為工程樣機(jī)研制提供數(shù)據(jù)支持。

表4 國(guó)外高功率FRPT電推進(jìn)性能參數(shù)Tab.4 Comparative of performance for FRPT electric propulsion overseas

2.5 螺旋波電磁推進(jìn)技術(shù)

螺旋波電推進(jìn)（HPT）是利用頻率在1～27 MHz內(nèi)的螺旋波電離推進(jìn)劑，形成高密度等離子體，并利用雙層效應(yīng)加速離子高速噴出。螺旋波等離子體電推進(jìn)是一種新概念推進(jìn)裝置，以其高電離率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，但其最大不足是加速機(jī)制不清楚，推力和比沖低。

國(guó)際上開展螺旋波電推進(jìn)技術(shù)研究的國(guó)家有美國(guó)、日本、歐洲和中國(guó)等，他們分別研制了HPHT、HDLT和mHTX等原理樣機(jī)，其中最具代表性的是美國(guó)華盛頓大學(xué)的HPHT，最大功率50 kW、最大推力2 N、最高比沖1 500 s、效率為30%～40%[29]。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制了10 kW的原理樣機(jī)，樣機(jī)放電試驗(yàn)如圖15所示[30]。大連理工大學(xué)也開展了HPT機(jī)制和關(guān)鍵技術(shù)研究，研制了試驗(yàn)樣機(jī)。

圖15 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的HPT放電試驗(yàn)Fig.15 Discharging of the Beijing Institute of Space Environ‐mental Engineering HPT prototype

后續(xù)須重點(diǎn)研究HPT的雙層加速機(jī)制、超高比沖實(shí)現(xiàn)方法、螺旋波高效耦合機(jī)制等基礎(chǔ)難題，為樣機(jī)性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。

2.6 脈沖誘導(dǎo)等離子體電磁推進(jìn)技術(shù)

脈沖誘導(dǎo)等離子體電磁推進(jìn)（PIT）是一種用脈沖瞬態(tài)放電感應(yīng)大電流電離推進(jìn)劑并使等離子體定向加速排出的技術(shù)。PIT的優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)壽命、高比沖、適用多元推進(jìn)劑，但是PIT的效率隨放電線圈尺寸增大而提升，導(dǎo)致其尺寸和質(zhì)量過大。國(guó)際上，開展PIT研究的國(guó)家主要為美國(guó)和中國(guó)。

美國(guó)于20世紀(jì)90年代開展了Mk系列PIT原理樣機(jī)的研制，其中MkVa代表了PIT的最高水平，如圖16所示[31]。MkVa加速線圈的直徑為1 m，15 kV放電電壓下的最高比沖為7 200 s，效率約50%，推力0.27 N。近年來，NASA格林中心開展了基于輔助放電方法的PIT電推進(jìn)技術(shù)研究，推力器的功率不超過5 kW。研究者的目的是驗(yàn)證原理的可行性。

圖16 MkVa PIT推力器原理樣機(jī)Fig.16 Prototype of MkVa PIT

國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)研制了PIT原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)線圈及放電回路的一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖17所示。但是，至今未見有關(guān)樣機(jī)的詳細(xì)試驗(yàn)性能參數(shù)的報(bào)道[32]。

圖17 國(guó)防科技大學(xué)PIT電推進(jìn)原理樣機(jī)Fig.17 Prototype of the NUDT PIT

國(guó)際上高功率電推進(jìn)PIT的最高水平如表5所列。由于效率難以超過50%，美國(guó)于21世紀(jì)初暫停了PIT電推進(jìn)的研制工作。為了提高性能，滿足應(yīng)用需求，必須解決PIT電推進(jìn)的電流面形成和加速、脈沖放電回路高效耦合方法、高壓大電流穩(wěn)態(tài)放電策略等難點(diǎn)問題。

表5 國(guó)外高功率PIT電推進(jìn)性能參數(shù)Tab.5 Comparative of performance for PIT electric propulsion overseas

3 高功率電推進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

從國(guó)內(nèi)外高功率電推進(jìn)的發(fā)展脈絡(luò)來看，技術(shù)路線呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。然而，無論從技術(shù)攻關(guān)難度的角度還是從工程應(yīng)用的角度，每種技術(shù)都或多或少有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，也存在不可忽視的缺陷。單就技術(shù)發(fā)展而言，高功率電推進(jìn)技術(shù)面臨如下幾個(gè)必須解決的共性關(guān)鍵難點(diǎn)。

3.1 磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)

高功率電推進(jìn)的磁場(chǎng)扮演了兩個(gè)重要的角色：一是約束等離子體；二是加速等離子體。約束等離子體是通過特定磁場(chǎng)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使等離子體粒子沿磁力線螺旋運(yùn)動(dòng)或者施加宏觀的力使等離子體整體限定在一定的區(qū)域，減少等離子體的擴(kuò)散，降低等離子體粒子數(shù)密度和能量損失，避免高能粒子對(duì)壁面的沖擊，同時(shí)提高等離子體的密度和電離率；加速等離子體是通過磁場(chǎng)的特殊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用磁壓、洛倫茲力等電磁力加速等離子體高速排出產(chǎn)生推力，磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣直接決定加速的效率和推力器的推力和比沖等性能。因此，無論是約束還是加速等離子體，磁場(chǎng)的拓?fù)涠际怯绊戨娡七M(jìn)性能的關(guān)鍵因素。

與中低功率電推進(jìn)相比，高功率電推進(jìn)等離子體的密度和粒子能量均增加了數(shù)倍，由1017m-3增加至1018～1020m-3，等離子體的碰撞擴(kuò)散效應(yīng)更強(qiáng)烈，對(duì)磁場(chǎng)的約束性能要求更高，需要更高磁場(chǎng)強(qiáng)度和更先進(jìn)的空間磁場(chǎng)構(gòu)型實(shí)現(xiàn)高密度高能等離子體的約束。此外，高密度等離子體粒子間的無規(guī)則碰撞誘發(fā)的粒子熱化，會(huì)導(dǎo)致大量能量的損失，也要通過磁場(chǎng)的優(yōu)化來抑制。而在磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還必須兼顧等離子體約束和加速，不能顧此失彼，如何通過優(yōu)化來平衡這一矛盾，也是磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

特別地，隨著電推進(jìn)輸入功率的升高，回路中大的電流和高的電壓會(huì)感應(yīng)出新的磁場(chǎng)，自生的場(chǎng)會(huì)抵消或者干擾原有的外加場(chǎng)，破壞局部的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，誘發(fā)新的等離子體約束問題。針對(duì)這些新的干擾或電磁兼容問題，除了進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)之外，還須進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)診斷測(cè)量，并在工程上進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。

此外，部分高功率電推進(jìn)如VASIMR、MPD和HPT等，可能要采用特斯拉（T）量級(jí)的磁場(chǎng)，在當(dāng)前技術(shù)條件下，可行的措施是采用超導(dǎo)強(qiáng)磁技術(shù)，但是如何實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)技術(shù)在空間的應(yīng)用是必須重點(diǎn)解決的難點(diǎn)。

最后，未來對(duì)高功率電推進(jìn)的性能連續(xù)調(diào)節(jié)及多元工質(zhì)適用性也提出了應(yīng)用需求，而在不同工質(zhì)和不同的工況條件下，電推進(jìn)磁場(chǎng)的拓?fù)湟髸?huì)有所不同，須針對(duì)性地開展變磁場(chǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

3.2 系統(tǒng)效率提升技術(shù)

理論上，隨著輸入功率的不斷提高，電推進(jìn)的效率也會(huì)逐漸增大。從國(guó)際上高功率電推進(jìn)的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果來看，現(xiàn)階段電推進(jìn)的效率普遍偏低，VF-200電推進(jìn)75%的效率已是當(dāng)前空間電推進(jìn)所能取得的最高效率。低效率影響的不僅僅是電推進(jìn)性能，最重要的是其引發(fā)的高熱問題嚴(yán)重制約系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

與電推進(jìn)效率密切相關(guān)的分別是系統(tǒng)的電離效率、加速效率和系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率。電離效率的高低決定了用于工質(zhì)電離消耗電離能的多少，電離效率與多種因素有關(guān)，如工質(zhì)的類型、放電方式、推進(jìn)劑的氣體空間分布、中性氣體的質(zhì)量流率以及外加磁場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，要在實(shí)際工程實(shí)踐中反復(fù)進(jìn)行迭代和優(yōu)化；加速效率與電推進(jìn)的比沖呈正相關(guān)的關(guān)系，比沖越高效率越高，盡管高功率電推進(jìn)普遍采用了電磁加速的方式，但由于不同電磁加速方式內(nèi)在機(jī)制的限制，加速效率差別巨大（如VASIMR和HPT），需要從機(jī)制研究、外磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工質(zhì)選擇和等離子體能量耦合轉(zhuǎn)換等多方面綜合考慮；系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換是指總的輸入電功率通過電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)化后供給推力器的功率，由于受電源能量轉(zhuǎn)化效率、回路歐姆熱耗、電磁能量輻射等效應(yīng)的影響，部分能量不可避免地被直接耗散掉，系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率的高低直接影響電推進(jìn)的效率，尤其是高頻或脈沖放電高功率電推進(jìn)系統(tǒng)，回路能量轉(zhuǎn)換效率是必須重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)問題。

3.3 地面性能診斷測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)

開展電推進(jìn)地面試驗(yàn)性能診斷測(cè)試與評(píng)價(jià)，是電推進(jìn)工程開發(fā)的必要步驟。高功率電推進(jìn)性能診斷測(cè)試和評(píng)價(jià)包含兩方面的內(nèi)容，一是性能診斷，掌握高功率電推進(jìn)的工作性能特性及演變規(guī)律；二是性能評(píng)價(jià)，評(píng)估其壽命和可靠性，為工程應(yīng)用提供可靠保障和數(shù)據(jù)支撐。

在性能診斷方面，與中小功率電推進(jìn)不同，由于輸入功率提高了數(shù)倍（50 kW以上），高功率電推進(jìn)系統(tǒng)的電壓、電流、磁場(chǎng)和工質(zhì)流量均增加了幾倍，工作環(huán)境更加復(fù)雜，羽流等離子體的密度、溫度、粒子能量增加超過1～2個(gè)量級(jí)，電磁、熱、輻射、高電壓等多場(chǎng)相互作用，導(dǎo)致等離子體診斷的難度顯著增加，診斷測(cè)量的精度難以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，復(fù)雜環(huán)境對(duì)等離子體診斷設(shè)備的要求更高（多采用非接觸式的測(cè)量設(shè)備）：須具備能耐受高能離子和高熱的沖擊、能屏蔽強(qiáng)電磁的干擾、能準(zhǔn)確測(cè)量電推進(jìn)的性能等。

在高功率電推進(jìn)地面性能評(píng)價(jià)方面，相對(duì)于中小功率電推進(jìn)，高功率電推進(jìn)測(cè)試評(píng)價(jià)的成本大幅增長(zhǎng)，如若照搬中小功率電推進(jìn)地面全壽命周期1∶1的測(cè)試方法對(duì)高功率電推進(jìn)的壽命和可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，既不現(xiàn)實(shí)，經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本上也難以承受。國(guó)際上通用的解決方案是采用基于加速壽命試驗(yàn)預(yù)估或有限壽命試驗(yàn)預(yù)估的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，但是當(dāng)前的理論和模型還難以滿足工程實(shí)際應(yīng)用需求，須進(jìn)一步攻關(guān)，盡快在中小功率電推進(jìn)領(lǐng)域獲得突破性進(jìn)展，并移植于高功率電推進(jìn)系統(tǒng)。

3.4 高熱防護(hù)及抑制技術(shù)

對(duì)于中低功率電推進(jìn)系統(tǒng)，功率損失導(dǎo)致的熱耗對(duì)系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響都在可控制的范圍內(nèi)，且工程防護(hù)和抑制方法也較為成熟，但對(duì)于高功率電推進(jìn)系統(tǒng)，熱防護(hù)是必須解決的重點(diǎn)難題。以100 kW功率的電推進(jìn)為例，即便電推進(jìn)系統(tǒng)的效率高達(dá)80%，仍然會(huì)有20%的功率被耗散掉，這就意味著20 kW的功率將以歐姆熱耗或電磁輻射能量損耗的方式損失，對(duì)電推進(jìn)而言，高熱具有較大的危害。隨著系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，大量的熱量逐漸累積，使得局部快速升溫，局部的高熱將導(dǎo)致電推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、材料、絕緣和電性能等大幅下降，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致產(chǎn)品失效，影響電推進(jìn)系統(tǒng)的壽命和可靠性。

高功率電推進(jìn)系統(tǒng)的熱源主要有兩部分：一部分是電源長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的高熱，另一部分是推力器長(zhǎng)時(shí)間放電累積的熱量。因此，須重點(diǎn)對(duì)這兩個(gè)單機(jī)進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)，一是優(yōu)化升級(jí)電源：采用新技術(shù)，提高電源的能量轉(zhuǎn)換效率，降低電源自身的產(chǎn)熱；二是進(jìn)一步提升推力器的性能：提高推力器的能量利用效率（如減少高能粒子向壁面的輸運(yùn)、阻斷等離子體的熱傳導(dǎo)等），減少推力器的熱耗，從源頭控制熱耗；三是采取高效的熱防護(hù)措施：在局部高熱組件表面噴涂隔熱涂層、開展散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)、進(jìn)行熱控管理等；四是采用高耐熱材料，如耐高溫的絕緣材料、磁性材料、高溫低電阻導(dǎo)線材料等，大幅提高電推進(jìn)的耐高熱沖擊力。

3.5 空間高壓大電流電源技術(shù)

空間電源作為電推進(jìn)系統(tǒng)的核心單機(jī)，其性能優(yōu)劣直接決定電推進(jìn)系統(tǒng)的效能。相對(duì)于中小功率電源，高功率電推進(jìn)空間電源不僅僅是體積和功率的簡(jiǎn)單放大，而是設(shè)計(jì)難度指數(shù)性的大幅提升，因此，須解決寬范圍電壓和電流穩(wěn)定輸出、高壓大電流絕緣防護(hù)、回路瞬態(tài)高能沖擊、高效負(fù)載匹配設(shè)計(jì)等多方面的問題。

高功率電推進(jìn)的輸出電流可以從幾安培到數(shù)千安培，輸出電壓從幾百伏到幾十千伏，如何解決電源在寬功率范圍內(nèi)的功率穩(wěn)定并精確輸出、電子元器件耐數(shù)千伏/安高壓大電流的沖擊和等離子體環(huán)境下的絕緣防護(hù)問題是高功率電源面臨的難題。通常的做法是采用新技術(shù)、新工藝和新器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合試驗(yàn)完成多輪的可靠性驗(yàn)證。在高功率下，隨著等離子體內(nèi)部的不穩(wěn)定性激發(fā)和增長(zhǎng)，回路的電流和電壓等參數(shù)難免出現(xiàn)瞬態(tài)畸變，對(duì)電源的關(guān)鍵器件產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊，因此，必須考慮對(duì)電源進(jìn)行超裕度的防護(hù)設(shè)計(jì)。此外，高功率電推進(jìn)的加速幾乎全部采用電磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)，而電磁耦合的難點(diǎn)是必須實(shí)時(shí)維持電源與等離子體負(fù)載的阻抗匹配，才能實(shí)現(xiàn)高功率下電源長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定和高效率工作。

3.6 系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)及智能化控制技術(shù)

小型化和輕量化是空間技術(shù)發(fā)展的主要方向，也是未來高功率電推進(jìn)空間應(yīng)用的必然需求。高功率電推進(jìn)系統(tǒng)隨功率的提升，其電源處理單元、貯供單元與推力器的尺寸和質(zhì)量會(huì)顯著地增加，與未來的發(fā)展需求相矛盾，嚴(yán)重影響其應(yīng)用效益。系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)是高功率電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化設(shè)計(jì)的重要途徑之一，但系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)不是多個(gè)單機(jī)的簡(jiǎn)單堆砌和疊加，而是要解決電源、推力器、貯供單元、控制單元之間的接口、力學(xué)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電磁兼容性、熱和絕緣防護(hù)問題以及各單機(jī)之間的互聯(lián)和互操作性問題，并進(jìn)行全方位的試驗(yàn)檢驗(yàn)，是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)工程。

智能化控制主要面向空間前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高功率空間電推進(jìn)系統(tǒng)的高速響應(yīng)、高精度控制和高效應(yīng)用，從而提高系統(tǒng)的柔性化和模塊化，并最大限度提升系統(tǒng)的多元任務(wù)適用性，滿足未來各類航天器的不同應(yīng)用需求，如具備在軌自主響應(yīng)能力、在軌自主診斷和排查故障能力、自主任務(wù)規(guī)劃能力等，大幅降低地面的人為操控和干預(yù)性，提高用戶的使用體驗(yàn)感。

4 結(jié)論

本文針對(duì)未來空間任務(wù)對(duì)高功率高效航天動(dòng)力的應(yīng)用需求，調(diào)研分析了高功率電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，總結(jié)了高功率電推進(jìn)的共性技術(shù)難點(diǎn)，并對(duì)未來高功率電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。鑒于高功率電推進(jìn)技術(shù)路線的多樣性，建議國(guó)內(nèi)在高功率電推進(jìn)技術(shù)的選擇方面，從任務(wù)需要、研制技術(shù)基礎(chǔ)、產(chǎn)品工程化難度和預(yù)期應(yīng)用效益等多維度進(jìn)行綜合分析，并采取“基礎(chǔ)強(qiáng)化”“體系布局”和“產(chǎn)學(xué)研用”相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，快速推進(jìn)大功率電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，彌補(bǔ)技術(shù)短板，帶動(dòng)一批技術(shù)/產(chǎn)業(yè)發(fā)展。