霍爾推力器： 《流浪地球》里的發(fā)動(dòng)機(jī)，中國(guó)有了新突破

《流浪地球》里推動(dòng)地球“搬家”的離子推進(jìn)器，中國(guó)有了新突破

近日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“航天科技集團(tuán)”）六院801所研制的50千瓦級(jí)雙環(huán)嵌套式霍爾推力器，成功實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火和穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)驗(yàn)證了推力器內(nèi)、外環(huán)單環(huán)點(diǎn)火和雙環(huán)同時(shí)點(diǎn)火能力。

這是國(guó)內(nèi)首款50千瓦級(jí)雙環(huán)嵌套式霍爾推力器，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第三個(gè)實(shí)現(xiàn)嵌套式霍爾電推進(jìn)技術(shù)突破的國(guó)家。自2012年成功完成國(guó)內(nèi)首次霍爾電推進(jìn)在軌飛行驗(yàn)證之后，該所累計(jì)已有60臺(tái)以上霍爾推力器在軌飛行，應(yīng)用于34個(gè)航天器。

50千瓦級(jí)雙環(huán)嵌套式霍爾推力器

天宮空間站使用了26臺(tái)以化學(xué)燃料作為推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)還第一次用了4臺(tái)推力為0.32牛的霍爾推進(jìn)器。

大功率電推進(jìn)是國(guó)際先進(jìn)空間推進(jìn)領(lǐng)域的未來(lái)戰(zhàn)略發(fā)展方向。大功率霍爾電推進(jìn)具有推力大、比沖高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠等綜合優(yōu)勢(shì)，是目前最接近太空應(yīng)用的國(guó)際主流大功率電推進(jìn)技術(shù)路線。

以美國(guó)、俄羅斯為首的航天大國(guó)，進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，一直持續(xù)研發(fā)大功率霍爾推力器，已經(jīng)將霍爾推力器的功率由幾千瓦提升至200kW，對(duì)它們規(guī)劃的未來(lái)核電推進(jìn)、大型空間任務(wù)的實(shí)現(xiàn)提供了很好的支撐。

工作原理與特點(diǎn)

霍爾電推進(jìn)利用電子在正交電磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)電離工質(zhì)產(chǎn)生高密度等離子體，通過(guò)耦合靜電場(chǎng)加速離子噴出產(chǎn)生推力?；魻柾屏ζ鞯慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，在航天工程應(yīng)用方面均有顯著優(yōu)勢(shì)；推力密度大，可以在較小尺寸下獲得較大推力；推力、比沖覆蓋范圍廣，多模式工作特點(diǎn)可以滿足不同空間任務(wù)需求。

根據(jù)放電室材料及放電通道的尺寸不同，霍爾推力器分為穩(wěn)態(tài)等離子體推力器（又稱磁層推力器）和陽(yáng)極層推力器（見(jiàn)圖1）。穩(wěn)態(tài)等離子體推力器放電室通常采用氮化硼陶瓷等絕緣材料，放電通道較長(zhǎng)，霍爾電流區(qū)較寬；而陽(yáng)極層推力器放電室通常采用石墨等導(dǎo)電材料，放電通道較短，霍爾電流區(qū)較窄。穩(wěn)態(tài)等離子體推力器是霍爾電推進(jìn)的常規(guī)技術(shù)，也是目前應(yīng)用最廣的技術(shù)；陽(yáng)極層作為一項(xiàng)高比沖霍爾電推進(jìn)技術(shù)，可將霍爾電推進(jìn)的比沖提升10%~50%以上，最高可到8000s以上。

圖1 穩(wěn)態(tài)等離子體推力器（左）和陽(yáng)極層推力器（右）基本結(jié)構(gòu)示意圖

2015年，航天科技六院801所在80mN霍爾推力器的空心陰極長(zhǎng)壽命試驗(yàn)中突破18000小時(shí)，累計(jì)點(diǎn)火15000次，遠(yuǎn)超7500小時(shí)、累計(jì)點(diǎn)火8000次的典型任務(wù)指標(biāo)要求。該所的成果使我國(guó)成為繼俄、美、歐之后第四個(gè)掌握霍爾電推進(jìn)技術(shù)的國(guó)家。

2016年，航天科技五院502所研制的磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，在“實(shí)踐十七號(hào)”衛(wèi)星上完成了全部在軌飛行驗(yàn)證工作，這是世界上第一套完成在軌飛行驗(yàn)證的磁聚焦霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)。我國(guó)在軌驗(yàn)證的電推進(jìn)系統(tǒng)為第二代磁聚焦霍爾推進(jìn)技術(shù)，其推力密度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠度高。

中國(guó)第一款牛級(jí)：20千瓦霍爾推力器成功點(diǎn)火

2020年，中國(guó)航天科技集團(tuán)六院801所成功完成了我國(guó)首款20千瓦大功率霍爾推力器點(diǎn)火試驗(yàn)，標(biāo)志著中國(guó)霍爾推進(jìn)器的推力進(jìn)入1N級(jí)。

目前國(guó)外各大衛(wèi)星公司和GEO衛(wèi)星平臺(tái)中，絕大多數(shù)都在使用霍爾推力器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年底霍爾推力器的在軌飛行數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了3000臺(tái)，占據(jù)所有電推力器飛行總數(shù)的85%以上。尤其是近年來(lái)大放異彩的低軌衛(wèi)星星座市場(chǎng)，霍爾電推進(jìn)更是獨(dú)占鰲頭。

美國(guó)星鏈衛(wèi)星星座，目前已發(fā)射數(shù)量超過(guò)2000顆，每顆衛(wèi)星均安裝1臺(tái)霍爾推力器，執(zhí)行衛(wèi)星的所有推進(jìn)任務(wù)。

美國(guó)是發(fā)展大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)力度最大的國(guó)家，其在空間推進(jìn)發(fā)展路線圖中明確提出發(fā)展50kW、100kW霍爾推力器用于低軌和“國(guó)際空間站”（ISS）軌道貨物運(yùn)輸任務(wù)，以及火星軌道的貨物運(yùn)輸任務(wù)。

X3是由密歇根大學(xué)主導(dǎo)研制的一款多通道嵌套式100千瓦級(jí)推力器，設(shè)計(jì)功率200kW，2009年進(jìn)行推力器方案設(shè)計(jì)，2013年實(shí)現(xiàn)推力器30kW功率點(diǎn)火，2017年實(shí)現(xiàn)推力器100kW功率點(diǎn)火。推力器在3個(gè)通道同時(shí)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爾推力器。

美國(guó)X3霍爾推力器及工作狀態(tài)

俄羅斯在上世紀(jì)就開(kāi)展了大功率霍爾電推進(jìn)技術(shù)的研究，主要研制單位為火炬設(shè)計(jì)局（Fakel）、克爾德什研究中心（Keldysh Research Center）、中央機(jī)械制造研究院（TsNIIMASH）等。典型的大功率霍爾推力器有SPT-290、D-160、VHITAL-160等。

隨著人類對(duì)太空探索的不斷深入，需要飛行更遠(yuǎn)、更久的目標(biāo)任務(wù)越來(lái)越多。而傳統(tǒng)的化學(xué)燃料推進(jìn)系統(tǒng)因?yàn)楸葲_值低、需要攜帶大量燃料等問(wèn)題，難以滿足這些任務(wù)的需求。霍爾推進(jìn)器的高效率、長(zhǎng)壽命和低消耗等特點(diǎn)，使其成為深空探測(cè)任務(wù)中的理想選擇。它可以作為載人火星探測(cè)任務(wù)的主要推進(jìn)系統(tǒng)，為探測(cè)器提供持久而穩(wěn)定的推力。

空間站需要定期調(diào)整軌道高度以維持其穩(wěn)定運(yùn)行。傳統(tǒng)的推進(jìn)方式可能會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物和噪音，而霍爾推進(jìn)器則可以在低噪音、低廢棄物排放的情況下完成這一任務(wù)。此外，霍爾推進(jìn)器還可以用于空間站的姿態(tài)控制和軌道機(jī)動(dòng)，確保空間站的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

隨著微型衛(wèi)星和立方星等小型航天器的興起，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高?；魻柾七M(jìn)器具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于這些小型航天器的推進(jìn)系統(tǒng)。它可以為小型航天器提供精確的軌道機(jī)動(dòng)和姿態(tài)控制，使其在太空中發(fā)揮更大的作用。

霍爾推進(jìn)器在宇宙航行領(lǐng)域體現(xiàn)其高效、長(zhǎng)壽命、低消耗、精確控制以及環(huán)保和可持續(xù)性等方面。這些優(yōu)點(diǎn)使得霍爾推進(jìn)器成為未來(lái)宇宙航行任務(wù)中理想的推進(jìn)方式之一。（綜合）