大功率无电极高密度等离子体电磁推进概述

刘莉娟，温晓东，孙新锋，张天平，郭宁

兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理国防科技重点实验室，兰州 730000

未来几十年，空间太阳能电站、载人登月计划和载人航天飞船以及火星、木星和小行星等深空探测任务将成为国际上人类航天活动的重要方向，也将成为未来空间科学与技术创新的重要领域，这对大推力、高比冲、长寿命、性能精准控制等高性能先进宇航动力系统提出了迫切的应用需求[1-3]。

传统的空间推进技术，如化学推进，虽可实现大推力，但比冲较低，且对推进剂需求量较大[4-5]；而常规的电推进，在面向大功率拓展时，由于电极的存在，不可避免地面临严重的电极腐蚀和溅射问题，从而限制推力器的寿命和可靠性[5-6]。为满足深空探测等日益频繁的航天活动，完全无电极大功率高密度等离子体电推进技术应运而生。

完全无电极高密度等离子体电推进利用电场或者磁场来产生和加速等离子体，不存在等离子体和电极之间的直接接触，不受推力密度的限制，对推进剂的纯度也不敏感，同时也不需要中和器，且不受传统离子推力器空间电荷效应的影响，也避免了化学推进燃料超重导致运载火箭发射能力不足的问题，兼具高比冲、大推力、长寿命、大推功比等显著优势，可以极大降低任务成本，缩短任务周期，提高有效载荷，成为开展空间探测任务中极具应用前景的先进航天动力技术之一[5-8]。

目前，国际上正积极展开无电极大功率高密度等离子体电磁推进的技术论证和基础研究，美国、俄罗斯、德国、日本、澳大利亚、西班牙以及意大利等国已开展功率50 kW级以上无电极电推进技术研究，发展的主要无电极高密度等离子体电磁推进类型包括可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)、脉冲感应推力器(PIT)、场反构型等离子体推力器(ELF)和螺旋波等离子体推力器(HPT)等[6-10]，并针对不同的推进类型分别进行了原理探究和样机研制等工作。其中，VASIMR是基于基于螺旋波放电和磁喷管的强磁约束加速等离子体。PIT是利用脉冲诱导电流和线圈电流之间的排斥力加速等离子体；ELF是基于旋转磁场加速机制产生的洛伦兹力加速等离子体；HPT的研制则是基于螺旋波放电内部的双电荷层加速机制。

本文论述了不同的无电极高密度等离子体电磁加速机制及其在大功率电磁推进技术中的应用，通过评估4种具有研制基础的大功率无电极高密度等离子体电磁推进技术，给出了200 kW功率下无电极大功率电磁推进的优选技术方案，并分析总结了该技术方案的发展所面临的关键基础问题，旨为中国高功率场反构型电磁推进技术的发展提供理论支撑。

1 无电极电磁加速机制

无电极电推进技术的电磁加速机制主要包括以下几种：洛伦兹力加速，有质动力加速、磁喷管加速、双电荷层加速、拍频静电波加速等[10-17]，下面分别介绍这几种加速机制。

1.1 洛伦兹力加速机制

洛伦兹力加速，即由于电子在旋转场中的同步运动产生一个较大的角向电流jθ，角向电流与径向磁场Br耦合，从而产生轴向加速洛伦兹力：

fz=jθ×Br

(1)

等离子体在轴向洛伦兹力作用下被加速从末段喷出从而产生推力。

根据角向电流jθ激励方式不同，洛伦兹力加速机制又可分为旋转电场加速、旋转磁场加速和脉冲诱导加速[12-13,18-24]。

(1)旋转电场加速

旋转电场(Rotating Electric Field, REF)加速基本结构如图1所示[12-13,18-20]。

图1 旋转电场加速机制Fig.1 The schematic of REF acceleration mechanism

在正交放置的金属板上施加正弦交变振荡电压，电压相位差为90°，从而在等离子体中产生一个旋转电场E，电场大小可通过电压调节。旋转电场的旋转频率比电子回旋频率低，而比离子回旋频率高，因此电子可以随着旋转电场旋转，而离子基本不响应。电子的横截面运动轨迹是由电子的两个回旋运动叠加而成：一个是拉莫尔回旋运动，即电子在磁场B中的旋转运动f=qvB；一个是由E×B产生的漂移回旋运动[12-13,18-20]。所有电子随着E×B漂移回旋运动的叠加导致角向电流jθ的产生。在磁场径向分量Br的作用下，产生洛伦兹力，使等离子体沿轴向被加速。理论推力fz可以通过jθ×Br积分得到[8,10]：

(2)

式中：β为等离子体密度下降率；n0为初始电子密度；LA为轴向加速长度；rt为推力器半径；rm为磁场线圈半径；ωRMF为旋转磁场角频率；Bz为轴向磁感应强度；v⊥为等离子体垂直速度；me为电子质量；Ep0为REF穿透至磁化等离子体中的电场强度。

在这种加速方式中，沿轴向观察，电子密度的空间分布呈现Lissajous图形，因而又称作Lissajous加速。

旋转电场加速机制的研究主要是由日本宇宙航空研究机构JAXA联合多所高校开展，旨在利用螺旋波等离子体源与REF加速机制相结合的方法研制新一代无电极、长寿命、高性能的电磁推力器[12-13,18-20]，如图2所示。

图2 REF推力器工作示意 Fig.2 Schematic diagram of the thruster with REF acceleration

旋转电场加速机制的研究结果表明，输入功率为450 W时，最大推力约为1～2 mN，最大比冲约390 s，最大的推力效率小于1%[18]。其后续试验结果表明，即便增加等离子体源的尺寸以及天线输入功率(约2 kW)，得到的最大推力也只有约11 mN，比冲约840 s，推力效率只有2%左右[19]。据目前研究结果表明，该种加速机制产生的推力微小，对实际的航天器的推动作用还有待更加深入的研究[10,18-19]。

(2)旋转磁场加速

利用旋转磁场(Rotating Magnetic Field, RMF)在等离子体中诱导驱动产生电流的研究始于1950年[21]，而真正将旋转磁场加速等离子体团的作用效果应用于电磁推进领域却是在2008年[14]，其基本结构如图3所示。

图3 旋转磁场加速机制Fig.3 The schematic of RMF acceleration mechanism

完整的旋转磁场天线包含两组围绕放电腔室正交对立放置的射频(RF)天线，每组RF天线包含两圈互相缠绕的并联或者串联的线圈。两组天线的输入电流相位差为90°，因此天线以LC电路的频率振荡，随之产生旋转磁场[22-23]。电子在旋转磁场中同步运动产生一个较大的角向电流，角向电流与径向磁场耦合，从而产生轴向加速洛伦兹力加速等离子体[8,10,14,18-21]：

(3)

式中：Rcoil为轴向线圈半径；rp为等离子体团半径，一般取Rcoil=rp=LA。

基于旋转磁场加速机制，美国的MSNW公司和日本宇宙航空开发机构JAXA联合开展了大量研究，研制了出多款新型场反构型洛伦兹力电磁推力器(ELF)原理样机。ELF-300样机输入功率为50 kW时采用氮气工质测试结果最高比冲可达6 000 s，元冲量约1 mN·s[26]，目前正在开展100 kW原理样机的研制。

新型场反构型洛伦兹力电磁推力器(ELF)是一种新型的电磁推进技术，利用旋转磁场来同时产生和加速等离子体从而产生推力，其工作原理衍生于磁约束核聚变等离子体装置中反场箍缩位型产生场反构型磁闭合等离子体团的过程[10,22,24-25]，原理和结构分别如图4、图5所示。

图4 场反构型洛伦兹力推力器原理Fig.4 The schematic of the field reversed electrodeless Lorentz force thruster with RMF acceleration

图5 典型场反构型结构Fig.5 Typical field-reversed configuration

基于RMF加速机制的ELF推力器有两个显著的优点[22-27]：

1)由于是闭合场磁拓扑结构，等离子体团以整体的方式排出，不需要增加中和器，也不存在电子和离子与约束磁场的解耦问题；

2)场反构型磁闭合结构使得等离子体与壁不存在相互作用，极大减少了能量的对流和传导损失，理论上仅存在辐射损失，能量利用率高。

(3)脉冲诱导加速

脉冲诱导加速的概念由Dailey和 Lovberg首先提出，是利用加速线圈的高压脉冲电流放电击穿工质气体产生等离子体，并在等离子体中诱导形成逆磁电流面，逆磁电流与线圈电流方向相反，等离子体被电流之间的电磁排斥力加速，从而产生反推力，如图6所示[28]。

图6 典型的脉冲诱导加速机制示意Fig.6 Schematic of a typical planar pulsed inductive thruster

脉冲诱导等离子体推力器(PIT)样机，早期主要由美国TRW空间系统公司开展研究，代表当前最高水平的PIT性能为：电压15 kV，脉冲能量4 kJ，比冲为2 000～8 000 s，效率约50%[28]。

尽管脉冲诱导加速的研究积累了丰富的理论和实验基础，但是该种加速机制对脉冲电磁阀和电容寿命要求极高，关键组件寿命低，同时还存在射频能量耦合效率和推进剂电离率低等问题，许多关键技术瓶颈有待解决[29]。

1.2 有质动力加速机制

有质动力是指非均匀振荡电磁场作用在等离子体上随着负密度梯度的形成而产生的非线性电磁压力。首先，离子通过回旋共振在垂直方向被加热，此后在有质动力的作用下，离子垂直方向的动能转化为轴向动能，离子轴向速度不断增大，完成离子加速过程。当离子的回旋共振恰好落在波能量密度峰值时，离子可以通过电磁场有质动力获得平行加速[8,15,18-19,30]，有质动力加速机制如图7所示。

当离子经过有质动力电势区时，产生的有质动力可表示为[8,32]：

Fpond=-Ф=-

(4)

式中：q，m，ERF，ω，Ωci分别为离子电荷量、离子质量、射频电场强度、射频电场的角频率以及离子回旋角频率。由式(4)可以看出，当射频场的角频率接近离子的回旋角频率时，有质动力最大。

有质动力加速和离子回旋共振(ICR)缺一不可，可以分为3个过程：1)由ICR引起的离子的垂直加热；2)有质动力产生的平行加速；3)利用磁镜效应将垂直能量向平行能量的转化[8,10,15, 30]。

近年来，Fumiko Otsuka等在He和Ar气体中分别开展了有质动力加速相关模拟验证，认为有质动力加速在He中加速效果最佳：外加射频电场强度为320 V/m时，得到的理论推力可达15 mN,比冲达到4 800 s[31-32]。实际上有质动力加速过程中，由于离子质量远远大于电子质量，有质动力沿着磁场线加速的主要是电子，若要产生推力，对离子而言，双极加速是必不可少的。但是，一方面，双极加速限制了推进剂的排出速度；另一方面，推进剂在发散磁场中面临着分离问题，因此该加速机制的推力效率较低[10]。有质动力加速在电推进中的应用研究还不够成熟，大量的理论和试验工作有待开展。

1.3 磁喷管加速机制

磁喷管加速属于“非接触式”加速部件，将热能或者无规则的非直接能量转化为特定方向的动能而获得推力。

磁喷管并不单纯指放电室尾部的喷口几何结构，而是包含通道区、喉部加速区和工质排出区三部分，如图8所示。通过在喉部区域和排出区域合理布置外部电磁线圈，使其产生相对推力器轴对称的磁力线，并沿喷口向外发散。束流由等离子体源在放电区域产生之后沿磁力线被加速经过通道区到达喉部，等离子体束流在喉部完成亚声速到超声速的转变，最后在排出区高速喷出[33]。

图8 磁喷嘴加速机制Fig.8 Schematic of the magnetic nozzle acceleration

若等离子体与磁场在空间轴对称分布，则磁喷管产生的推力可以表示为[8]：

(5)

式中：Iθ为等离子体中的极化电流；Bz为轴向磁场分量；Pe为电子压强。

磁喷管加速的内在物理过程是复杂的，可通过多个机制共同作用来加速等离子体[6, 27]，磁喷管产生推力需要解决3个主要问题：1)将磁等离子体的能量转化为直接的动能；2)等离子体与磁场的有效分离；3)等离子体动能有效转化为飞行器动能[33-34]。

可变比冲磁等离子体火箭(VASIMR)主要采用螺旋波产生等离子体源产生高密度等离子体，通过离子回旋共振加热等离子体，最后在磁喷管的强磁约束下，将高温和高速等离子体径向能量转化为轴向的等离子体的动能喷出而产生推力，如图9所示。

图9 VASIMR原理及概念图Fig.9 The schematic of VASIMR and the conceptual structure

2009年最新研制的可变比冲磁等离子体火箭样机VX-200，功率为0.21 MW时，可产生推力5.8 N，比冲达5 500 s，效率约55%[35-36]。

磁喷管加速机制避免了高温等离子体和壁的相互作用，利用等离子体和轴对称的发散磁场的耦合作用产生推力，从而可极大提升推力器的效率。磁喷管因其特殊的结构特征以及它明显的优势,已被广泛应用于电推进等离子体加速。但是磁喷管对等离子体的约束和分离是相互矛盾的，这是磁喷管加速机制所面临的挑战[37]。

1.4 双电荷层加速机制

在等离子体中带电粒子的加速还包括双电荷层加速，即两种相反极性带电电荷层之间产生的电场。在一定的空间尺度内，等离子体局部准中性平衡失效，正负电荷分离，形成电势降，离子在双层电荷形成的电场中被加速，然后高速喷出，产生推力，其基本原理如图10所示。双电荷层加速可以是由发散磁场中的离子和电子之间形成的角度上的各项异性引起，也可是由膨胀等离子体中温度效应对电子和离子速度的影响而引起的[10,38-39]。

图10 双电荷层加速机制示意Fig.10 The structure of double layer acceleration

电荷层之间的分离是通过静电力和惯性力的动态平衡来维持的，当电荷层之间的电势满足下式时，可以有效加速离子[38,39-40]：

(6)

双电荷层加速机制可以利用鞘层理论来解释。但是在双层加速机制中，力作用在离子上，同样也会对电子起作用，产生一个反向的力，由于发散磁场的存在，会存在一个净的加速力，但是由于双层加速宽度较窄，这个力相对很小。

螺旋波等离子体推力器(HPT)正是基于双电荷层加速机制而研制的，其又被称为螺旋波双层推进器(HDLT)。HPT的工作原理如图11所示，利用螺旋波(频率1～27 MHz)电离Ar、Xe、He等推进剂，形成密度为1018～1020m-3的高密度等离子体，然后利用螺旋波等离子体在膨胀磁场中的双电荷层效应加速离子并高速喷出，形成推力，理论上比冲可达数百至1 300～4 000 s[8,10,38]。

图11 HPT工作机制Fig.11 The mechanism of HPT

目前，性能最好的是2005年华盛顿大学研制的HPHT样机，输入功率30 kW，推力1～2 N，比冲2 000～5 000 s，推力器效率可达55%[38]。

相关试验研究表明，仅在气压为0.026 7～0.267 Pa之间能够形成双电荷层，在此气压范围之外双电荷层将会消失。在气压为0.026 7 Pa 条件时，双电荷层电势降为25 V左右[42]。最近的一项研究工作表明，在氩气螺旋波等离子体中存在类似的双电荷层加速结构，双电荷层之间的电势约为80 V，其中77%的离子可被加速。但是，目前对双电荷层加速机制的研究相对较少，双电荷层加速效果仍有待深入验证[43]。同时即使双电荷层加速存在于磁化等离子体中，但是否是唯一的或者主要的等离子体加速机制，也有待进一步的研究[38-39]。

1.5 拍频静电波加速

1970年研究意外发现电离层中离子可以被加速，揭示了离子可以被与磁场正交传播的静电波加速，从而证明频率为离子回旋角频率整数倍的波的存在。后续持续研究表明[44]，磁化等离子体可以被两束拍频静电波(BEW)有效加速，前提是这两束静电波的频率ω1，ω2满足以下关系：

ω1-ω2=Ωci

(8)

式中：Ωci是离子回旋角频率。

普林斯顿大学电推进与等离子体动力实验室通过试验得出，BEW加热离子的效率达到近90%[45]。BEW可有效加速低能离子，将其与磁喷管结合有望形成有效的无电极等离子体加速效果，但是目前此方面的研究基础较为薄弱，不足以支撑推力器的研制。该加速机制，也有待进一步的研究[38-39]。

2 大功率无电极电磁推进研究现状

基于不同的无电极电磁加速机制，目前美、欧、俄、日等国家均在积极开展大功率电磁推进技术的研制工作，掌握了多种大功率无电极电磁推进的关键技术，研制了多款成熟度较高的实验样机，为未来深空探测任务的开展奠定了理论和技术基础。

2.1 VASIMR

VASIMR的主要研制单位是美国Ad Astra Rocket 公司(AARC)，先后研发了VX-10[46]、VX-50[47]、VX-100[48]、VX-200[49]等多款VASIMR原理样机，功率由10 kW逐渐增大至200 kW，目前正在开展热平衡状态下100 kW级以上功率、连续点火超过100 h为目标的VX-200SS项目。中国的西安航天动力研究所完成了VASIMR第1级4 kW螺旋波源、第2级离子回旋共振单元、第3级磁喷管试验和关键技术验证，完成了50 kW的HiMPE发动机系统集成设计以及30 kW发动机系统点火试验和性能测试[50-51]。性能对比如表1所示。

表1 不同型号大功率VASIMR性能对比

VASIMR推力器的显著优势是比冲连续可调，可以运行在大推力/低比冲或小推力/高比冲两种模式。此外，推进工质无限制、推力效率相对较高、无电极烧蚀、寿命长等也是其显著特色。但是VASIMR推力器的缺点也相当突出，系统结构笨重复杂、尺寸庞大，以及由于使用超导线圈需要配备专用的低温冷却系统等问题。因此，VASIMR的复杂性、大尺寸和大质量极大制约其发展。国际上，目前仅有阿斯特拉公司在开展持续的研究工作，近10年来研究工作进展缓慢，发展基本处于停滞状态。

2.2 PIT

国外对PIT推力器的研制自20世纪90年代中期就已开始，到目前为止已研制了多款推力器样机，包括无源平板PIT、有源PIT(FARAD)、锥形PIT等[52-54]。近年来开展了多工质推进剂推进的可能性相关实验，主要是火星气体的主要成分[55]。2004年NASA联合美国诺斯洛普格鲁曼太空技术公司(NGST)和NASA的喷气推进实验室(JPL)等，开展核电脉冲诱导等离子体推力器(NUPIT)研制，研制目标是功率运行在200 kW、比冲在3 000～10 000 s、效率在70%以上[28-29]。国内仅国防科技大学在开展PIT的研发工作，已经完成了脉冲气体注气供应阀电-机械转换器、推力器感应线圈及放电回路的一体化设计、脉冲开关和电容器等方面的研究[56]。性能对比如表2所示。

表2 大功率PIT性能对比

PIT推力器无电极烧蚀问题、推进剂不受限、推力和比冲稳定可调，早期得到了广泛的研究，但是PIT推力器的效率相对较低(<50%)，高脉冲电压和大电流对开关和电容寿命要求极高(次数>109)，推力器尺寸较大，线圈直径大于1 m。早期型的PIT发展已陷入停滞阶段。

2.3 ELF

目前ELF推力器的主要研制单位是美国MSNW公司，该公司正在发展的几款推力器主要有1 kW的电磁等离子体团推力器(Electromagnetic Plasmoid Thruster, EMPT)、30 kW的ELF-v1和ELF-160推力器以及100 kW的ELF-250推力器[21-22,24-27]。EMPT-III的试验结果显示，采用氙气推进剂，功率1 kW时，推力器比冲最大可达到7 000 s[27]。日本宇宙航空开发机构JAXA联合日本多所高校提出了HEAT(Helicon Electrodeless Advanced Thruster)计划，旨在利用螺旋波等离子体源与RMF/REF的方法研制新一代无电极、长寿命、高性能的电磁推力器[23]。除了美国和日本之外，新加坡南洋理工大学基于前期在核聚变Rotamak装置上的研究，提出了GER(Gradually Expanded Rotamak-like Plasma)推力器概念，其本质上也是基于FRC的ELF推力器，目前正在开展对称结构稳态放电研究。性能对比如表3所示。

表3 大功率ELF性能对比

ELF推力器的优点是功率在10～1 000 kW范围内变化时，推力器的效率恒定，比冲在2 000～8 000 s；工质电离率高，等离子体密度可达1018～1020m-3，寿命长、无侵蚀、溅射和羽流污染问题，且推进剂使用范围广，效率高(85%)[57]；推进剂使用范围广，已经试验验证了火星大气、水、甲烷和二氧化碳等工质的可行性；磁闭合等离子体结构使得等离子体与壁不存在相互作用，极大减少了能量的对流和传导损失小，能量利用率高，具有较大的研究潜力。

2.4 HPT

目前，螺旋波等离子体推力器处于原理性探索就阶段，最高研制功率只有30 kW，大多数样机研制集中于小功率(几百瓦)研制阶段，且由于参数匹配不佳，存在推进剂利用效率低等问题，效率偏低。2013年最新研制的一款2 kW功率的推力器，比冲为2 000 s，推力为15 mN，效率只有7.5%[58]。

3 200 kW大功率无电极电推进技术研究

电推进技术根据其具体工作原理不同，优劣俱存，可针对实际任务需求，对电推进技术方案进行优选。因此针对未来深空探测、载人航天货运以及太阳能电站等运行周期长、安全系数和可靠性要求高的航天任务，必须开展大功率条件下，推力、比冲、效率、比重、寿命等参数的对比研究，从而对大功率电推进系统进行方案优选，储备技术基础。

由于HPT的比冲相对较低，研究不够成熟，因此在同等功率(200 kW)条件下，仅对VASIMR、PIT和ELF三种相对成熟的无电极电磁推进技术在该功率条件下最优性能指标进行综合对比分析。3种典型的大功率无电极电磁推力器在200 kW功率，最佳推进剂工质环境下得到的最优性能指标，包括比冲、推力、效率、比重、和外形尺寸等，如表4所示。其中，功率选定为200 kW主要是考虑原因有二：其一，目前VASIMR正针对200 kW功率级开展相关试验研究，200 kW功率设定具备试验研究依据；其次，考虑到大功率未来10年的发展目标以及空间太阳能电站的发展[60]，国内有望实现200 kW功率的推力器研制，该功率设定具备理论研究前景。

综合对比分析，ELF在推力、效率、比重以及尺寸方面具有显著地优势。ELF的推力可高达十几牛，比重仅为VASIMR的1/6，理论计算效率可高达85%，在大功率推进领域优势明显，更具有发展潜力。目前，场反构型电磁推力器(ELF)已被列入美国未来MW级电推进技术发展战略中。

表4 3种典型的大功率无电极推力器性能对比

旋转磁场加速机制决定了ELF推力器推力，比冲，效率等关键性能，因此深入研究新型场反构型电磁推力器中RMF加速机制可以从根本上提高推力器加速效果和推力器的基本性能，从而为未来我国场反构型洛伦兹力推力器的研制提供理论基础和技术支撑。归纳RMF加速机制在场反构型电磁推力器的应用中面临的关键问题如下：

(1)射频场与等离子体高效耦合

在射频放电中，能量吸收功率很强的依赖于能量的耦合方式，即能量如何从外界电源中耦合电子中对电子进行加速。射频能量与等离子体的高效耦合，决定了射频能量在等离子体中的穿透、等离子体的电离效率、等离子体团的形成和约束，制约着推力器的性能表现等后续一系列过程。因此如何从旋转磁场天线结构设计(包括天线的构型、材质、驱动频率和功率以及磁通量环等的优化设计)，原初等离子体的密度分布特性，以及天线与电路的阻抗匹配特性等因素考虑，提高射频能量与等离子体的耦合效率是面临的关键问题之一。

(2)微秒尺度等离子体团高效电磁加速

微秒尺度等离子体团高效电磁加速是等离子体团与复杂的多物理场动态耦合作用的过程，直接决定了推力器的加速效果。该过程涉及热能、磁能和动能之间的能量转化，内部粒子碰撞/激发/输运特性，电子-离子之间的相互作用等复杂的微观物理机制。同时，介于旋转磁场的射频驱动特性，其与轴向磁场之间的耦合也是一个动态的演化过程，这无疑增加了等离子体团与磁场之间耦合作用的复杂性。因此，明晰等离子体团微秒尺度高效电磁加速机理是开展场反构型电磁推进技术需解决的关键问题。

(3)磁闭合等离子体团(FRC)的稳态约束

旋转磁场加速的实现依赖于磁闭合等离子体(FRC)内部磁压和热压的平衡来维持其稳态约束和控制。磁场对磁闭合等离子体团的约束是一个动态平衡的过程，一旦动态平衡被不稳定因素破坏，约束将难以维持。当前磁场对FRC的约束时间相对较短(只有约几微秒)，不利于维持FRC的加速。因此，研究旋转磁场与气压、流率，偏置磁场以及预电离源等关键因素之间的动态耦合匹配尤为重要。

4 结束语

深空探测任务、大范围轨道转移、载人航天和货运对航天器先进动力系统继而对高功率推力器提出了迫切的应用需求，国内外都已展开了广泛的研究,并针对大功率电推进的发展纷纷提出了相应的发展计划，NASA计划于2020年实现100kW大功率电推进在轨应用。无电极电磁推进技术在电极和加速机制方面的优势使其在大功率拓展中展现出良好的应用态势，其中尤以旋转磁场加速机制为研制基础的场反构型无电极洛伦兹力推力器，在无电极推力系统中具有相对广阔的应用前景和应用潜力，NASA的Next-STEP计划已经将其列为未来深空探测任务的重点发展技术之一。在该方面的研究国外刚起步，国内发展基本处于空白，亟需从理论研究入手全方位对其展开基础研究，储备技术基础，支撑我国未来航天活动的多元化发展。