高功率空间电推进技术发展研究

耿 海，吴辰宸，孙新锋，王紫桐，贾艳辉，吕方伟，蒲彦旭

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室甘肃省空间电推进重点实验室，兰州 730000）

0 引言

电推进作为一种先进的空间动力技术，因其比冲较化学推进高近乎10倍，在实现航天器高载荷量方面具有无可替代的优势。从20世纪90年代美国率先在通信卫星上应用电推进开始，过去30多年在轨应用电推进的航天器数量几乎翻了数倍，空间电推进的应用数量已超过上千台/套（含Starlink星座用电推进）。是否应用电推进已成为衡量卫星平台技术先进性的重要标志之一。

空间电推进可广泛用于通信卫星、遥感卫星、科学实验卫星、载人空间站等航天器的位置保持、姿态控制、轨道转移和深空探测航天器的主推进等任务。近10多年来，国内外空间电推进的应用日趋广泛。但受当前航天器空间能源的限制，至今为止，5 kW以上高功率电推进技术在轨应用还未取得突破，在轨空间电推进的推力和比冲性能还较低，国内实践二十号卫星搭载的LIPS-300离子电推进在5 kW最高功率下产生的推力不超过300 mN、比冲不超过5 000 s。

近年来，随着航天技术的进步，空间已成为各航天大国竞相关注的热点，“进入空间、利用空间、控制空间”也已成为各国空间战略的核心发展目标。我国已完成月球探测及采样返回任务，正在实施火星探测任务，计划实施多项深空探测任务，如“近地小行星探测”“木星系统探测”以及超深空探测与采样返回等。以典型的深空探测任务为代表，月球探测已经进入载人登月综合探索阶段，火星、木星和小行星探测尝试无人采样返回，火星探测也向着载人探测的终极目标迈进。仅依靠常规化学推进和中低功率（10 kW以下）电推进为代表的空间动力技术，已不能满足国家空间战略的发展需求，如载人深空探测及采样返回、近地空间货运、空间原位资源开采与利用等任务，需要推进系统的比冲在5 000 s以上、推力在牛级以上。在当前技术条件下，要满足任务所需的推进系统技术指标，电推进的功率须达到百千瓦级。

本文结合高功率电推进技术的国内外发展现状，对高功率电推进技术的综合发展情况进行调研分析，提出各技术路线后续须要重点突破的关键技术，并对我国高功率电推进的发展给出建议。

1 高功率空间电推进技术内涵

空间电推进的推力、比冲、效率和功率之间存在强约束关系（2Pη=TIspg，g为重力加速度），推力T和比冲Isp正比于功率P和效率η[1]。这意味着即使在100%效率的情况下，要实现电推进的牛级大推力和5 000 s高比冲，电推进所需的输入功率至少要在25 kW以上。因此，高功率电推进必然具有大推力和高比冲的性能特点。在当前的技术水平下，电推进的效率一般为60%左右。若进一步考虑系统的效率，高功率电推进总的系统功率通常要在50 kW以上。

电推进尽管具有比冲高和效率高的优势，但是缺点也很明显，中小功率电推进的推力密度小（≤0.3 mN/cm2）、比冲相对较低（≤4 000 s），难以满足载人深空探测、轨道快速转移、深空货运等任务对牛级大推力和5 000 s以上高比冲空间动力的应用需求。为满足上述任务亟需，最佳途径是提高电推进系统的推力和比冲，即进一步提升电推进系统的功率。上世纪60年代，美国和俄罗斯即开展了高功率电推进技术的研究，积累了深厚的理论基础和丰富的实践经验。

60多年来，高功率电推进技术虽然取得了长足的发展，但目前仍处于实验室工程样机研制阶段，距离工程应用还有较大的差距。与此同时，随着各国对空间战略的重视及大型空间任务的实施，对数百千瓦甚至兆瓦级的超高功率电推进的需求越来越迫切。高功率电推进具备的多模式及功率、推力、比冲等性能宽范围连续调节能力，为大幅提升航天器的载荷比提供了有效途径。因而，近年来，高功率电推进被作为空间核心关键技术，受到了世界各航天强国的普遍关注。

目前，国际上高功率电推进重点聚焦电磁加速的技术路线，形成了以霍尔电推进（Hall）、磁等离子体推进（Magneto Plasma Dynamic，MPD）、可变比冲磁等离子体火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR）、无电极场反构型电磁推进（Field Reversed Configuration Thurster，FRPT）、脉冲诱导等离子体推进（Pulse Inductively Thruster，PIT）、螺旋波电磁推进（Helicon Plasma Thruster，HPT）为代表的国际主流技术方向。

2 高功率空间电推进技术发展现状及须重点解决的问题

2.1 霍尔电推进技术

霍尔电推进是利用电子在正交电磁场中的霍尔效应电离推进剂，并通过电磁场实现离子加速。霍尔电推进的优势是工作电压低、可靠性高、系统结构简单、技术继承性好、推力密度大；其劣势也很明显，如结构尺寸大、质量大、放电振荡难以抑制。因此，百千瓦功率以下的霍尔推力器具有明显优势，而百千瓦功率以上的优势渐消。国际上，开展高功率霍尔电推进技术研究的国家主要以美国、俄罗斯和中国为代表。

俄罗斯是最早开展霍尔电推进技术研究的国家，研制了以SPT系列为代表的稳态等离子体霍尔推力器产品，其中高功率霍尔推力器的典型产品是SPT-290，如图1所示，该推力器的最高设计功率为30 kW、推力1.5 N、比冲3 300 s[2-3]。此外，俄罗斯还研制了以D-160为代表的阳极层霍尔推力器产品，如图2所示，最高设计功率140 kW、推力2.5 N、比冲8 000 s[3-4]。

图1 SPT-290霍尔推力器实物图Fig.1 Prototype of SPT-290 Hall Thruster

图2 D-160霍尔推力器实物图Fig.2 Prototype of D-160 Hall Thruster

美国高功率霍尔推力器以NASA的X系列和M系列稳态等离子体霍尔推力器为代表。X系列产品包括NHT-X2[5]和NHT-X3[6]；M系列产品包括NASA-300M[7]、NASA-400M[8]和 NASA-457M[9-10]。NHT-X3由3个同心环形放电室构成，共享阴极置于环心，最高设计功率为240 kW、推力15 N、比冲为 1 400～4 600 s，如图 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霍尔推力器，如图4所示。测试结果显示，采用氙气作为推进剂时，该推力器功率为46 kW、阳极电压为700 V、最大比冲为3 370 s，当阳极电压为600 V时，系统最高效率可达72%；若采用氪气推进剂，最大比冲能够达到4 940 s。

图3 NHT-X3霍尔推力器放电试验测试图Fig.3 Discharging of X3 Hall Thruster

图4 NASA-457M霍尔推力器实物图Fig.4 Prototype of NASA-457M Hall Thruster

国内开展高功率霍尔电推进技术研究的单位有兰州空间技术物理研究所和上海空间推进研究所。兰州空间技术物理研究所研制的50 kW的霍尔推力器产品LHT-450在国内首次实现氪气推进剂45 kW工况下的稳定工作，实测推力1.38 N、比冲3 900 s、效率60%，整体技术水平与NASA-457M相当，如图5所示。上海空间推进研究所研制的10～50 kW的HET-3000霍尔推力器样机实现了28 kW稳态放电，最大推力1.16 N、最高比冲4 146 s[11]。

国内外高功率霍尔推力器的性能参数对比如表1所列，可以看出，美国的X系列和M系列代表了当前国际霍尔电推进的最高水平。国内高功率霍尔电推进技术还处在追赶国际先进水平阶段。面向未来的应用需求，须重点开展霍尔电推进放电振荡机制及抑制方法、热失稳机制及防护方法、多元工质高比冲实现机制等问题的研究。

表1 国内外高功率霍尔推力器性能参数对比Tab.1 Comparative of performance for Hall electric propulsion at home and abroad

图5 兰州空间技术物理研究所霍尔推力器45 kW稳态放电图Fig.5 Steady discharging of 45 kW LIPS Hall electric propulsion

2.2 磁等离子体电推进技术

磁等离子体电推进（MPD）技术是利用阴极大电流（几kA）放电使推进剂气体电离，并在阳极作用下产生等离子体电流，等离子体电流在与外加磁场耦合产生的洛伦兹力作用下加速、高速排出形成推力。MPD的优势是结构简单、尺寸小、加速机制清晰，但其难点是等离子体振荡不稳定性抑制、系统高热防护和阴极长寿命设计。MPD是国际上最早提出的高功率电推进技术方案（20世纪60年代至今），也是研究最为广泛的技术方案，美国、德国、意大利、日本、俄罗斯和中国分别开展了技术研究。MPD有SF-MPD（自生场）和AF-MPD（外加场）两种，目前以AF-MPD为主流技术。

美国NASA和普林斯顿大学联合研制的ALFA AF-MPDT（样机实物如图6所示）性能为：功率0.25 MW、比冲6 200 s、推力5 N、整机效率为60%[12]。美国多个研究机构还联合开展了数兆瓦MPD样机的研究，功率4 MW时，推力50 N、比冲6 900 s（最高比冲接近7 000 s）[13]。此外，美国NASA喷气推进实验室（JPL）和普林斯顿大学建设了锂工质推进MPD试验设施，NASA建设了适用于氢推进剂的气体工质试验设施。

图6 美国ALFA磁等离子体推力器Fig.6 ALFA MPD thruster of USA

德国斯图加特研制了ZT-3、DT-6和SX3三种不同功率的MPD原理样机，但是试验测试结果显示，ZT-3和DT-6的效率均不超过30%。最新研制的100 kW级AF-MPD推力器SX3（如图7所示）的试验表明，稳态下推力器效率为20%～45%。此外，为了抑制高热，SX3采用了水冷装置[14]。

意大利比萨大学研制的0.17 MW AF-MPD于2011年以氩气作为推进剂的试验结果显示，MPD性能为：推力3.5 N、比冲3 000 s、整机效率28%。意大利Alta公司研制的脉冲准稳态MPD的性能为：功率0.1 MW、推力2.5 N、比冲2 500 s[15]。

日本开展MPD技术研究的单位有JAXA、东京工业大学和大阪工业大学等，他们联合研制了兆瓦级MPD和空心阴极稳态MPD，研究了空心阴极高热防护剂冷却技术，提出了螺旋波离子源结合MPD加速的螺旋波MPD等离子体电推进技术[16]。

俄罗斯能源设计局研制了500 kW锂推进剂MPD原理样机，放电试验测试结果显示，推力器的比冲为4 500 s、推力为12.5 N、效率为55%。俄罗斯克尔得什研究中心研制的1 MW的碱金属锂推进剂MPD的推力超过20 N、比冲超过8 000 s[11]。

北京控制工程研究所联合北京航空航天大学和中国科学院合肥物质研究院完成了150 kW的AF-MPD样机研制，最高实测性能为推力5 N、比冲6 000 s，正在开展500 kW超导MPD推力器原理样机的研制[17]。上海空间推进研究所研制了20 kW的AF-MPD原理样机，设计推力500 mN、比冲3 200 s，已完成了5 kW的稳态点火试验[12]。

国内外高功率MPD电推进的性能参数对比如表2所列，从结果看，MPD的效率普遍偏低。面向MPD工程样机的研制和未来应用，必须重点开展放电不稳定机制及抑制方法、大电流高热防护方法等基础研究。

表2 国内外高功率MPD推力器性能参数对比Tab.2 Comparative of performance for MPD electric propulsion at home and abroad

2.3 可变比冲磁等离子体火箭技术

可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）的工作原理是通过螺旋波放电电离推进剂产生高密度等离子体，等离子体经过离子回旋共振加速，在磁喷管强磁约束下，定向高速喷出产生推力。VASIMR的优势是长寿命、性能连续可调，但存在结构复杂、尺寸大和超导强磁的问题，限制了技术的发展和应用。VASMIR最早由美籍华人提出，国际上目前仅美国和中国开展了关键技术攻关和原理样机研制。

美国Ad Astra Rocket公司（AARC）先后研制了VX-10/25/50/100/200/200SS和VF-200等原理和飞行验证样机，其中VX-200（如图8所示）在200 kW功率下的试验测结果显示，采用氩气推进剂时，其最高性能为推力5.4 N、比冲5 000 s、推力器效率72%、系统效率60%。VF-200是VX-200的飞行验证样机，性能较VX-200高，最大推力为6 N、推力器效率达到76%。VX-200SS是针对深空探测任务需求研制的原理样机，典型特点是可以实现100 kW、100 h连续稳态放电，其中SS表示稳定状态（Stable State）[18-21]。

图8 VX-200推力器Fig.8 Prototype of VX-200

国内西安航天动力研究所开展了VASIMR关键技术研究，2016年研制了30 kW级功率VASIMR原理样机HiMPE-30，并进行了地面试验测试，获得的性能参数为：功率30 kW、比冲3 000～5 000 s、推力0.5～0.8 N、效率50%，推进剂为氩气[22]。63601部队和国防科技大学联合开展了VASIMR试验样机（如图9所示）的研制，目前已完成原理性试验验证，样机性能有待进一步测试[23]。中国科学院合肥物质研究院也开展了VASIMR样机的研制，正计划进行放电试验测试。

图9 63601部队的VASIMR电推进放电测试Fig.9 Discharging of VASIMR electric propulsion

国内外高功率VASIMR电推进的性能参数对比如表3所列，其中VF-200代表当前国际最高水平。与美国相比，国内的VASIMR研制还处在起步阶段，须持续开展离子回旋共振加速机制、超导强磁实现方法、集成优化设计方法等关键基础问题研究。

2.4 脉冲等离子体团场反构型推进技术

脉冲等离子体团场反构型（FRPT）推力器的工作原理是利用外加的旋转磁场电离和俘获等离子体电子，并驱动电子形成环形等离子体电流，在外加径向磁场的耦合作用下，产生轴向的洛伦兹力加速等离子体高速排出。FRPT的优势是质量轻、效率高、长寿命、性能连续可调节及推进剂多元化，不足是脉冲工作对电源和开关的性能要求高。尽管对FRPT的研究起步较晚，但该技术已成为国际上高功率电推进技术的主流发展路线，美国、新加坡、日本和中国均开展了样机研制。

美国MSNW公司与NASA及华盛顿大学、爱德华空军研究实验室、密歇根大学分别研制了ELF-250/300[24]（如图10所示）、RP3-X[25]（如图11所示）、UM-RMF[26]（如图12所示）系列原理样机。ELF-160的最大功率为50 kW、最大推力为1 N、采用氮气的最高比冲为6 000 s、效率优于50%。UM-RMF样机的最大设计功率为150 kW，目前完成了30 kW的试验测试，但是性能不详。

表3 国内外高功率VASIMR电推进性能参数对比Tab.3 Comparative of performance for VASIMR electric propulsion over the world

图10 ELF推力器Fig.10 Thruster of ELF

图11 RP3-X推力器Fig.11 Thruster of RP3-X

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

新加坡南洋理工大学基于核聚变Rotamak装置研究，提出了GER（Gradually Expanded Rotamaklike Plasma）概念，GER本质上也是基于场反构型的电磁推进。目前他们已经开展了对称结构稳态RMF射频放电研究，并完成了GER样机方案的设计，如图13所示[27]。

JXAX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旋转磁场（Rotation Magnetic Field，RMF）加速的方法研制新一代无电极电推进技术。从前期的试验结果看，HEAT推力器的加速效果不理想。因此，JAXA正在开展基于HEAT的场反构型电推进技术研究[28]。

兰州空间技术物理研究所开展了场反构型电推进技术研究，研制了5 kW功率的原理样机，并完成了放电试验测试，如图14所示。由于对场反构型电推进机制的认识还不清晰，研制的样机性能与设计参数还有差距，科研人员正在开展关键技术攻关和样机的优化。

图13 新加坡南洋理工大学GER推力器设计方案Fig.13 Design scheme of GER thruster in NTU，Singapore

图14 兰州空间技术物理研究所的FRPT样机试验Fig.14 Discharging of the LIPS FRPT prototype

国外高功率FRPT电推进的性能参数如表4所列，尽管国际上已完成了多款原理样机的研制，但是其试验性能与理论分析结果还有差距。必须重点开展旋转磁场电流驱动机制、加速机制、高比冲实现方法、回路高效耦合方法等问题的研究，为工程样机研制提供数据支持。

表4 国外高功率FRPT电推进性能参数Tab.4 Comparative of performance for FRPT electric propulsion overseas

2.5 螺旋波电磁推进技术

螺旋波电推进（HPT）是利用频率在1～27 MHz内的螺旋波电离推进剂，形成高密度等离子体，并利用双层效应加速离子高速喷出。螺旋波等离子体电推进是一种新概念推进装置，以其高电离率、长寿命等优点受到广泛关注，但其最大不足是加速机制不清楚，推力和比冲低。

国际上开展螺旋波电推进技术研究的国家有美国、日本、欧洲和中国等，他们分别研制了HPHT、HDLT和mHTX等原理样机，其中最具代表性的是美国华盛顿大学的HPHT，最大功率50 kW、最大推力2 N、最高比冲1 500 s、效率为30%～40%[29]。

北京卫星环境工程研究所研制了10 kW的原理样机，样机放电试验如图15所示[30]。大连理工大学也开展了HPT机制和关键技术研究，研制了试验样机。

图15 北京卫星环境工程研究所的HPT放电试验Fig.15 Discharging of the Beijing Institute of Space Environ‐mental Engineering HPT prototype

后续须重点研究HPT的双层加速机制、超高比冲实现方法、螺旋波高效耦合机制等基础难题，为样机性能优化提供指导。

2.6 脉冲诱导等离子体电磁推进技术

脉冲诱导等离子体电磁推进（PIT）是一种用脉冲瞬态放电感应大电流电离推进剂并使等离子体定向加速排出的技术。PIT的优势是长寿命、高比冲、适用多元推进剂，但是PIT的效率随放电线圈尺寸增大而提升，导致其尺寸和质量过大。国际上，开展PIT研究的国家主要为美国和中国。

美国于20世纪90年代开展了Mk系列PIT原理样机的研制，其中MkVa代表了PIT的最高水平，如图16所示[31]。MkVa加速线圈的直径为1 m，15 kV放电电压下的最高比冲为7 200 s，效率约50%，推力0.27 N。近年来，NASA格林中心开展了基于辅助放电方法的PIT电推进技术研究，推力器的功率不超过5 kW。研究者的目的是验证原理的可行性。

图16 MkVa PIT推力器原理样机Fig.16 Prototype of MkVa PIT

国内国防科技大学研制了PIT原理样机，实现了感应线圈及放电回路的一体化优化设计，如图17所示。但是，至今未见有关样机的详细试验性能参数的报道[32]。

图17 国防科技大学PIT电推进原理样机Fig.17 Prototype of the NUDT PIT

国际上高功率电推进PIT的最高水平如表5所列。由于效率难以超过50%，美国于21世纪初暂停了PIT电推进的研制工作。为了提高性能，满足应用需求，必须解决PIT电推进的电流面形成和加速、脉冲放电回路高效耦合方法、高压大电流稳态放电策略等难点问题。

表5 国外高功率PIT电推进性能参数Tab.5 Comparative of performance for PIT electric propulsion overseas

3 高功率电推进的关键技术难点

从国内外高功率电推进的发展脉络来看，技术路线呈现多样化的发展趋势。然而，无论从技术攻关难度的角度还是从工程应用的角度，每种技术都或多或少有其独特的优势，也存在不可忽视的缺陷。单就技术发展而言，高功率电推进技术面临如下几个必须解决的共性关键难点。

3.1 磁场拓扑结构设计及优化技术

高功率电推进的磁场扮演了两个重要的角色：一是约束等离子体；二是加速等离子体。约束等离子体是通过特定磁场拓扑的结构设计，使等离子体粒子沿磁力线螺旋运动或者施加宏观的力使等离子体整体限定在一定的区域，减少等离子体的扩散，降低等离子体粒子数密度和能量损失，避免高能粒子对壁面的冲击，同时提高等离子体的密度和电离率；加速等离子体是通过磁场的特殊拓扑结构优化，利用磁压、洛伦兹力等电磁力加速等离子体高速排出产生推力，磁场结构的优劣直接决定加速的效率和推力器的推力和比冲等性能。因此，无论是约束还是加速等离子体，磁场的拓扑都是影响电推进性能的关键因素。

与中低功率电推进相比，高功率电推进等离子体的密度和粒子能量均增加了数倍，由1017m-3增加至1018～1020m-3，等离子体的碰撞扩散效应更强烈，对磁场的约束性能要求更高，需要更高磁场强度和更先进的空间磁场构型实现高密度高能等离子体的约束。此外，高密度等离子体粒子间的无规则碰撞诱发的粒子热化，会导致大量能量的损失，也要通过磁场的优化来抑制。而在磁场拓扑结构设计中还必须兼顾等离子体约束和加速，不能顾此失彼，如何通过优化来平衡这一矛盾，也是磁场优化设计的关键。

特别地，随着电推进输入功率的升高，回路中大的电流和高的电压会感应出新的磁场，自生的场会抵消或者干扰原有的外加场，破坏局部的磁场拓扑结构，诱发新的等离子体约束问题。针对这些新的干扰或电磁兼容问题，除了进行优化设计之外，还须进行有效的数据诊断测量，并在工程上进行防护设计和试验验证。

此外，部分高功率电推进如VASIMR、MPD和HPT等，可能要采用特斯拉（T）量级的磁场，在当前技术条件下，可行的措施是采用超导强磁技术，但是如何实现超导技术在空间的应用是必须重点解决的难点。

最后，未来对高功率电推进的性能连续调节及多元工质适用性也提出了应用需求，而在不同工质和不同的工况条件下，电推进磁场的拓扑要求会有所不同，须针对性地开展变磁场设计技术研究。

3.2 系统效率提升技术

理论上，随着输入功率的不断提高，电推进的效率也会逐渐增大。从国际上高功率电推进的试验测试结果来看，现阶段电推进的效率普遍偏低，VF-200电推进75%的效率已是当前空间电推进所能取得的最高效率。低效率影响的不仅仅是电推进性能，最重要的是其引发的高热问题严重制约系统的长时间稳态运行。

与电推进效率密切相关的分别是系统的电离效率、加速效率和系统电能转换效率。电离效率的高低决定了用于工质电离消耗电离能的多少，电离效率与多种因素有关，如工质的类型、放电方式、推进剂的气体空间分布、中性气体的质量流率以及外加磁场的拓扑结构等，要在实际工程实践中反复进行迭代和优化；加速效率与电推进的比冲呈正相关的关系，比冲越高效率越高，尽管高功率电推进普遍采用了电磁加速的方式，但由于不同电磁加速方式内在机制的限制，加速效率差别巨大（如VASIMR和HPT），需要从机制研究、外磁场优化设计、工质选择和等离子体能量耦合转换等多方面综合考虑；系统电能转换是指总的输入电功率通过电源系统转化后供给推力器的功率，由于受电源能量转化效率、回路欧姆热耗、电磁能量辐射等效应的影响，部分能量不可避免地被直接耗散掉，系统电能转换效率的高低直接影响电推进的效率，尤其是高频或脉冲放电高功率电推进系统，回路能量转换效率是必须重点关注的一个问题。

3.3 地面性能诊断测试与评价技术

开展电推进地面试验性能诊断测试与评价，是电推进工程开发的必要步骤。高功率电推进性能诊断测试和评价包含两方面的内容，一是性能诊断，掌握高功率电推进的工作性能特性及演变规律；二是性能评价，评估其寿命和可靠性，为工程应用提供可靠保障和数据支撑。

在性能诊断方面，与中小功率电推进不同，由于输入功率提高了数倍（50 kW以上），高功率电推进系统的电压、电流、磁场和工质流量均增加了几倍，工作环境更加复杂，羽流等离子体的密度、温度、粒子能量增加超过1～2个量级，电磁、热、辐射、高电压等多场相互作用，导致等离子体诊断的难度显著增加，诊断测量的精度难以精准实现。同时，复杂环境对等离子体诊断设备的要求更高（多采用非接触式的测量设备）：须具备能耐受高能离子和高热的冲击、能屏蔽强电磁的干扰、能准确测量电推进的性能等。

在高功率电推进地面性能评价方面，相对于中小功率电推进，高功率电推进测试评价的成本大幅增长，如若照搬中小功率电推进地面全寿命周期1∶1的测试方法对高功率电推进的寿命和可靠性进行评价，既不现实，经济和时间成本上也难以承受。国际上通用的解决方案是采用基于加速寿命试验预估或有限寿命试验预估的方法进行评价，但是当前的理论和模型还难以满足工程实际应用需求，须进一步攻关，尽快在中小功率电推进领域获得突破性进展，并移植于高功率电推进系统。

3.4 高热防护及抑制技术

对于中低功率电推进系统，功率损失导致的热耗对系统性能和稳定性的影响都在可控制的范围内，且工程防护和抑制方法也较为成熟，但对于高功率电推进系统，热防护是必须解决的重点难题。以100 kW功率的电推进为例，即便电推进系统的效率高达80%，仍然会有20%的功率被耗散掉，这就意味着20 kW的功率将以欧姆热耗或电磁辐射能量损耗的方式损失，对电推进而言，高热具有较大的危害。随着系统长时间稳定工作，大量的热量逐渐累积，使得局部快速升温，局部的高热将导致电推进系统的结构、材料、绝缘和电性能等大幅下降，严重时甚至可能导致产品失效，影响电推进系统的寿命和可靠性。

高功率电推进系统的热源主要有两部分：一部分是电源长时间工作产生的高热，另一部分是推力器长时间放电累积的热量。因此，须重点对这两个单机进行热防护设计，一是优化升级电源：采用新技术，提高电源的能量转换效率，降低电源自身的产热；二是进一步提升推力器的性能：提高推力器的能量利用效率（如减少高能粒子向壁面的输运、阻断等离子体的热传导等），减少推力器的热耗，从源头控制热耗；三是采取高效的热防护措施：在局部高热组件表面喷涂隔热涂层、开展散热优化设计、进行热控管理等；四是采用高耐热材料，如耐高温的绝缘材料、磁性材料、高温低电阻导线材料等，大幅提高电推进的耐高热冲击力。

3.5 空间高压大电流电源技术

空间电源作为电推进系统的核心单机，其性能优劣直接决定电推进系统的效能。相对于中小功率电源，高功率电推进空间电源不仅仅是体积和功率的简单放大，而是设计难度指数性的大幅提升，因此，须解决宽范围电压和电流稳定输出、高压大电流绝缘防护、回路瞬态高能冲击、高效负载匹配设计等多方面的问题。

高功率电推进的输出电流可以从几安培到数千安培，输出电压从几百伏到几十千伏，如何解决电源在宽功率范围内的功率稳定并精确输出、电子元器件耐数千伏/安高压大电流的冲击和等离子体环境下的绝缘防护问题是高功率电源面临的难题。通常的做法是采用新技术、新工艺和新器件进行优化设计，并结合试验完成多轮的可靠性验证。在高功率下，随着等离子体内部的不稳定性激发和增长，回路的电流和电压等参数难免出现瞬态畸变，对电源的关键器件产生强烈冲击，因此，必须考虑对电源进行超裕度的防护设计。此外，高功率电推进的加速几乎全部采用电磁耦合的方式实现，而电磁耦合的难点是必须实时维持电源与等离子体负载的阻抗匹配，才能实现高功率下电源长时间稳定和高效率工作。

3.6 系统集成设计及智能化控制技术

小型化和轻量化是空间技术发展的主要方向，也是未来高功率电推进空间应用的必然需求。高功率电推进系统随功率的提升，其电源处理单元、贮供单元与推力器的尺寸和质量会显著地增加，与未来的发展需求相矛盾，严重影响其应用效益。系统集成设计是高功率电推进实现小型化和轻量化设计的重要途径之一，但系统集成设计不是多个单机的简单堆砌和叠加，而是要解决电源、推力器、贮供单元、控制单元之间的接口、力学、结构稳定性、电磁兼容性、热和绝缘防护问题以及各单机之间的互联和互操作性问题，并进行全方位的试验检验，是一项长期的系统工程。

智能化控制主要面向空间前沿技术，实现高功率空间电推进系统的高速响应、高精度控制和高效应用，从而提高系统的柔性化和模块化，并最大限度提升系统的多元任务适用性，满足未来各类航天器的不同应用需求，如具备在轨自主响应能力、在轨自主诊断和排查故障能力、自主任务规划能力等，大幅降低地面的人为操控和干预性，提高用户的使用体验感。

4 结论

本文针对未来空间任务对高功率高效航天动力的应用需求，调研分析了高功率电推进技术的发展现状和趋势，总结了高功率电推进的共性技术难点，并对未来高功率电推进技术的发展进行了展望。鉴于高功率电推进技术路线的多样性，建议国内在高功率电推进技术的选择方面，从任务需要、研制技术基础、产品工程化难度和预期应用效益等多维度进行综合分析，并采取“基础强化”“体系布局”和“产学研用”相结合的方式，实现优势互补，快速推进大功率电推进技术进步，弥补技术短板，带动一批技术/产业发展。