电推进加速技术现状及展望

夏广庆，鹿 畅，孙 斌，韩亚杰

(1. 大连理工大学航空航天学院，大连 116024； 2. 工业装备结构分析国家重点实验室，大连 116024；3. 辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室，大连 116024)

0 引 言

电推进技术由于具备远高于传统化学推进的比冲优势，成为当前各国航天器降低总质量、提高有效载荷能力、延长在轨寿命的最有效途径之一。国际上已经把采用电推进系统作为衡量空间推力器先进性的标志之一。

2010年8月，美国洛马公司研制的先进极高频军事卫星AEHF在远地点发动机失效的情况下，被多模式霍尔推力器成功拯救且确保了预定的14年寿命，从而避免了超过20亿美元的损失。随即拉开了全电推进卫星技术发展的序幕。2012年10月14日，中国实践9A卫星搭载LIPS-200离子推力器和HET-70霍尔推力器进行了空间在轨实验，这是中国首次进行电推进技术的空间实验验证。以此为分界点，中国电推进技术的发展，从基础性预研阶段正式进入空间应用阶段。2016年，哈尔滨工业大学和北京控制工程研究所联合研制的中国新一代磁聚焦型霍尔推力器HEP-100MF在实践十七号卫星上采用，该卫星搭载“长征五号”运载火箭在海南文昌卫星发射中心发射成功，并于同年11月22日，在地球同步轨道点火成功，标志着磁聚焦型霍尔推力器在国际上首次实现空间应用。2019年12月，中国在“实践二十号”卫星上成功应用了由兰州空间技术物理研究所自主研发的LIPS-300离子推力器，标志着中国电推进技术取得重大突破。2020年1月，上海空间推进研究所研制的中国首款20 kW大功率霍尔推力器成功完成点火试验。该推力器的成功研发，实现了中国霍尔推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。可见电推进的必要性和重要性在现代航天领域日益凸显。随着航天任务的扩展以及卫星性能的提高，研发更高性能的电推进装置对中国未来的航天任务将起到至关重要的作用。

电推进的发展可以追溯至20世纪60年代，至今电推进在功率、结构、原理、形式上更加多样化，所适用的航天任务范围也更加宽广。电推进的本质是将电能或者电磁能转化为推进工质的动能，使推进工质获得极高的喷出速度，从而产生反作用推力。其中，等离子体加速过程是电推进产生推力的核心过程。根据加速方式的不同，可将电推进大致分为电热式、静电式以及电磁式三种类型。不同的加速方式各有优劣，例如，静电加速方式通常存在电极腐蚀的问题，而电磁加速方式中，通常存在电磁干扰和效率偏低等问题。但是，随着航天器可用功率的增加，先进材料及高精密加工技术的出现，电推进技术的潜力得到了持续深入的开发，新概念电推进技术也不断涌现。

鉴于此，本文综述了各类电推进加速技术及基本原理，重点介绍了国内外最新加速技术，总结了现有加速技术存在的问题。在此基础上，对电推进加速技术的下一步发展进行了展望，以期为中国电推进的发展、新型电推进技术的研发提供参考，促进电推进技术的进一步发展。

1 电热加速技术

电热加速推进本质上是将电能转化为推进工质的热能，然后被加热至极高温度的中性工质或等离子态的工质通过拉瓦尔喷管膨胀，热能转化为动能，产生推力，最终为航天器提供动量。

1.1 典型电热加速技术

典型的电热加速技术包括电阻加热、电弧加热和微波或射频电热。除加热方式不同外，电热式推力器的工作原理基本一致：推进工质受热膨胀后，流经拉瓦尔喷管将部分热能转化为动能，进而获得推力。电热式推力器是最接近化学推进的一种电推进方式，其比冲基本由推进工质的加热程度决定。受加热机制限制，不同的加热方式有各自的性能特点。

电阻加热的方式受推力器材料耐热性限制，工质温度无法加热至过高，通常不超过3000 K。因此，电阻加热推力器的比冲一般在100～300 s，推力在0.2 N左右，功率在0.1～1 kW。由于效率较低，对工质携带量要求较高。电弧等离子体的温度一般在10000～20000 K，而电弧放电附近的推力器通道温度在2000 K左右，小于推力器材料温度上限。电弧加热推力器的比冲一般在500 s左右，采用氢气或氦气作推进工质时，比冲可达1000 s以上。推力在0.1 N左右，输入功率可达1 kW，运行时长在1000 h以上。射频或微波电热推力器功率一般为0.1 kW，频率kHz～GHz。以氦气为工质时，能量耦合效率达99%，总效率大于54%，比冲达600 s。

总体而言，电热式推力器的结构工艺及制造简单，可选的推进工质也极为丰富，其发展已相对成熟，而且在早期在轨飞行航天器的姿态控制、阻力补偿、位置保持、轨道修正等任务上已得到了广泛的应用。

1.2 电热加速技术的优缺点及发展趋势

电阻加热最显著的优点在于其非常易于与化学推进的工质管理系统耦合，其整体结构可以非常紧凑，使用、维护、安装及操作均非常简单。除此之外，电阻加热推力器还具有安全可靠、污染小等优点。而且，该推力器的性能对等离子体状态不敏感，效率一般可超过50%。由于上述原因，电阻加热推力器特别适合小卫星，是通信卫星的首选推进方案。当然，受结构材料的限制，电阻加热推力器的工质受热上限很低，导致其比冲远小于其他形式的电推进。

电弧加热的方式可以规避推力器材料对工质受热的限制，所以其比冲有显著增加。但是由于只有部分工质可以发生电弧放电，其效率小于电阻加热的方式，约为35%～40%。除此之外，其阴阳极暴露在等离子体环境中，极易受离子冲击腐蚀，导致其寿命较短，一般为几百小时。此外，电弧等离子体的不稳定性也是影响其使用的主要障碍。

微波电热式相对于电弧加热省去了阴阳极，因此使用寿命显著提高。微波放电产生的等离子体可不与推力器壁面接触，因而同样不受推力器材料限制，工质受热上限高，比冲也较高。此外，其还可使用卫星的微波功率处理单元。其主要问题是微波放电的不稳定性，若微波的功率沉积不合适会影响推力器的使用寿命。而且，通常也只有部分工质参与放电，所以其效率也较低，一般小于10%。综上所述，由于电热式推力器可省去工质管理系统，因此特别适用于小卫星。但由于比冲较低，其一般用于低成本卫星的在轨飞行任务。各种加热方式均有优劣，针对各加热方式的优缺点或针对不同的任务需求，新型的电热式推力器不断被研发。

在电阻加热推力器方面的进展主要有：2017-2019年，Romei等报道了他们研制的新型热交换器电阻加热推力器。新型换热器的结构如图1所示，主要包括一个带集成喷嘴的薄壁同心管。通过采用多层加热及气热交换，工质到达喷管处时其温度可较传统电阻加热推力器有显著提高。以氙为工质时，气体温度可由1000 K提升至3000 K，且比冲由50 s提升至100 s以上。但由于换热器结构复杂，必须采用激光增材制造技术才能实现。

图1 新型换热器结构图[34]Fig.1 Structure of the new type heat exchanger[34]

2019年，Kindracki等提出一种采用超级电容的新型功率单元(Super capacitor power system, SCPS)电阻加热推力器。其工作模式为：首先，在正常飞行期间，推力器系统保持待机模式，超级电容由航天器电源以低功率模式充电；然后，在推力器启动之前，将超级电容与充电系统断开，由超级电容单独为推力器供电；再次，推力器工作期间，超级电容器快速放电，使加热器快速升温；最后，推力器关闭后，超级电容重新连接到航天器的充电系统进行充电。该推力器利用了超级电容超高的功率密度以及可以快速充放电的特性，比较适用于时间短但功耗高的任务。实验表明，采用超级电容的电源单元可在单位质量流量(g/s)下将工质气体的温度增加约200 ℃，并使比冲增加约28%。

2015年，Cervone等提出一种基于固体推进剂的低气压电阻加热推力器。该推力器首次尝试以固态的冰作为推进工质，利用低压条件下固态冰升华为水蒸气持续提供推进工质，推力1～1.6 mN，比冲约为70 s。由于采用了固态推进剂，可进一步缩小推力器整体体积，实现小型化，此外利用水作为推进工质，更为安全、环保。

在电弧加热推力器方面的进展主要有：2017年，Horisawa等报道了一种阵列式电弧加热推力器。如图2所示，该推力器采用多组阴阳极及微喷管阵列的方式显著增大了电弧加热推力器的推力。采用6×6阵列时，实验中推力最高接近45 mN，比冲接近120 s，效率超过30%。

图2 阵列式电弧加热推力器设计概念[37]Fig.2 Design concept of array arcjet thruster[37]

2014年，Fujita等和Kamimura等报道了其研制的毛细管型电热脉冲等离子体推力器。该推力器主要针对传统脉冲等离子体推力器进行了改进，将电磁加速改为电弧加热加速，其原理如图3所示。利用毛细管结构可以使电弧放电更加稳定且易于控制。而且，该推力器的加速方式混合了热加速与电磁加速，对中性粒子和等离子体均有明显的加速作用，比冲和效率得以进一步提高。该推力器比冲可达780 s，效率13%～25%。在上述工作基础上，相继有类似的毛细管型电热脉冲等离子体推力器被研发。

图3 毛细管型脉冲等离子体推力器[43]Fig.3 Capillary pulse plasma thruster[43]

在射频或微波电热推力器方面的进展主要有：2018-2019年，Doyle等和James等提出了微波加热功率沉积的时空调控方法。其通过施加两个或两个以上相同振幅的谐波，同时改变高次谐波的相位偏移，可以使等离子体产生电场相位不对称。这种电不对称效应(EAE)进而可以改变放电等离子体的分布特性。实验结果表明通过优化微波相位，沉积至离子的功率占总射频功率的比例可由57%提升至77%，等离子体密度可提高225%，轴线区域中性气体温度提高35%。

最后，表1总结了不同电热式推力器的改进方向。可以看出，电阻加热多从推力器组成单元进行改进，电弧加热的改进较为多样化，微波或射频电热则从能量耦合方面进行改进。

表1 电热式推力器改进方向Table 1 Improvement direction of electrothermal thruster

2 静电加速技术

静电加速技术中，通常首先采用电能电离推进工质，然后通过具有极高电势差的栅极加速离子。

2.1 典型的静电加速方式

离子推力器的偏置电压栅极引出及加速离子是最典型的静电加速方式。离子推力器的等离子体源可以采用多种方式，包括直流放电电子轰击式、微波放电、射频放电、螺旋波放电等，而加速过程均采用开有数千个孔且电压偏置的栅极系统完成。由于栅极间的电压差极高(>1 kV)，可以在极短的距离内将离子加速到极高的速度，所以静电加速可获得极高的比冲(通常在1000 s以上)。

2.2 静电加速技术的优缺点及发展趋势

目前，影响静电加速方式的关键因素主要有以下四个方面：

1)由于栅极板的厚度极薄，通常小于1 mm，当栅极跨度过大时，栅极板力热稳定性很难保证。因此离子推力器的总功率及推力水平很难得到大幅提升。

2)栅极的引出与加速过程相互耦合并限制，比冲很难得到显著提高。

3)离子被栅极引出后，为了防止卫星积累电荷，需要使喷射到空间中的羽流呈电中性。为此，需要配备专门的中和器来中和离子。中和器在一定程度上影响了推力器的寿命、体积大小、总质量以及结构复杂度。

4)栅极及中和器需要独立的电源供电，很难小型化，因此离子推力器应用于微小卫星受限。

针对以上问题，许多新型的静电加速技术相继出现：

为应对大尺寸栅极板制造困难的问题，2012年NASA格林研究中心提出了一种新型的离子推力器——环型离子推力器。针对中国未来近地轨道任务、远距离深空探测等使命，2015年兰州空间物理研究所在国内率先展开了环型离子推力器的研发。如图4所示，环型离子推力器的放电室呈环形，使其具备如下显著优势：首先，栅极跨度成倍减小，降低了大尺寸栅极的制造难度，可大幅提高推力器设计尺寸；其次，阳极面积增大近一倍，显著增大了放电室输入功率上限；再次，中和器可安装在推力器轴线上，使得结构一体化，节省安装空间；最后，其还具备制造多环及混合环型推力器的潜力。

图4 环型离子推力器[52]Fig.4 Annular ion thruster[52]

为了解决栅极系统引出与加速过程耦合限制的问题，Fearn基于托卡马克核试验装置的四栅极离子引出系统提出了用于离子推力器的双阶栅极系统。如图5所示，在双阶栅极系统中，离子的引出和加速过程分成了两个阶段实现。在引出阶段，屏栅极与第二个栅极仅负责聚焦束流离子；在加速阶段，第二个栅极和第三个栅极仅负责加速束流离子。引出过程与加速过程分开后，第三个栅极电压的取值仅受电子回流限制，通过合理的设计栅极间距和孔径，可以在屏栅极和第二个栅极上施加非常高的电压。因此，双阶栅极系统的比冲没有理论上限，可以大幅提高离子推力器的推力密度。

图5 双阶栅极结构示意图[56]Fig.5 Dual-stage ion optics[56]

为了规避外部中和器的限制，2014年Lafleur和Rafalskyi首次提出了自中和射频离子推力器。如图6所示，推力器的引出栅极由射频电源供电。离子和电子对于振荡场的响应时间不同，分别于不同的时间点被引出。此过程会产生自偏压效应，对鞘层电压进行一定程度的矫正。离子被引出之后，被加速栅极加速并从尾部喷出，产生推力。与此同时，当等离子体电势值接近零时，由于电场的改变，大量电子会被引出，并经由栅极加速喷出。在整个过程中，为保证系统内不存在直流电流，推力器内配有隔直装置，保护系统安全。最终在单位时间内，电子和离子的提取引出量大致相等。推力器工作时，系统内的等离子体束流由连续交替加速的离子和电子组成，这种束流可以自行中和。因此，该推进系统无需额外的中和器，极大地减小了推力器的体积和质量。

图6 自中和射频离子推力器[57]Fig.6 Neutralizer-free gridded ion thruster[57]

除上述基于平行栅极结构的静电加速方式，还有一种新型栅极结构的静电加速方式——惯性静电加速。如图7所示，其电离及加速过程相互耦合，相比于其它静电加速方式，其具有无空心阴极、抗烧蚀、使用寿命更长的优势。此外，将等离子体的产生阶段与加速阶段分开，与螺旋波等离子体源相结合，可进一步提高该推力器的性能。

图7 惯性静电约束推力器[58]Fig.7 Inertial electrostatic confinement thruster[58]

为实现静电加速技术的小型化，许多基于静电加速技术的微电推进被研发出来，典型的静电加速微推进包括：

1)场发射电推力器

场发射电推力器(Field emission electric propulsion, FEEP)一般是基于场发射效应。其基本结构如图8所示。FEEP推力器的发射极为一个非常锋利的针。推进工质为液态金属，如铯。液态金属首先浸润发射极尖端，然后在发射极与引出极之间施加极高的电压，在发射极尖端形成极强的电场。在电场及液态金属表面张力的相互作用下，液态金属在发射极尖端形成泰勒锥。如果泰勒锥附近的电场强度达到液态金属的蒸发强度(约为10V/m)，液态金属离子化并蒸发，进而在静电场下被加速喷出。发射出的金属离子通过栅极孔，速度可高达100 km/s，比冲可达6000 s以上。

图8 场发射电推力器[59]Fig.8 Cut away view of Nano FEEP thruster prototype[59]

2)离子液体推力器

如图9所示，离子液体推力器(Ionic liquid thruster, ILT)与场发射电推力器工作原理类似。不同的是，ILT的推进工质为一种离子化合物。由于采用了离子液体，离子化及启动电压要求降低，推力器性能得到进一步提升。在3 kV加速电压下，离子液体推力器的比冲在1000 s以上，效率可高达90%。

图9 离子液体推力器结构示意图[60]Fig.9 Structure diagram of ILT[60]

3)超声电喷推力器

超声电喷推力器利用超声产生毛细管驻波阵列，驻波尖端在强电场的吸引下形成带电液滴，并被静电场加速喷出。超声电喷推力器的原理如图10所示。液体首先流入发射台表面，当超声波传至发射台表面时，在液体表面产生毛细驻波。当发射台表面与引出极之间施加强电场时，毛细驻波尖端会被电场极化。当电场力和振动力超过液锥表面张力时，液锥顶部将被拉长直至破裂，形成极小的带电液滴。随后，这些液滴在静电场作用下继续加速喷出。超声电喷推力器推力约1～20 μN，比冲900～1200 s。

图10 超声电喷推力器[61]Fig.10 Ultrasonically aided electrospray thruster[61]

4)碳纳米管阵列离子推力器

碳纳米管阵列离子推力器是一种基于碳纳米管场电离技术的新型微型离子推力器。如图11所示，碳纳米管阵列离子推力器利用碳纳米管(CNT)场放电在纳米管尖端高效电离推进工质，然后利用栅极引出并加速离子。碳纳米管阵列离子推力器具备易小型化、高电离率、高效率等特点。而且，根据碳纳米管电极的不同极性可以切换发射离子和电子，因此无需中和器，其使用寿命较长。目前其比冲在2000 s以上，工质离化率约30%。

图11 碳纳米管阵列离子推力器[63]Fig.11 Carbon nanotube array ion thruster[63]

5)磁化电子轰击金属离子推力器

如图12所示，在该推力器中，电子枪E-gun发射高能电子轰击金属靶，融化金属靶形成金属蒸气，同时电离部分金属蒸气。金属离子进入加速区域产生推力。该推力器的特点为电子枪轰击金属靶可产生3000 ℃～6000 ℃高温，可融化绝大部分金属，因此金属靶材料可选范围非常广泛。该推力器的推力由中性及离化的金属气体喷出获得。目前，实验中离子占比小于1%，比冲约为100 s。

图12 磁化电子轰击金属离子推力器[65]Fig.12 Metal ion thruster using magnetron electron beam bombardment[65]

表2总结了不同功率静电式推力器的改进方向。可以看出，大功率静电式推力器可从栅极形状和栅极加速模式上进行改进，而小功率静电式推力器多从电离模式上改进。

表2 静电式推力器改进方向Table 2 Improvement direction of electrostatic acceleration thruster

3 电磁加速技术

电磁加速技术中，等离子体在电磁力的共同作用下电离并加速。但是，通常带电粒子获得能量和电磁加速并非一个过程，一种推进方式也常伴随几种电磁加速过程，所以利用电磁加速的方式非常多，电磁式推力器种类也较多。以下针对每种电磁式推力器进行介绍。

3.1 典型电磁式推力器

电磁式推力器种类繁多，其加速机制通常也差异较大，主要有：脉冲等离子体推力器(Pulsed plasma thruster, PPT)、磁等离子体动力推力器(Magneto-plasma dynamic thruster, MPDT)、霍尔推力器、多级会切场推力器、感应式脉冲等离子体推力器、螺旋波等离子体推力器(Helicon plasma thruster，HPT)、电子回旋共振等离子体推力器(Electron cyclotron resonance plasma thruster, ECRPT)、可变比冲磁等离子体火箭(Variable specific impulse magnetoplasma rocket, VASIMR)。

由于加速机制不同，这些推力器的性能也存在较大差异。例如，PPT放电的瞬时功率(MW)远高于平均功耗水平(W)，因而可得到较高的瞬时比冲和推力(目前最高可达2700 s)。MPDT的比冲高达10000 s，推力约25 N，平均效率约35%。MPDT所需的输入功率较高，一般在kW～MW。霍尔推力器比冲一般在1000 s以上，推力在μN～mN。多级会切场推力器的比冲可达3000 s以上，效率在40%以上。感应式脉冲等离子体推力器中等离子体可被加速至100 km/s，获得0.1 Ns左右的总冲量，实现2000～8000 s的比冲。HPT中等离子体密度一般在10～10m，推力为mN～N量级，比冲大于1000 s，适用于较大功率电推力器。ECRPT可实现推力约1 mN，比冲1000 s，功率30 W。VASIMR的额定功率和推力则可高达30～200 kW以及0.3～6 N。

3.2 新型电磁加速技术

..新构型霍尔推力器

1)嵌套式霍尔推力器

嵌套式霍尔推力器是NASA大功率霍尔推力器的下一步发展方向之一。图13所示为NASA研制的嵌套式霍尔推力器。在保证高比冲和高效率前提下，可以明显降低推力器的总质量和空间尺寸，而且可降低高功率霍尔推力器产生的扭矩，实验证明该方案还可以提升推力器功率工作范围和推力功率比。

图13 嵌套式霍尔推力器[86]Fig.13 Nested-channel Hall thruster[86]

2)无壁霍尔推力器

如图14所示，将标准霍尔推力器的阳极改为紧贴外壁的环形，并将其位置改为通道出口处，这是最基本的将标准霍尔推力器转换为无壁霍尔推力器的方法。除此之外，还有将阳极变为栅网结构的无壁霍尔推力器(ISCT200)，如图15所示。无壁霍尔推力器可以极大地延长霍尔推力器的使用寿命。

图14 无壁霍尔推力器[87]Fig.14 The configuration of the wall-less Hall thruster[87]

图15 ISCT200无壁霍尔推力器[88]Fig.15 The ISCT200 wall-less Hall thruster[88]

3)圆柱形霍尔推力器

圆柱形霍尔推力器(Cylindrical Hall thruster, CHT)是普林斯顿等离子体物理实验室首次提出的新概念霍尔推力器。其由一个圆柱形区域和一个具有可变深度的短环形通道组成，如图16所示。与标准霍尔推力器相比，其具有更高的体积表面比，可显著减少壁面腐蚀。CHT具有更高的推进剂利用率和标准霍尔推力器相当的性能。

图16 圆柱形霍尔推力器[89]Fig.16 Cylindrical Hall thruster[89]

..无电极洛伦兹力推力器

基于场反构型(Field-reversed configuration, FRC)的无电极洛伦兹力(Electrodeless Lorentz force, ELF)推力器在兼具大功率、高比冲和大推力优点的同时，可以运行在10 kW～MW水平，且不受限于功率密度，是一种极具发展潜力的新型电磁式推力器。如图17所示，ELF推力器的工作过程主要分为3个阶段：1)等离子体预电离阶段；2)FRC形成阶段；3)等离子体团加速阶段。

图17 无电极洛伦兹力推力器[90]Fig.17 ELF thruster[90]

..移动磁场无电极推力器

如图18所示，移动磁场无电极推力器以螺旋波放电作为离子源，通过移动磁场加速区域对等离子体进行加速。加速区域通过外部螺线圈提供沿轴向移动的磁场，进而增大离子和电子的电荷分离程度，增大双极电场实现加速。该推力器的特点主要为可在低功率下实现较高的加速效率。

图18 移动磁场无电极推力器[91]Fig.18 Traveling magnetic wave plasma thruster[91]

最后，通过总结上述新型电磁加速技术可以发现，对于霍尔推力器，通常从推力器结构方面进行创新，而其他推力器多从电磁加速模式上创新或改进。

3.3 不同电磁加速技术适用性分析

电磁加速实现方式多且推力器种类多，不同电磁式推力器的特性差别也较大，因此各类电磁式推力器有其各自的适用范围。表3对比了不同电磁式推力器的性能参考范围及适用任务。从技术成熟度来看，霍尔推力器是目前研制技术最为成熟的推力器，也是国际上研究和应用的重点。其推力、功率、比冲覆盖范围广，可横跨微小功率至大功率范围，在卫星轨道转移和位置保持、深空探测器主推进、低轨卫星轨道维持等任务中有大量应用。其它电磁式推力器目前主要处于地面研究和空间验证阶段，离工程广泛应用尚有一定差距。

表3 电磁式推力器的性能参考范围及适用任务[92-96]Table 3 Performance reference range and applicable tasks of electromagnetic thruster[92-96]

受电离和加速原理机制限制，电磁式推力器可大致分为小功率类和大功率类。小功率类电磁式推力器主要包括脉冲等离子体推力器、电子回旋共振等离子体推力器、移动磁场无电极推力器等。它们具有推力小、系统一体化等优势，主要在微小卫星上有所应用和发展。大功率类电磁式推力器主要包括磁等离子体动力推力器、感应式脉冲等离子体推力器、螺旋波等离子体推力器、螺旋波预电离感应式脉冲推力器、可变比冲磁等离子体火箭、无电极洛伦兹力推力器等。这些推力器的功率、推力、比冲大，主要用于载人航天、深空探测、星际货物运输等航天任务。

4 其他加速技术

4.1 无工质推进

无工质推进主要包括帆类推进技术和电动绳系技术。帆类推进又包括电动帆、太阳帆和磁帆。电动帆利用带电导线阵产生电场，形成一个虚拟帆，使得太阳风中的质子或地球电离层中的离子在电场中偏转，通过动量交换的方式获得推力。电动帆的典型参数为：功率为500～700 W，电子电流(枪电流)为20～50 mA,导线直径10～50 μm，长度10～40 km，电势20～40 kV。预计对于200 kg航天器，采用100根导线的电动帆，有效帆面积约为100 km，可产生200 mN推力。太阳帆推进主要利用太阳光的光压获得推力，1 km面积上的光压可达9 N。

磁帆推进包括纯磁帆和磁等离子体帆两种方式。该推力器太阳风在很宽的空间范围内被大型超导线圈产生的磁场反射，作用在线圈上的反作用力将推动航天器沿着太阳风方向加速运动。磁等离子体帆利用强磁场极大地扩展了帆有效拦截面积，省略其他帆类推力器的展开过程。

电动绳系采用通电导体切割地球磁力线所产生的洛仑兹力为卫星提供推力，用于卫星轨道的机动操作。电动绳系的特点为结构简单、成本较低，适用于近地轨道卫星的姿态调整等。

4.2 气动电磁耦合推进

..微阴极电弧推力器

微阴极电弧推力器(Micro-cathode arc thruster, μCAT)是利用阴阳电极间脉冲电弧放电产生等离子体，在气压动力及磁场的作用下等离子体加速喷出放电通道产生推力。其外观如图19所示。该推力器的特点包括：采用固态推进工质，金属阴极既作为放电阴极又作为推力器的推进工质，不需要额外的工质贮存系统，结构简单，体积小，系统质量轻，所需电源功率较小，工作寿命长，推力可变，安全性能高，同时具有较低回流污染。对于微纳卫星极具吸引力，发展前景非常可观。

图19 微阴极电弧推力器[100]Fig.19 μCAT[100]

..可展开阵列式微阴极电弧推力器

该推力器由南安普敦大学首次提出。如图20所示，该推力器直接将导电纳米材料在绝缘层上打印制作阴阳极。工作原理与微阴极电弧推力器基本一致，其具备加工效率高且成本低特点的同时，其推力和输入功率可以随阵列的规模增大而增大。目前处于初步研发阶段。

图20 可展开阵列式微阴极电弧推力器[102]Fig.20 Deployable vacuum arc thruster[102]

4.3 磁重联推进

在螺旋波等离子源尾端，通过实现磁重联过程加速等离子体。图21所示为该推力器示意图。该推力器的特点包括：结构简单，能量转换效率高。磁重联过程中约50%的磁能可转换为等离子体的动能。目前，该推力器尚处于初步研发阶段。

图21 磁重联推力器[103]Fig.21 The magnetic reconnection thruster[103]

4.4 发散磁场静电离子推力器

直流放电产生的等离子体在发散型磁场中直接加速喷出。环形阳极产生的电场和轴向磁场形成正交场束缚电子，离子被静电场加速。该设计最初用作螺旋波等离子体推力器的尾端加速装置。图22所示为其原理示意图，其特点包括：无需螺旋波离子源，由直流放电产生的等离子体即可被加速，易实现高推力密度。而且，在这一设计中，等离子体自洽电场可实现向中心轴线倾斜，有利于减少轰击周围壁面的离子数量。

图22 发散磁场静电离子推力器[104]Fig.22 Electrostatic thruster with divergent magnetic field[104]

5 结束语

本文对各类电推进加速技术及基本原理进行了综述，介绍了不同类型的最新加速技术。回顾本文前述内容，可以发现电推进随航天任务的需求逐渐往尺寸、功率更大或质量更轻、体积更小和效率更高的方向发展，且电推进的形式更加多样化，所采用的加速方式往往综合多种加速效应。电热加速方式总体而言比冲和效率较低，其发展方向与加热方式相关：电阻加热的改进通常集中在热交换器、功率处理单元和推进工质方面；电弧加热由于起弧机构相对独立，且起弧过程涉及多物理场耦合，因此其改进方程多采用阵列化以及电热电磁混合加速；射频或微波电热的改进方向集中在功率沉积调控。静电加速方式比冲高，技术相对成熟，其发展方向与功率相关：对于大功率静电加速方式，往往通过改变栅极形状和栅极加速模式进行改进；对于小功率静电加速方式，往往通过利用不同的物理效应进行改进，如场效应、场电离、高能电子烧蚀及电离。电磁加速方式物理机制复杂，加速过程往往伴随多种物理效应，如霍尔效应、脉冲电弧、螺旋波、有质动力等，所以电磁加速方式研发难度大，形式也最多，但电磁加速方式的潜力巨大，通常可实现推力器性能的大幅提升。

综合上述三种基本加速方式的分析，对电推进加速技术的下一步发展方向进行如下展望：1)通过嵌套或阵列实现增大推力器的功率和推力；2)针对现有加速技术特点，设计全新的推力器结构；3)多种加速机制混合，扬长避短；4)借鉴其他领域的新理论或新技术提出新概念电推力器。