電推進(jìn)系統(tǒng)，也稱電推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉(zhuǎn)化為帶電離子，然后把這些離子加速并噴出以產(chǎn)生推進(jìn)力，進(jìn)而完成航天器的姿態(tài)控制、軌道修正和軌道維持等任務(wù)。

概述

（一）定義

1.電推進(jìn)器

電推進(jìn)器是利用電能加熱或電離推進(jìn)劑并加速噴射而產(chǎn)生推力的一種反作用式推力器。

2.電推進(jìn)系統(tǒng)

也稱電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種不依賴化學(xué)燃燒就能產(chǎn)生推力的設(shè)備，航天器的電推進(jìn)系統(tǒng)由電推力器、電源子系統(tǒng)、電源變換器和控制子系統(tǒng)、推進(jìn)劑儲(chǔ)存和輸送子系統(tǒng)組成，其中電推力器是電推進(jìn)系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)。

電推進(jìn)的“電”是相當(dāng)于化學(xué)推進(jìn)而言；傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)則是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。電推進(jìn)系統(tǒng)利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

電推進(jìn)系統(tǒng)主要由三部分組成：電源處理系統(tǒng)（Power Processor Unit, PPU）、推進(jìn)劑儲(chǔ)存與供給系統(tǒng)和電推力器，其典型配置如圖所示：

圖|電推進(jìn)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)圖

（二）分類

按照工質(zhì)加速原理的不同方式，電推進(jìn)系統(tǒng)大致可分為以下三種：電熱式、靜電式和電磁式三種類型：

圖|電推進(jìn)技術(shù)路線

1.電熱式

電熱推進(jìn)（Electro-thermal）顧名思義，是利用電能加熱工質(zhì)并使其氣化，經(jīng)噴管膨脹加速噴出產(chǎn)生推力。這最接近于傳統(tǒng)化學(xué)火箭的電推進(jìn)方式。一般又可分為電阻加熱式、電弧加熱式和微波加熱式。其中，電阻加熱的原理是利用電阻加熱器加熱工質(zhì)，常用工質(zhì)為肼。

2.靜電（離子）式

靜電式推力器是利用電能在靜電場中離解工質(zhì)形成電子和離子，并使離子在靜電場作用下加速排出。

圖|離子推力器電離區(qū)和加速區(qū)分開，比沖高但技術(shù)復(fù)雜。

3.電磁式

電磁式推力器是利用電能使工質(zhì)形成等離子體，在外加電磁場洛倫茲力作用下加速從噴管噴出。

霍爾推進(jìn)系統(tǒng)是電磁式推進(jìn)系統(tǒng)一種，是當(dāng)前熱門的兩種電推進(jìn)之一。霍爾推力器的原理是將電子約束在磁場中，并利用電子電離推進(jìn)劑，加速離子產(chǎn)生推力，并中和羽流中的離子。

霍爾推力器的電離區(qū)和加速區(qū)在同一處，和離子推力器相比，技術(shù)簡單但比沖低。霍爾效應(yīng)是電磁效應(yīng)的一種，是美國物理學(xué)家霍爾研究金屬的導(dǎo)電機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)電流垂直于外磁場通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應(yīng)使用左手定則判斷。霍爾推進(jìn)器中的陷阱電子置于磁場中可電離所攜帶的推進(jìn)劑。霍爾推進(jìn)器包括穩(wěn)態(tài)等離子體推進(jìn)器(也叫做霍爾效應(yīng)推進(jìn)器)和帶陽極層推進(jìn)器(TAL)兩種。

霍爾推進(jìn)器是一種先進(jìn)的電推進(jìn)裝置，被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星位置保持和姿態(tài)控制領(lǐng)域，并以其結(jié)構(gòu)簡單、高比沖(在 10s 數(shù)量級(jí)上)、高效率(可達(dá) 60%以上)等優(yōu)點(diǎn)成為未來空間飛行器的首選推進(jìn)裝置之一。霍爾推進(jìn)器可使用多種推進(jìn)劑，最常用的是氙，其他推進(jìn)劑包括氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅。霍爾推進(jìn)器主要由兩個(gè)部分組成，空心陰極和霍爾加速器，其中空心陰極是霍爾推進(jìn)器的“心臟”部位，主要承擔(dān)著點(diǎn)火和羽流中和的任務(wù)，是決定電推進(jìn)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵組件；霍爾加速器提供推進(jìn)劑電離、加速區(qū)域產(chǎn)生推力。霍爾推力器的壽命則是由兩個(gè)部分的壽命綜合來決定的。

霍爾加速器的壽命可以通過短時(shí)間的磨損試驗(yàn)來估測，但是空心陰極的壽命，還沒有有效的估測方法。它必須通過1:1的地面壽命來試驗(yàn)，因此空心陰極壽命技術(shù)的突破，是霍爾推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)入全面應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。按照當(dāng)前電推進(jìn)技術(shù)路線達(dá)到的功率等級(jí)，可以做如下分類：

（三）特點(diǎn)

電推進(jìn)相比傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)有比沖高、省燃料、增加有效載荷等優(yōu)點(diǎn)。

1.比沖高

傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)方式通過推進(jìn)工質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)釋放能量使之產(chǎn)生反推力，其比沖范圍一般在250~530s之間，代表性技術(shù)有單組元推進(jìn)、雙組元推進(jìn)等。而電推進(jìn)方式利用電能加熱或電離推進(jìn)工質(zhì)并使之加速噴出產(chǎn)生推力，最高比沖可達(dá)10000s，具備更輕的推進(jìn)劑質(zhì)量和更高的比沖量。

2.壽命長

由于比沖高，效率高，省去化學(xué)系統(tǒng)中復(fù)雜的推進(jìn)設(shè)備，可以攜帶更多的有效載荷或減少攜帶的燃料，可以延長推進(jìn)系統(tǒng)和衛(wèi)星的壽命。

3.小推力、精度高

由于電推進(jìn)能源來源于太陽能，功率有限，產(chǎn)生的速度大，推力小，但是可以長時(shí)間航行，另外電推進(jìn)系統(tǒng)引起的振動(dòng)小，控制精度高。

4.結(jié)構(gòu)簡單

相較化學(xué)推進(jìn)，電推進(jìn)還有一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是不再需要使用固體或液體燃料，省去了復(fù)雜的儲(chǔ)罐、管道、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、噴管、相應(yīng)冷卻機(jī)構(gòu)等，能大幅減少航天器的燃料攜帶量，從而大幅降低火箭、衛(wèi)星等航天器的自重。

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