电推进技术的发展概况与趋势.docx

电推进技术的发展概况与趋势 刘冰 X 1 引言 1.1 电推进技术概述 推进装置是航天器脱离地球引力束缚，进入广袤太空的动力之源，人类在多个世纪的太空探索进程中，各种航天器推进系统的研究从未止步，从最早的冷气推进到化学推进，再到电推进技术，以及未来的核推进。过去冷气直接喷射系统一直是航天器姿态控制应用中最简单的推进系统，但由于总冲非常有限，不利于长时间的在轨管理。但随着小卫星、微小卫星、行星探测器，及深空探测、星际航行等空间探测技术的兴起，要求航天器上的推进系统质量更轻、体积更小、效率更高，因此发展比冲高、结构紧凑、消耗工质少、成本低廉的推进系统已成为航天技术发展的迫切需要[1]。而电推进技术的推进剂比冲要远远高于传统的化学推进系统，是其几倍乃至十几倍的效率，高比冲的电推进能够大大较少对于推进剂的需求，从而增加航天器的有效载荷。从而缩小航天器尺寸，降低运载火箭发射要求，尤其适用于深空探测、星际航行等长时间在轨飞行。表1.对比了目前世界上再空间任务重应用的推进系统。 图1比较了化学推进与电推进的工作原理，这两种推进方式均是通过向后高速喷出推进剂来实现加速的，其推进剂的喷出速度和推进剂的喷出量决定了航天器入轨以后的速度。但对推进剂进行加速的能量来源是不同的，冷气推进通过自身高压气体膨胀加速，化学推进通过化学反应释放推进剂本身的化学能对推进剂进行加速，而电推进是利用来自于太阳或是核能产生的电能对推进剂进行加速[2]。 表1. 不同类型推进系统性能参数对比 推进系统 比冲 输入功率（kW） 效率（%） 推进剂 化学推进 （单组元） 115~225 —— —— 高压气体N2H4，H2O2 化学推进 （双组元） 300~400 —— —— N2H4，H2O2等 电阻加热式 300 0.5~1 65~90 N2H4 离子推力器 2500~3600 0.4~4.3 40~80 Xe 霍尔推力器 1000~3000 1.4~4.5 36~50 Xe 脉冲等离子 推力器 850~1200 0.2 7~13 Teflon 图1.化学推进系统与电推进系统工作原理对比 1.2 电推进技术分类 电推力器是利用电能加热或电离推进剂加速喷射而产生推力的一种反作用式推力器。它与电源子系统、电源变换器和控制子系统、推进剂储存和输送子系统组成一体，可成为航天器的电推进系统。电推力器是电推进系统的核心子系统。根据加速原理的不同，电推进系统大致可分为以下三种：电热式、电磁式和静电式[3]。电热式推进系统主要包括：电阻加热式推力器（Resistojet）、电弧推力器（Arcjet）和太阳热等离子体推力器（STP），电磁式推力器主要包括：脉冲等离子体推力器（PPT）、稳态等离子体推力器（SPT）、阳极层推力器（TAL）、变比冲等离子体推力器（VSIP）、磁等离子体推力器（MPDT）以及脉冲感应推力器（PIT），静电式推力器主要包括：离子式推力器（Ion）、胶质离子推力器（Colloid）、场效应发射离子推力器（FEEP）以及回旋共振加速离子推力器（ECR Ion）等。表2列举了几种典型电推进系统的技术特点 表2. 几种主要的电推进系统的技术特点 类型 优点 缺点 评述 电阻加热 （电热） 结构简单；易控制；电源功率调节简单 比冲最低；热损大；气体分解非直接加热；腐蚀 已运行 电弧加热 （电热与电磁） 直接加热气体；电压低；结构相对简单；推力相对大；能使用催化阱增强；惰性气体作催化剂 效率低；高功率下腐蚀；比冲低；电流高；配线重；热损；功率调节系统较复杂 大推力需100kw甚至更大的功率；已运行 离子发动机 （静电） 比冲高；效率高；惰性推进剂（氙） 电源功率调节系统复杂；电压高；只有一种推进剂；单位面积推力小；供电系统重 几种已运行 脉冲等离子体（电磁） 结构简单；功率低；固体推进剂；无需气体或液体供应系统；推进剂无0-g效应 推力小；泰弗隆（聚四氟乙烯）的反应产物有毒，腐蚀或凝结，效率低 已工作 霍尔推力器 （电磁） 比冲在理想范围，结构简单，冷却系统相对简单；惰性气体（Xe） 一种推进剂；束流发散；腐蚀 几种已经飞行 2 电推进技术国内外发展现状 2.1 电推进发展历史 电推进的理论始于20世纪初期。1906年美国科学家戈达德提出了用电能加速带电粒子产生推力的思想。1929-1931年间，前苏联列宁格勒建立了专门研究电推进的机构，气体动力学实验室的格鲁什柯还演示试验了世界上第一台电推力器，用高电流放电使液体推进剂汽化、膨胀，再从喷嘴喷出[4]。电推力器的工程研究从20世纪50年代末才开始。1960年美国宇航局的考夫曼运行了第一台电子轰击式离子推力器。同年，德国吉森大学的勒布试验了第一台射频离子推力器。前苏联库哈托夫原子能研究所的莫罗佐夫教授在