氪工质霍尔推力器技术发展与趋势

来源：中国航天

陈杰1,2 梁伟1,2 徐亚男1,2 李乐1,2

1.上海空间推进研究所；

2.上海空间发动机工程技术研究中心

近年来，随着卫星星座网络为代表的大规模小卫星集群迅速发展，提供动力所用工质的需求量大大提高。作为星座卫星主流动力的霍尔推力器，当前使用的主要工质为氙气，其在大气中含量较低，提取的成本高。随着航天任务需求量的增加，其价格将整体呈增长趋势，成为制约氙工质霍尔推力器使用的重要因素。因此，替代工质的研究一直是霍尔推力器技术研究的重要方向之一，目前已开展研究的霍尔推力器工质包括氙气、氪气、氩气、空气等气体工质，以及铋、碘等固体工质。由于贮供技术等原因，固体工质仍处于技术验证阶段。

氪气作为霍尔推力器优选工质之一，其在大气中的储量是氙气的10倍，同时价格远远低于氙气。氪气和氙气参数对比如表1所示，相对于氙气氪气具有更低的原子质量，这决定了使用氪气作为工质理论上能够达到更高的比冲。

表1 氪气与氙气参数对比

一、

技术研究现状

2020年以来，高比冲、大功率氪工质霍尔推力器成为技术研究的主要方向，同时开展了基于低成本的氪气和氩气混合工质研究。应用方面，氪工质霍尔推力器在以“星链”为代表的多个国内外卫星产品上进行应用。（一）国外技术研究现状

1.俄罗斯

俄罗斯作为最早研究霍尔推力器的国家，在氪工质霍尔推力器的研究方面也积累了很多成果。最早关于氪工质霍尔推力器的研究是俄罗斯MIREA实验室在SPT-100霍尔推力器上开展的氪工质性能验证（见图1）。2001年，莫斯科航空学院开展了氙气和氪气混合气体试验，研究发现，随着氪气比例的增加，推力器效率降低。2013年，基于SPT-100开展了2kW长寿命验证试验，试验时长205h，试验期间推力器工作稳定，通过预测该推力器能够满足5860h的寿命需求。MIREA实验室SPT-A3霍尔推力器开展了氪气与氙气性能对比研究，氪工质的阳极效率达到60%，阳极比冲3000s。但该推力器使用氪气作为工质时羽流发散角较大，且极易热失稳。由于陶瓷壁面厚度较薄，导致推力器寿命较短。

图1 SPT-100氪工质工作

在低功率氪工质霍尔推力器研究方面，2017年前后俄罗斯与德国合作开发了SPT-40氪工质霍尔推力器，该推力器由SPT-50M改进设计，相对改进前推力器外壁面直径减小8mm。其额定工况为放电电压300V，阳极流量0.86mg/s，实测推力9.9mN，阳极比冲1150s，阳极效率22.7%。由于寿命试验中发现推力器比冲损失和壁面侵蚀严重，因而需要进一步优化设计。

2.美国

20世纪90年代，美国重新启动对霍尔推力器的技术研究，由于美国航天工业强大支撑，氪工质霍尔推力器的相关研究也较为完备。2006年前后，美国密歇根大学基于NASA-173Mv1霍尔推力器研究了氙和氪之间性能差距，研究发现：在低电压（300～400V）下，氪工质与氙工质效率差距达到15%；随着电压增加至高电压（800V）效率差可以缩小到2%，而效率差距主要原因是不同电压下电离率的差别。

在小功率氪工质霍尔推力器的研究方面，2010年前后，霍华德空军基地与NASA等单位合作采用先进的光学诊断等手段对氪工质相关特性进行深入研究，并利用BHT-600推力器进行了氙气和氪气羽流对比研究（见图2）。研究发现，该推力器使用氪气的效率明显低于氙气。

图2 BHT-600霍尔推力器

2011年，美国国家航空航天局（NASA）格伦研究中心在20kW推力器NASA-300M上测试了氪工质的性能（见图3）。试验结果表明，在600V放电电压下，峰值效率为63%，比冲为3223s。

图3 NASA-300M霍尔推力器

2024年，基于进一步降低推力器工质成本相关研究需要，乔治亚理工学院对5千瓦级中等功率霍尔推力器P5开展了氪-氩混合等离子束流特性和性能研究试验（见图4）。研究表明：在氩含量为26%的情况下，推力为102mN，与氩含量为0%时推力基本相同，离子束电流和发散度也相似。

图4 P5霍尔推力器氪-氩混合工质

3.欧洲

欧洲开展霍尔推力器研制的经验较为丰富，以中小功率氪工质霍尔推力器为主，研制的PPS-1350（见图5）、PPS-5000等推力器已成为霍尔推力器应用和研究的主要产品。

图5 PPS-1350霍尔推力器

2011年，波兰IPPLM实验室开始了小功率氪工质霍尔推力器的研究工作，研制了300W氪工质霍尔推力器。2014年，大比冲氪工质霍尔推力器项目（KLIMT）与欧空局（ESA）高比冲氪工质霍尔推力器项目（HIKHET）合并，基于300W氪工质霍尔推力器重新开发了一款500W氪工质霍尔推力器。通过多次优化迭代设计，该推力器质量流率0.6~1.0mg/s、放电电压240~800V，比冲超过2000s。2022年前后，该推力器进行了高电压改进设计，达到了高比冲工作状态。推力器能够在超过600V工况下稳定运行，比冲达到2500s。在氪气流量1.0mg/s、放电电压300V工况下，推力器效率达到34%。

2018年，新加坡南洋理工大学开发设计了一款低功率氪工质霍尔推力器，主要研究放电电压和推进剂流量对放电电流、推力和离子电流密度分布的影响，并采用非介入式光谱诊断等离子体的发射强度和放电电流振荡，对推力器氪工质的放电特性进行了研究。

（二）我国技术发展现状

我国霍尔推力器相关技术研究起步较晚，氪工质霍尔推力器相关技术相对滞后，相关研究工作以哈尔宾工业大学和上海空间推进研究所为主。2007年前后，我国开展了霍尔推力器氪工质验证，到目前已有多个氪工质霍尔推力器在轨应用。

2007—2009年，哈尔滨工业大学研究人员以俄罗斯第二代ATONA-3为研究基础，展开基于氪工质霍尔推力器的一系列深入研究。研究表明：合理的磁场位形、恰当而集中的工质电离分布和较小的低频振荡范围能够解决氪工质霍尔推力器的羽流聚焦性差、工质电离效率低等问题。2017年，哈尔滨工业大学在HET-P70推力器上进行束聚焦特性研究，主要通过磁力线弯曲方向、曲率来实现磁场位形的改变，通过磁场位形调节羽流发散角可减小到11.3°。2020年，哈尔滨工业大学研究了高比冲氪工质霍尔推力器，采用峰值外推的磁场设计降低了氪离子的壁面损失，提高了效率峰值大小及其对应的放电电压值，并提高了推力器稳定工作的放电电压上限。

2011年，上海空间推进研究所在HET-40霍尔推力器上完成氙工质和氪工质对比试验，并对羽流特性进行了研究。研究发现，亚千瓦级霍尔推力器采用氪气作为推进剂时，性能有明显下降。相比于氙气，氪气推力器效率下降15%左右，推力功率比降低0.015mN/W左右；而且根据性能变化曲线，氪气适合在大阳极流量、大功率工况下工作。氪工质霍尔推力器需根据氪特点重新进行磁场设计和优化，以使得推力器达到最佳工作状态。

近年来，由于商业电推进的蓬勃发展，上海空间推进研究所对现有氙气工质霍尔推力器产品开展了氪气工质性能测试。测试结果表明：氙气工质霍尔推力器使用氪气进行试验时效率均有一定程度的下降，且产品工作温度较高。针对该问题，上海空间推进研究所开展了氪气工质霍尔推力器在磁场设计及热设计方面的相关研究。2025年，该研究所研发了基于氪工质特点的HET-40-2霍尔推力器（见图6），产品额定推力40mN，比冲1650s，研究所在大功率氪工质霍尔推力器方面，完成了20kW氪工质点火验证试验。

图6 HET-40-2氪工质霍尔推力器

二、

产品应用现状

“星链”卫星一代产品采用ASE Max氪工质霍尔推力器，其功率1.45kW，推力71mN，比冲1666s，用于完成卫星部分变轨、位置保持及后期离轨任务，这标志着氪工质霍尔推力器正式进入航天应用。该氪工质霍尔电推进系统共助力4000余颗一代“星链”卫星，完成了轨道调整、位置保持等任务（见图7）。2023年美国亚马逊公司“柯伊伯卫星”（KuiperSat）互联网星座的KuiperSat-1和KuiperSat-2采用氪工质霍尔推进系统完成了在轨机动测试。

图7 “星链”卫星氪工质霍尔推力器

在我国，北京易动宇航科技有限公司（简称“易动宇航”）于2023年在“星池”一号第二组A/B卫星上配套了氪工质霍尔电推进系统，完成了国内首套氪工质霍尔推力器在轨应用（见图8）。2025年，“卫星互联网技术试验”卫星搭载了易动宇航3套大功率氪工质霍尔电推进系统，系统总功率1100~1350W，推力48.5~63.5mN，比冲1770~1830s。2024年，北京星辰空间科技有限公司研制的400W氪工质霍尔电推进系统搭载在银河航天（北京）科技有限公司的4颗遥感卫星上，完成了百千米级升轨任务；同年，“卫星互联网技术试验”卫星搭载北京星辰空间科技有限公司900W氪工质霍尔电推进系统成功入轨，该推力器工作寿命达4000h。

图8 易动宇航氪工质霍尔推力器

三、

发展建议

我国氪工质霍尔推力器已经步入应用阶段，由于相关技术研究起步较晚，与国外相比，技术及在轨应用经验上还存一定差距。在星座卫星方面，氪工质霍尔推力器还未进入大范围应用阶段。基于当前商业卫星低成本要求，氪工质霍尔推力器必将成为发展趋势之一。为满足后续卫星应用的要求，笔者提出以下发展建议。

（一）完善技术研究

我国关于氪工质霍尔推力器的相关理论和试验研究较少，对于氪工质霍尔推力器的认识存在一定差距。当前氪工质霍尔推力器技术方面主要面临如下问题：（1）相较于氙气，氪气的电离能更高，导致氪工质电离效率低，电离稳定性差和工作性能低等问题；（2）由于氪工质质量较小，离子在近壁鞘层的作用下与壁面碰撞更加剧烈，导致氪离子壁面损失大，进而比冲和效率损失严重，同时壁面侵蚀严重，影响推力器工作热稳定性和寿命；（3）由于氪工质霍尔推力器效率较低及壁面侵蚀严重，导致推力器整体温度较高，不利于氪工质霍尔推力器工程应用。在推力器研制过程中应充分进行热设计，降低推力器关键部位温度，保证产品应用安全。（4）贮存方面，氪工质贮存密度低且贮存压力大，电推进气体工质贮存通常采用超临界贮存方案，氙气常温贮存压力为7.5MPa，氪气常温贮存压力为25MPa，因而氪工质霍尔电推进贮供系统需要进行高压设计，以满足氪工质贮存需求。

（二）加快商业化应用

氙工质霍尔推力器是当前国内电推进应用的主流产品，氪工质霍尔推力器尚处于应用初期，应进一步加快氪工质霍尔推力器型号应用，从应用方向牵引氪工质相关技术研究工作，降低霍尔推力器应用成本。