今天小編分享的科技經驗：航天器微功率電推進，發展到哪一步了？，歡迎閲讀。
近年來，随着微電子、載荷、通信、能源、制造等技術的創新發展，發射質量在 10~100kg 的微小衞星、1~10kg 的納米衞星（合稱 " 微納衞星 "）迅猛發展，廣泛應用在遙感、通信、物聯網、空間實驗、在軌服務與維護、深空探測等領網域。截至 2023 年 10 月 31 日，國際上發射了 2410 顆納米衞星。空間任務對微納衞星的要求不斷提升，如進一步提高機動性（如緊急碰撞規避）、提升性能、延長壽命、壽命末期離軌、強化編隊組網能力、縮短研制周期、降低成本等。
然而，在大中型航天器上廣泛應用的化學推進系統在微小型化時，存在推力器噴嘴性能損失嚴重、系統組件數量多、系統結構質量占比大、工質劇毒等問題，導致其在微納衞星上應用時困難重重，嚴重影響了微小衞星的壽命和性能。
針對這一動力瓶頸，近年來研究人員對功率在 1~100W（僅為手機等日常便攜電子產品充電功率量級）甚至更小的微功率電推進技術進行了深入研究，取得了大量突破性成果，并開始在軌實驗和應用。微功率電推進還可拓展應用到引力波探測器、重力梯度衞星等超靜平台航天器的無拖曳控制，以及空間大型撓性構件的振動控制等場合。需要指出的是，對于微推進系統，在描述整個系統的性能時，由于系統結構比重較大，比衝的重要性已在一定程度上弱化，部門質量或部門尺寸可產生的衝量（部門為 N · s/kg 或 N · s/L）可更直觀地描述整個系統的能力。
一、分類和技術特點
微功率電推進的工作原理、系統組成與常規電推進相同。按工質加速方式不同，微功率電推進帳為電熱式、靜電式和電磁式三大類（見圖 1）。微功率電推進既有常規電推進的微型化，如微功率霍爾電推進、離子電推進等，又有本身就适用于微功率場合的電推進，如電噴推進、微陰極電弧推進等。表 1 給出了典型微功率電推進技術的原理、基本性能範圍和優缺點。
圖 1 三類電推進工作原理圖
表 1 典型微功率（不超過 100W）電推進的原理和優缺點
微功率電推進技術具有如下技術特點：
1. 功率小，不超過 100W；
2. 結構簡單，往往不需要閥門、貯箱、壓力傳感器等推進系統常用組件，易于模塊化、微型化；
3. 比衝較高，特别是靜電式和電磁式微功率電推進的比衝顯著高于化學推進；
4. 推力小，一般在微牛至毫牛量級；
5. 工質種類多，大都采用無毒工質，綠色環保；
6. 效率通常較低，對于由常規電推力器微型化而來的微功率電推力器，其放電區網域的面容比相對于常規電推力器大幅縮小，導致工質與推力器内壁面作用明顯增強，顯著降低效率和比衝；
7. 壽命普遍較短，這是由于工質與推力器壁面作用強、推力器内部熱量積聚、電極尺寸小等。
二、研究現狀
（一）電熱式微功率電推進
電熱式電推進實現微功率的主要途徑是結合微機械加工、增材制造等新技術，以及将常規電熱式電推進常用的肼工質更換為水等綠色工質，實現微型化、集成化、綠色化。
1. 美國 Busek 公司研制的微功率電阻加熱推進模塊質量為 1.25kg，尺寸為 9cm×9cm×10cm，貯箱容積為 280mL，功率為 3~15W，總衝為 427N · s，主推力器推力為 2~10mN，比衝為 150s，8 台姿控推力器推力為 0.5mN，比衝為 80s。
2. 荷蘭代爾夫特理工大學近年來開展了硅基自由分子流微功率電阻加熱推力器研究，以及基于傳統機械加工工藝的電阻加熱推力器試驗，後者在采用液态水工質，加熱功率為 36.1~36.6W，推力器腔室温度為 300 ℃、壓力 0.1MPa 時，推力為 8~8.3mN，比衝為 95~100s。
3. 日本東京大學研制的水工質電阻加熱推進系統 AQUARIUS-1U（見圖 2）安裝在 2019 年 11 月從 " 國際空間站 " 上發射的 3U 立方星 AQT-D 上，其尺寸為 92mm×92mm×105mm，濕質量為 1.2kg（含水 0.4kg），總衝為 250N · s，安裝 5 台推力器，其中 1 台為軌控推力器，推力為 4mN，比衝為 70s；4 台為姿控推力器，推力為 1mN，比衝為 70s，最小元衝量大于 0.5mN · s。工作時，水蒸氣被加熱到 70 ℃噴出。
圖 2 日本東京大學研制的水工質電阻加熱推進系統
4. 西安航天動力研究所在 2009 年研制了基于微機電系統（MEMS）技術的自由分子流微型電阻加熱推力器（見圖 3），利用液态水和氮、氩、氦等氣體工質進行了測試，計算推力為 0.8~2.3mN。
圖 3 西安航天動力研究所研制的微型電阻加熱推力器
5. 北京易動宇航科技有限公司研制的 ERT-12 電阻加熱推力器采用氮氣工質，功率為 12~65W，推力為 10~40mN，比衝為 200s，采用該推力器的電推進系統于 2020 年 12 月 22 日完成在軌應用。
（二）靜電式微功率電推進
靜電式電推進實現微功率主要是兩種思路：一是傳統的霍爾、離子電推進的微型化；二是發展更為适合微功率場合的電推進技術。
霍爾、離子電推進在微型化時，存在放電室急劇縮小導致面容比急劇增大、等離子體與放電室壁面作用顯著增強、熱積聚嚴重、效率顯著降低、傳統加熱型空心陰極功率下降困難，以及貯供系統微型化困難等問題，霍爾電推進還存在放電室削蝕增強、壽命顯著降低的問題。因此，功率很小時，往往對這兩種電推進的主要要求是先實現穩定的推力輸出，而對比衝和效率的要求可以降低。
霍爾電推進微功率化的主要措施是減小放電室面容比甚至采用無放電室構型，減小陰極功耗甚至不配備空心陰極，加強散熱，優化磁路設計，換用新型高密度工質（如碘），優化貯供系統和功率處理單元等。典型研究有：
1. 美國 Busek 公司、法國 Exotrail 公司及上海空間推進研究所等開展了基于傳統磁場構型的微功率霍爾推力器研究。法國 Exotrail 公司針對 10～80kg 的航天器研制了 spacewareTM-nano 霍爾電推進系統，功率為 40~60W，推力為 1.5~2.5mN，總衝為 6kN · s，尺寸為 1~2.5U（1U=10cm×10cm×10cm）。該公司研制的 ExoMG 微型霍爾推力器創造了霍爾推力器首次應用于 100kg 以下衞星的紀錄。
2. 法國國家科學研究中心和意大利 Sitael 公司及我國上海空間推進研究所、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等研制了永磁勵磁或永磁、電磁復合勵磁的微功率霍爾推力器，采用永磁材料确保磁場強度。上海空間推進研究所研制的百瓦級磁屏蔽 HET-5 PM 復合勵磁霍爾推力器（見圖 4），通過磁屏蔽大幅延長推力器壽命，當其放電電壓為 200V、功率為 50~100W 時，推力為 3.43~7.02mN、陽極比衝為 891~1073s、陽極效率為 29.4%~37%。
圖 4 上海空間推進研究所研制的 HET-5 PM 霍爾推力器
3. 美國普林斯頓大學、日本大阪工業大學、我國哈爾濱工業大學等開展了圓柱形霍爾推力器研究，該類型霍爾推力器通過将傳統霍爾推力器的圓環形放電室改為圓柱形，減小放電室面容比，降低等離子體對放電室壁面的作用。日本大阪工業大學研制的微功率圓柱形霍爾推力器可在 10W 功率時穩定工作，其放電功率為 66W 時，推力為 1.56mN，陽極比衝為 1570s，陽極效率為 18.1%。
4. 法國國家科學研究中心、美國普林斯頓大學、我國西安交通大學等開展了無壁面霍爾推力器研究。該技術尚處于初步研究階段，其原理是利用磁場而不是實體的放電室壁面來約束等離子體，不存在等離子體與放電室的作用，有利于簡化結構、延長壽命，但存在工質利用率低、束發散角大、效率較低等問題。西安交通大學研制的無壁面霍爾推力器功率在 60~100W 時，推力為 3.2~4.7mN，陽極效率為 7%~13%。
5. 新加坡南洋理工大學和 Aliena 公司開展了無陰極構型的微功率霍爾推力器研究。南洋理工大學研制的微牛級霍爾推力器在 2019 年随我國 " 太極 " 一号衞星發射升空，該推力器由内置的低逸出功材料釋放的電子實現羽流中和，在等離子體噴射模式時，功率約為 5W，推力為 5~100μN。
6. 美國 VACCO 公司、德國 AST 公司及我國上海空間推進研究所等開展了貯供系統微型化技術研究。通過結構管路復用、減小組件、高度集成化等措施，顯著減小了貯供系統的尺寸和質量。德國 AST 公司研制的微型貯供單元（見圖 5）質量為 0.9kg，相對于常規產品，質量減小 80% 左右。
圖 5 德國 AST 公司研制的微型貯供單元
離子推力器微功率化的主要措施是通過将等離子體生成方式由主流的電子轟擊電離改為射頻電離或微波電離，顯著降低了放電室的研制難度和功率，确保了電離效率，實現了在數十瓦功率條件下的較高性能。典型研究有：
1. 日本宇宙科學研究所、九州大學，我國西北工業大學、哈爾濱工業大學、上海航天控制技術研究所等開展了微波離子推力器研究。日本宇宙科學研究所的 400W 功率 μ10 推力器在成功研制并應用的基礎上，重點開展了 10 瓦級微功率 μ1 微波離子推力器的研究，其推力為 202μN 時，功率為 17.0~20.5W，比衝為 1000~1500s。東京大學研制的微功率微波離子推進系統 MIPS（見圖 6），系統功率為 28.1~36.5W，推力為 220~361μN，比衝為 790~1120s，MIPS 應用在 2014 年發射的 Procyon 小行星探測器上，在軌工作 233h，平均推力為 346μN。
圖 6 東京大學研制的微功率微波離子推進系統 MIPS
2. 德國吉森大學，法國阿利安集團、ThrustMe 公司，美國 Busek 公司，中國科學院力學研究所、北京航空航天大學等開展了微功率射頻離子電推進研究。阿利安集團和吉森大學針對高精度控制任務研發的 RIT_μX 微功率射頻離子推力器可根據需要配置成 10~100μN、50~500μN、75~2000μN 3 種推力擋位。法國 ThrustMe 公司的碘工質微功率射頻離子電推進系統于 2020 年 11 月裝載在北京航空航天大學 " 空事 " 一号衞星上發射升空，完成了首次碘工質電推進的在軌飛行，系統功率 55W，推力 0.8mN。
Busek 公司研制了兩代采用碘工質的 BIT-3 射頻離子電推進系統，第一代產品幹質量 1.4kg，工質裝載量 1.5kg，功率 70W，推力 1.24mN，比衝 2250s，應用于 2022 年 11 月 " 航天發射系統 "（SLS）火箭首飛發射的 2 個月球探測器 LunaH-Map 和 Lunar-IceCube 上。LunaH-Map 探測器入軌後，由于離子電推進系統故障，工質輸送異常，導致探測器未能進入月球軌道。已批產的二代產品（見圖 7）改進了零部件、機械結構、功率處理單元和工藝。
圖 7 Busek 公司批產的二代射頻離子電推進系統
與霍爾、離子電推進相比，電噴推進采用液體或固體工質，更易于實現微功率、模塊化，功率可覆蓋 1~100W，比衝從數百至 10000s。電噴推進的研究起始于 20 世紀 60 年代，但由于技術限制，直到 90 年代才取得決定性的進展，實現應用。電噴推進可分為 3 類：一是利用導電溶液工質、噴射帶電液滴為主的膠體電噴推進；二是利用金屬工質、噴射金屬離子的場發射推進；三是利用離子液體工質、噴射帶電液滴或離子的離子液體電噴推進。近年來主要發展後兩種，具體如下。
1. 場發射推進：采用液态金屬或熔融的金屬作為工質。主要研究部門有奧地利 FOTEC 公司、ENPULSION 公司，意大利 Centrospazio 實驗室、Sitael 公司等，我國上海交通大學、上海空間推進研究所、北京機械設備研究所等。ENPULSION 公司的場發射電推進產品 2018 年實現在軌測試，至 2022 年 6 月已有 138 套產品在軌飛行。該公司進一步研發了功率為 45W、推力為 50~350μN、濕質量為 1.3kg 的 NANO R3 和 NANO AR3（推力矢量可調），功率為 100W、推力為 0.3~1mN、濕質量為 3.9kg 的 ENPULSION MICRO R3 等產品，以滿足從立方星到中型衞星的不同需求，如圖 8 所示。
圖 8 ENPUSION 公司的 MICRO R3（左）和 NANO AR3 產品（右）
2. 離子液體電噴推進：主要研究部門有美國麻省理工學院、Busek 公司、密蘇裏科技大學，瑞士洛桑聯邦理工大學，我國上海交通大學、北京航空航天大學、上海空間推進研究所、蘭州空間技術物理研究所、北京控制工程研究所、北京機械設備研究所等。麻省理工學院在多年機理研究的基礎上提出了 iEPS 芯片式電噴推力器，研制的 0.2U 電噴推進系統由 8 台電噴推力器和功率處理單元組成，功率為 1.5~2W，推力為 74μN，比衝超過 1150s，質量小于 100g。
2015 年，芯片式電噴推力器在 Aerocube-8 立方星上實現首次在軌飛行。Busek 公司研制的基于主動供液技術的電噴推力器模塊推力為 5~30μN，額定比衝為 240s，應用在 2015 年 12 月發射的 " 激光幹涉儀空間天線 - 探路者 "（LISA-Pathfinder）引力波探測器上，推力調節性能和噪聲均滿足任務要求。
密蘇裏科技大學提出了一種利用含能液體工質同時實現高比衝電噴推進和大推力化學推進的思路。上海空間推進研究所與上海交通大學合作研究了電噴推進的工作過程和性能變化規律，研制了 0.4U 的具有高推力密度特點的刀片發射體陣列電噴推進系統模塊，系統功率為 9W，推力器功率為 5W，推力為 100μN，比衝為 2000s（見圖 9）。
圖 9 上海空間推進研究所研制的電噴推進模塊
（三）電磁式微功率電推進
在電磁式電推進中，具有脈衝工作特性的脈衝等離子體電推進、真空電弧推進和微陰極電弧推進均非常适合以微功率工作。微功率電磁式電推進雖然效率較低，但由于可使用固體工質且直接電離固體工質，省去了霍爾、離子電推進系統所需的貯箱、閥門、壓力傳感器等組件，集成度高，部門質量或部門尺寸產生的衝量并不小，且控制簡單，因此在微功率場合具有系統級優勢。
脈衝等離子體推進是國際上最早應用的電推進技術。近年來，脈衝等離子體推進的主要研究方向是提高效率和壽命，探索新型工質，減小脈衝衝量以提高控制精度，引入激光等能量源、外加磁場等以提高性能，引入電磁場以實現推力矢量控制等。主要研究部門有美國 Busek 公司、CU Aerospace 公司，德國斯圖加特大學，日本山梨大學，我國國防科技大學、北京航空航天大學、蘭州空間技術物理研究所等。
CU Aerospace 公司開展了絲狀工質供應技術及電磁推力矢量技術研究，研制的 1.7U 尺寸樣機功率為 78W，工作頻率為 3Hz，平均推力為 0.6mN，比衝為 3500s，效率為 13%，總衝為 28kN · s，可實現 ±10° 的電磁推力矢量控制。國防科技大學圍繞固體燒蝕型脈衝等離子體推力器開展了系統化的仿真、實驗研究，建立了推力器極板間等離子體運動模型、羽流 PIC/DSMC 模型，利用超高速相機、光譜儀、朗缪爾探針等裝置，測量了等離子體參數演化特性，基于羽流沉積薄膜法獲得了羽流發散角和各元素的沉積率，研制的系列化產品（見圖 10）應用于 " 航升 " 一号等多顆衞星，在軌點火超萬次，電磁兼容性良好。
圖 10 國防科技大學的脈衝等離子體推進產品
微功率真空電弧推進是近年來快速發展和應用的微推進技術，主要研究部門有美國普林斯頓大學，法國國家科學研究中心，我國蘭州空間技術物理研究所、北京航空航天大學、北京理工大學、遨天科技（北京）有限公司等。
遨天科技公司研制了模塊化、陣列式擴展的型譜化真空電弧推進系列產品（見圖 11（a）），推力範圍覆蓋 30~2000μN，至 2023 年 8 月 10 日已應用于 29 顆在軌衞星。單推力器在軌點火結果表明，其推力為 44.1μN、推力功率比為 21μN/W。某產品實現了某衞星空間碎片避讓，單軌工作 2 次使軌道提升 100m。該公司研制了推力器頭部自動化裝配系統（見圖 11（b）），代替傳統人工裝配，裝配時間由 85~96min/ 套縮短到 3min/ 套，同時提高了產品質量一致性，增強了產品可追溯性。
圖 11 遨天科技公司點火時的真空電弧推進模塊及自動化裝配系統
微陰極電弧推進在微功率真空電弧推進的噴口處引入外加磁場，提高性能和陰極材料燒蝕均勻性。主要研究部門有美國喬治 · 華盛頓大學，我國西安航天動力研究所、上海空間推進研究所、北京控制工程研究所、上海交通大學等。
喬治 · 華盛頓大學提出了微陰極電弧推進概念，研制的樣機于 2015 年 5 月在 1.5U 尺寸的 BRICSat-P 立方星上進行了首次飛行，推進系統兩次 48h 點火，使衞星旋轉速度從約 30 ( ° ) /s 降至 1 ( ° ) /s，近年來該大學提出采用多陰極來提升壽命，以及在推力器下遊增加一個磁等離子動力學加速級形成 μCAT-MPD 推力器，在不到 50W 功率的情況下實現 ( 1.7±0.3 ) mN 推力。上海空間推進研究所研制的钛工質微陰極電弧推進系統配備 2 個推力器，功率 10W，平均推力 10~20μN，元衝量 1μN · s，壽命 250 萬次。上海交通大學對微陰極電弧推力器的羽流影像、放電特性、陰極燒蝕情況等進行了分析，發現電感存儲能量越大，外加磁場磁感應強度越小，脈衝持續時間越長，同時外加磁場可顯著提高電離率和性能。
三、關鍵技術
微功率電推進技術的關鍵技術包括：
1. 微尺度空間内的高效能量轉換技術。微功率電推進由于推力器尺寸很小，電能轉化為動能過程中，推力器通道内表面對介質流動、等離子體碰撞、熱傳導等作用顯著，需要對性能影響因素及其作用規律開展深入研究，不斷提升能量轉換效率，提升產品性能。
2. 顯著邊界效應制約下的長壽命技術。微功率推力器往往是整個系統的壽命瓶頸，在推力器工作過程中，由于内部空間極為有限，極易導致熱量積聚、等離子體削蝕增強、壁面沉積加劇、電極間絕緣性能衰減，制約壽命，因此需要對壽命制約因素進行研究，并提出相應延壽措施。
3. 有限體積條件下的高度集成化技術。微功率電推進系統往往需要在極為有限的體積内完成電推力器、貯供系統、電源和控制器等的布局，需通過布局優化、結構復用、新材料、新工藝的引入等途徑，實現系統高度集成。
4. 考慮全壽命周期的高效益設計技術。面向微小航天器的微功率電推進產品在确保性能、壽命和可靠性的前提下不斷降低成本，需要針對全壽命周期，不斷明晰工作機制和性能衰減機理，優化設計思路、完善模型，優化設計、生產、試驗的方法、流程和工藝，做到產品性能、壽命、可靠性和成本之間的最佳平衡，實現高效益設計方法。
5. 高效率、高可靠的自動化裝測技術。微功率電推進降低生產成本、提高可靠性的關鍵途徑是引入自動化裝測技術，自動化裝測并非是產品設計出來後才考慮的，而是要在產品設計時同步考慮零部件的結構、裝配測試方法，自動化裝測產線還需要具備信息追溯、敏捷适應不同產品、自動化故障診斷和處理等功能。遨天科技公司的自動化裝配系統已經做出了很好的示範。
6. 高精度、高可靠的極限性能測試技術。微功率電推進推力小、比衝高、壽命長，某些任務還需要極小的推力分辨率、推力響應時間、元衝量、寬頻網域噪聲等，指标可謂達到目前技術水平的極限，給指标測試帶來了很大困難。需要持續開展高精度、高可靠性能測試技術研究，逐步實現測試技術的标準化，為準确評估產品性能奠定測試技術基礎。
7. 高置信度的加速壽命評估技術。微功率電推進系統雖然功率和推力很小，但壽命很長，往往達到數百至數千小時，1:1 的全周期壽命考核對人員、設備、成本都提出了很高要求，特别是微功率電推進系統未來将以批產化的方式生產，壽命和可靠性的快速評估勢在必行。需要對電推力器及其推進系統的壽命影響因素進行全面、系統化的研究，尋找影響壽命的關鍵因素及其作用規律，提出、驗證并不斷完善高置信度的加速壽命評估技術。
四、未來展望
近年來，不斷進步的微功率電推進技術以其功率小、推力小、壽命長、可調節、無毒化、模塊化、衝量精準等優勢，提升了立方星、低軌星座衞星等的性能，促進了商業航天的迅猛發展，還使重力梯度測量、引力波探測等極限空間科學任務從設想變為現實。微功率電推進技術眾多，各有特點，需要針對具體任務具體分析适用的技術。
微功率電推進技術的發展趨勢主要有：
1. 提升效率。目前微功率電推力器和系統效率普遍較低，需持續開展内部工作機理研究，不斷優化模型和設計方法，提升效率。
2. 新型電推進技術研究。針對主要微功率電推進技術存在的電極燒蝕制約壽命的問題，開展基于微波、射頻、激光等無電極能量注入的新型電推進技術研究。
3. 新型工質應用研究。針對微功率霍爾、離子電推進目前廣泛應用的價格高、貯存壓力高的氙氣工質，開展碘、水等新型低成本工質的微功率電推進研究。
4. 貨架產品研制。針對具有相似動力需求的空間任務，開展接口标準化的微功率電推進貨架產品研制，采用柔性生產線實現多種產品的敏捷生產和測試，加快電推進產品在航天器上的總裝測試。
