霍尔推力器

电推进装置

霍尔推力器，又称霍尔效应推力器(Hall effect thruster)。在推力器中推进剂被电场加速，霍尔推力器将电子约束在磁场中，并利用电子电离推进剂，加速离子产生推力，并中和羽流中的离子。

产品介绍

在航天器推进中，霍尔推力器是离子推力器的一种，霍尔推力器有时也称为霍尔效应推力器或霍尔电流推力器。霍尔推力器一般被认为是具有中等比冲(1600s)的空间推进技术。霍尔推力器自1960年代以来在理论和试验研究上取得了很大进步。

霍尔推力器可使用多种推进剂，最常用的是氙，其他推进剂包括氡、氩、铋、碘、镁和锌。

霍尔推力器喷气速度最大可达10-80km/s（比冲1000 - 8000s），但绝大多数型号喷气速度在15-30km/s (比冲1500 - 3000s)。霍尔推力器推力与功率有关。1.35kw的推力器可产生83mN的推力。高功率型号在实验室环境中推力达到了3N。100kW功率量级的氙气霍尔推力器也已得到验证。

霍尔推力器等离子体磁鞘特性

由于霍尔推力器通道壁面表面积与容积比大，等离子体与器壁的相互作用强。等离子体和固体壁面发生作用时会形成等离子体鞘层，鞘层中的高能电子与器壁材料撞击会使得器壁发射出大量的二次电子，二次电子发射直接影响等离子体鞘层特性，进而影响推进器的效率、比冲等性能指标。

随着二次电子发射系数的增加，鞘层器壁电势而升高，鞘层势垒减弱，鞘层厚度减小；磁场大小及方向对推力器磁鞘的影响虽不显著，但从趋势上看磁场大小和方位角越大，鞘层中二次电子密度增加，鞘层电势升高；对于氩和氙二种等离子体，氙等离子体产生的鞘层势垒高，鞘层厚度和粒子密度大。可见，二次电子的磁化导致鞘层电势分布，粒子密度空间分布和壁面二次电子流的改变，而这些变化将直接影响推力器电子传导机制，进而影响推力器的效率。

霍尔推力器变电压下电子能量平衡机制

尽管霍尔推力器具备相对较高的比冲，但是鉴于高比冲带来的航天器的高有效载荷率对于长周期飞行任务的航天器和卫星具有重要意义，因此，随着近年来长寿命卫星平台和深空探测等项目的开展在现有的基础上进一步提高比冲，就成为了霍尔推力器发展的重要趋势。研究表明，提高放电电压能够有效提高霍尔推力器的比冲。

电子能量的平衡过程，可以分为能量获得与能量损失2个部分。在霍尔推力器放电通道内，电磁场对带电粒子产生作用力并驱动粒子发生运动，因此，电磁场是电子能量的来源。同时在运动过程中，电子发生高频率的碰撞（与中性原子的碰撞、与绝缘壁面的碰撞）。对于电子来说，由于其质量相对很小，弹性碰撞后其能量近似不变，但是实际发生的碰撞效应又往往是非弹性的，例如：电子与中性原子的碰撞伴随着电离过程，而电子与绝缘壁面的碰撞又可能造成被壁面吸收或发射出低能量的二次电子等结果，这些非弹性碰撞就造成了电子的能量损失。

电子的能量获得电子进入到霍尔推力器放电通道内的电磁场中，就会从电磁场中获得能量。一般来说，入射电子的能量在1~10eV量级，而如果被壁面吸收，则能量完全损失；如果发生非弹性反射，但是未激发出二次电子，则能量损失的量级与电子原有能量的量级一致或更小；如果发射二次电子，则二次电子能量可以认为是入射能量的1/2或1/3，损失的量级也在1~10eV。

如果忽略微观的回旋效应，电子在通道中的运动可以看作是从通道出口到阳极的定向流动，这个定向流动伴随着上述的能量平衡过程。某点的电子温度实际上是该点到通道出口的轴向区域（即定向流动的“上游区域”）内电子能量获得与损失的结果，与下游的物理过程无关。因此，最大电子温度的影响因素就是最大电子温度点上游区域电子的电场获能和碰撞能量损失。

霍尔推力器寿命实验

霍尔推力器放电室壁面轮廓受等离子体的溅射削蚀直接影响其运行寿命，当埋置于绝缘陶瓷内的磁极由于溅射而裸露出来时，其寿命即宣告终止。实验是考察霍尔推力器寿命的重要方法之一，通常采用多层涂层法、激光测量法、光谱法等，并分为长寿命实验和短寿命实验，前者可以准确获知某台推力器的运行寿命，缺点是实验周期一般都在几千甚至数万小时；短寿命实验周期短、花费少，但能得到的信息有限。

鉴于寿命实验时间长耗资大，于是人们开始将目光投向非直接测量壁面轮廓的渠道，即通过建立合适的数学物理模型计算或通过较易获取的物理量反推，直接或间接得到霍尔推力器放电室轮廓随时间的变化，进而对其寿命进行预估，主要方法分为三类，即简易解析模型法、半经验模型法和数值模拟方法。

发展概况

霍尔推力器研究曾在美国和前苏联独立开展，分别起始于1950年代和1960年代。但是，只在苏联这项研究产生了高效的推进装置，而美国科学家则转为研究离子推力器。

前苏联发展了两类霍尔推力器：（1）宽加速区的稳态等离子体推力器SPT，Fakel设计局研制；（2）窄加速区的阳极层推力器TAL，中央机械研究院研制。

中国

中国电火箭又取得了重大的进步。据报道，中国航天科技集团公司五院502所研制成功磁聚焦霍尔推力器，累计工作达1000小时，关键性能指标达国际一流水平。与此前曾报道持续工作达10000小时的国产离子电火箭相比，霍尔电火箭具有推力更大、小羽流发散角、高比冲、高效率、理论寿命更长的特点，适用于我国后续大型卫星平台对电推进的性能需求，该型火箭将可用于我国未来大型卫星平台。美国、俄罗斯、欧洲在电火箭方面也在积极开展研究，中国在这方面是后起之秀，追赶速度很快。

2022年1月，航天科技集团五院510所大功率霍尔电推进技术获得重大突破，在地面试验中，单通道霍尔推力器（HET-450）以Xe为工质最大功率到105千瓦，最大推力达到4.6牛，以氪为工质最高比冲超过5100秒，标志中国在大功率电推进技术领域内，百千瓦级霍尔推力器性能达到国际先进水平，并实现了单通道霍尔推力器比肩美国多通道X3霍尔推力器（最大功率102千瓦，最大推力5.4牛）的技术水平。

2024年12月，由中国航天科技集团有限公司六院801所研制的国内首款磁阳极霍尔推力器在国际上实现首次飞行应用。

2025年1月14日，中国航天科技集团有限公司宣布，旗下五院510所5颗星上电推进产品完成上电、预处理、初次点火和在轨推力标定后，快速切换到姿轨控推进状态，创造了国内组网卫星电推入轨任务执行的最短时间纪录。作过程中，五院510所研制的300~600瓦功率可调霍尔电推进系统。推力稳定度良好，并成功实施首次紧急避障机动任务。

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