2023年国外空间电推进发展回顾

电推进是利用电能加热、离解和加速推进剂（工质）形成高速射流而产生推力的一种空间动力技术，具有比冲高、推力小且精确可调、寿命长等优势，可以应用于LEO卫星、GEO卫星和深空航天器等大部分的推进任务。近几年，越来越多的商业和军事任务刺激了电推进技术的发展。尤其在大型卫星星座，在轨服务等的牵引下，电推进应用数量大幅上升，应用范围不断扩展，新技术层出不穷，并不断成熟。

2023年，电推进领域实现了诸多新突破，国外发射电推力器1700余台，累计发射7000余台，以低轨霍尔推力器为主。本文总结了2023年电推进的在轨应用、研制进展和故障启示相关内容，为空间电推进领域的发展提供参考。

在轨应用

1月，澳大利亚国立大学Bogong樟脑球（萘）工质推力器发射入轨。樟脑球通过加热，直接从固体变成萘气喷出，产生推力。同月，日本Pale Blue公司Resistojet水基推力器发射，于3月首次在近地轨道上点火测试，功率为22W，推力为5.6mN。

Pale Blue公司卫星推进产品

2月，SpaceX公司发射了第一批星链V2 Mini卫星。该版本星链的霍尔推力器首次使用氩工质，而不是传统的氪工质，功率为4.2 kW。发射后不久，推力器点火，这是氩霍尔推力器的首次在轨运行。

氙工质霍尔推力器（左）；SpaceX 氩工质霍尔推力器（右）

3月，美国Momentus公司完成Vigoride-5飞行器水基微波电热推力器（Microwave Electrothermal Thruster，MET）的在轨点火测试，可改变飞行器的轨道速度、高度和倾角等参数。

水基微波电热推力器地面测试

4月，ThrustMe公司的NPT30-I2碘工质电推进系统安装在挪威NorSat-TD卫星上发射，可用于卫星防碰撞、延寿和离轨等，功率为43~81W，推力为0.5 – 1.3 mN，比冲为2400s，总冲为5500N·s。10月24日，该公司宣布已签署 200 多份订单，其订单量在短短四个月内翻了一番。

NPT30-I2推力器点火

5 月，由Busek公司制造的第100台BHT-350 霍尔推力器安装在OneWeb 卫星上发射入轨。目前，OneWeb Gen1 宽带星座中有 100 多台推力器正在太空中运行。同月，Viasat-3超高通量Ka波段通信卫星发射。该卫星是波音702MP+平台的首发星，也是702MP系列平台首次采用全电推进系统。

6月，美国ExoTerra公司100~450W Halo霍尔推力器首次在轨演示，推力为4~30 mN，比冲为700~1500 s，总冲为300kN·s。同月，乌克兰SETS 公司的霍尔电推进系统SPS-25首次在轨演示，推力为5~11mN，总冲为115kN·s，比冲为1000~1400s。同月，澳大利亚诺伊曼公司发射了首个中心触发脉冲阴极电弧推力器ND-15，将固体金属导电工质棒转化为等离子体喷出产生推力，于12月首次在轨测试完成，功率为2~24W，比冲为1800~2000s，元冲量为45 μN·s，最大脉冲频率为83 mHz。

HALO霍尔推力器点火

8月，奥地利Enpulsion公司的NANO AR3 电推力器使Gravity Space-1卫星变轨到地球静止轨道。

10月，美国亚马逊公司柯伊伯互联网星座（Project Kuiper）的前两颗试验卫星（KuiperSat-1和KuiperSat-2）入轨，采用该公司自主研制的氪工质霍尔推进系统，于11月完成在轨机动测试。

柯伊伯互联网星座霍尔推力器点火

11月，NASA灵神星探测器上的4台4.5kW SPT-140霍尔推力器在轨点火，这是霍尔推力器首次应用于在地月空间外。灵神星探测器由喷气推进实验室建造，于 10 月从 NASA肯尼迪航天中心发射升空。同月，IVO公司2台无工质“量子”全电推力器IVO Quantum Drive安装在Barry-1微型卫星上发射，将被部署到LEO轨道。

灵神星探测器使用的霍尔推力器地面点火测试

研制进展

1月，密歇根大学的研究人员证实霍尔推力器可超工况稳定运行并保持较高效率，推力器功率是由工程限制决定的，而不是物理限制。他们在霍尔推力器上使用氙及其他工质，将1台9kW的H9 MUSCLE推力器运行在45 kW功率下，同时保持了约80%的标称效率。

2月，美国Plasmos公司公布了太空卡车（SpaceTruck）实现太空运送有效载荷返回地球的计划，使用化电双模式推进系统，可将重约400千克的有效载荷运送到1400公里的高度。

3月，英国帝国理工学院、URA Thrusters和新加坡Aliena公司的研究人员首次将水电解成氢气和氧气，分别作为阴极和推力器的工质。AQUAHET霍尔推力器稳定点火运行，在3.2 kW功率下产生超过50 mN推力和3000 s的比冲，未来将应用于200kg以上的中大型高轨卫星。同月，萨里大学使用低功率圆柱形霍尔推力器测试了吸气式微波等离子体阴极。研究人员观察到，在推力器放电功率为100-300 W时，推力器使用氙气或空气都能稳定运行。同月，美国Benchmark公司宣布签署了金属等离子体推力器的合同，其中一些将用于大型卫星的在轨服务、组装和制造（ISAM）、推进剂补加、精确对接和航天器检查。该公司已经用各种金属工质测试了金属等离子体推力器。

AQUAHET霍尔推力器首次点火

4月，Astra公司宣布获得小卫星研制公司Apex的5台推力器的订单。Astra公司以航天器推进套件（Spacecraft Propulsion Kit）的形式向Apex公司交付电推进系统。但目前该公司存在经营危机。同月，法国Exotrail公司宣布将向韩国卫星制造商Satrec Initiative交付Spaceware推力器的“微型XL”版本（space ware-micro XL），该版本采用氙工质，功率为150W，推力为7 mN。

6 月，诺斯罗普·格鲁曼公司获得了任务扩展舱（Mission Extension Pods，MEP）的第三个订单。MEP将附着在GEO卫星上，使用NGHT-1X 推力器变轨，延长使用寿命。同月，法国赛峰集团电子与防务公司和人族轨道公司（Terran Orbital）计划基于PPSX00等离子技术，在美国生产新一代卫星电推进系统。赛峰集团的PPSX00推力器的额定功率约为1kW，可用于低轨卫星轨道机动。此外，今年赛峰集团5kW霍尔推力器PPS 5000的订单和生产率急剧增加。同月，英国政府资助25万英镑给PLAsma Torch Rocket (PLATOR)项目。该项目由英国萨里大学与莱斯特大学合作，开发一种新型电热推进系统，用于太空拖船和卫星机动。既有化学推进的大推力优势，又有电推进的高效率。

NGHT-1X 推力器

8月，NASA宣布已资助六家美国初创公司，总计近2000万美元资金，用于开发推进技术，解决太空轨道碎片和表面尘埃问题。其中电推进相关的有Busek公司：用于小型卫星离轨的高总冲BET-MAX电喷推进系统（340万美元），首批两套已交付。CU Aerospace：用于主动清除碎片的脉冲等离子体推力器（FPPT）（260万美元）。该公司将开发适用于小型卫星的推力器，工质是聚四氟乙烯，可以多次往返捕获太空碎片，部署多个有效载荷（5年内达到180公斤）。同月，Astranis公司宣布正在制造多任务高轨卫星UtilitySat，使用化学单组元发动机和离子推力器双模式推进系统，可以在其寿命期间绕地球同步轨道带重新定位数十次。

9月，欧空局发布了英国帝国理工学院研制的铱催化电解水基立方星推力器（ICE-Cube Thruster）照片，使用MEMS（微机电系统）工艺进行制造，尺寸仅指甲盖大小。该推力器的电解槽在水中接入20 W的电流，产生氢气和氧气作为推进剂。实验室测试结果为在185秒的比冲下持续实现了1.25 mN的推力。

铱催化电解水基立方星推力器

10月，日本JAXA完成了6 kW霍尔推力器的测试。计划于2025年在试验卫星9号上发射。同月，美国蓝色起源公司（Blue Origin）首次正式公布了蓝环（Blue Ring）太空运输航天器平台，预计2025年发射。蓝环配有化学推进和电推进两种推进系统，主要由蓝色起源公司设计和制造。电推进系统由44米展开式太阳能电池板供电，实现精确位置保持或节能版变轨。

蓝环航天器渲染图

10月，美国空间核技术公司（SpaceNukes）宣布与洛克希德·马丁公司和 BWX技术公司合作开发Jetson核电推进演示项目。Jetson 项目于2022年正式启动，由AFRL新墨西哥州科特兰空军基地航天器理事会管理。洛克希德·马丁航天公司负责研制航天器总体；空间核技术公司公司将设计并指导核反应堆能源系统的组装；BWX技术公司负责提供在反应堆开发和制造方面的经验，确保反应堆的设计适合其用途。

此外，今年欧空局资助了“RocketRoll”研究项目，由捷克布拉格大学、斯图加特大学以及德国OHB空间系统公司合作开展，将总结欧洲在开发核动力航天器方面的现有经验、技术和工业能力，完成核电推进发动机的概念设计。如果一切按计划进行，核电推进航天器将于2035年投入使用。

11月，美国DARPA国防科学办公室（DSO）启动“塔罗斯”（Thruster Advancements for Low-altitude Operations in Space，TALOS）项目，开发超低轨（VLEO）推力器，资金总额为100万美元。“塔罗斯”项目旨在开发用于超低轨卫星轨道保持的推进系统原型，比冲超过1500秒。

TALOS概念图

同月，美国阿拉巴马大学 (UAH) 工程学院的两名研究人员获得了美国能源部的资助，用于研究 3D 扭转磁重联（Torsional Magnetic Reconnection，TMR）。磁重联是指相反方向的磁场线的断开和重新连接，常出现在太阳耀斑现象中，其中磁场能量转化为动能和热能，电子、质子及一些重离子被加速到接近光速。该项目的目标是在实验室使用等离子射流沿着开放磁场线加速研究 3D 扭转磁重联现象。理论上，磁重联推力器排气速度为每秒数百公里，远远超出现有推力器的性能。

在NASA的先进氙气推力器项目下，研究人员通过提高推力器中的束流均匀性，栅格离子推力器的推力水平增加了1倍。

喷气推进实验室的研究人员开发了一种由六硼化镧 制成的无加热器空心阴极，通过向内部难熔金属管的高压放电来辐射加热热离子插入物。该技术消除了电弧，并已用于启动放电电流高达 50~300 A的 六硼化镧阴极，可靠性较高。

NASA的月球门户空间站的第一个模块——电源和推进元件（PPE）的飞行硬件开始生产，由Maxar公司制造，配备48 kW的电推力器，推力器由Aerojet Rocketdyne和Busek公司提供。6月，第二次13 kW推力器集成支路测试在NASA格伦研究中心完成。7月，航空喷气·洛克达因公司（现被L3哈里斯收购）和 NASA完成了首个 12 kW 霍尔推力器的验收测试。

PPE概念图

故障启示

在故障方面，去年11月使用SLS发射的LunaH-Map月球轨道卫星，其固体碘工质电推力器系统出现阀门堵塞故障。任务团队开始了为期六个月的工作，反复加热阀门，希望疏通阀门并点火。今年5月下旬，NASA确定这些尝试未成功，任务停止，卫星轨道演变成围绕太阳运行。

LunaH-Map概念图

10月新闻报道，GEOStar-3卫星平台使用相同型号PPU的4颗GEO卫星推进系统均出现故障，预计将引发超5000万美元的保险索赔。出现故障的PPU是航空喷气·洛克达因公司的XR-5霍尔电推进系统组件。自2022年故障出现以来，尽管已经通过降低PPU的电压暂时保证了卫星的运行，但这种临时解决方案对这些卫星的15年设计寿命产生一定影响。

11月，美国海星太空公司的“小水獭”在轨服务飞行器（Otter Pup）最终因其电推进系统长时间点火发生故障，导致对接任务失败。“小水獭”的电推进系统为Exotrail 公司的60W氙工质霍尔推进系统spaceware-nano，推力为1.5～2.5 mN，总冲为6kN·s。

spaceware-nano推力器

结语

从2023年来看，电推进技术呈现以下特点：

（1）新理论，新技术不断涌现；

（2）推进剂多样化；

（3）化电混合双模式具有一定的优势；

（4）功率、应用范围不断扩展。同时我们也看到，电推进系统出现了不少的故障。不过随着电推进技术的不断进步与成熟，人们对使用它的信心也将不断增强，未来前景光明。

参考文献

[1] A year of firsts for electric propulsion[EB/OL]. [2023-12-8]. https://aerospaceamerica.aiaa.org/year-in-review/a-year-of-firsts-for-electric-propulsion/.

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本文转载自“空天动力瞭望”，原标题《2023年国外空间电推进发展回顾》。

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