霍爾推力器： 《流浪地球》里的發動機，中國有了新突破

《流浪地球》里推動地球“搬家”的離子推進器，中國有了新突破

近日，由中國航天科技集團有限公司（以下簡稱“航天科技集團”）六院801所研制的50千瓦級雙環嵌套式霍爾推力器，成功實現點火和穩定運行，試驗驗證了推力器內、外環單環點火和雙環同時點火能力。

這是國內首款50千瓦級雙環嵌套式霍爾推力器，標志著我國成為世界上第三個實現嵌套式霍爾電推進技術突破的國家。自2012年成功完成國內首次霍爾電推進在軌飛行驗證之后，該所累計已有60臺以上霍爾推力器在軌飛行，應用于34個航天器。

50千瓦級雙環嵌套式霍爾推力器

天宮空間站使用了26臺以化學燃料作為推進劑的發動機，同時還第一次用了4臺推力為0.32牛的霍爾推進器。

大功率電推進是國際先進空間推進領域的未來戰略發展方向。大功率霍爾電推進具有推力大、比沖高、系統簡單可靠等綜合優勢，是目前最接近太空應用的國際主流大功率電推進技術路線。

以美國、俄羅斯為首的航天大國，進入本世紀以來，一直持續研發大功率霍爾推力器，已經將霍爾推力器的功率由幾千瓦提升至200kW，對它們規劃的未來核電推進、大型空間任務的實現提供了很好的支撐。

工作原理與特點

霍爾電推進利用電子在正交電磁場中的霍爾效應電離工質產生高密度等離子體，通過耦合靜電場加速離子噴出產生推力。霍爾推力器的結構簡單、可靠性高，在航天工程應用方面均有顯著優勢；推力密度大，可以在較小尺寸下獲得較大推力；推力、比沖覆蓋范圍廣，多模式工作特點可以滿足不同空間任務需求。

根據放電室材料及放電通道的尺寸不同，霍爾推力器分為穩態等離子體推力器（又稱磁層推力器）和陽極層推力器（見圖1）。穩態等離子體推力器放電室通常采用氮化硼陶瓷等絕緣材料，放電通道較長，霍爾電流區較寬；而陽極層推力器放電室通常采用石墨等導電材料，放電通道較短，霍爾電流區較窄。穩態等離子體推力器是霍爾電推進的常規技術，也是目前應用最廣的技術；陽極層作為一項高比沖霍爾電推進技術，可將霍爾電推進的比沖提升10%~50%以上，最高可到8000s以上。

圖1 穩態等離子體推力器（左）和陽極層推力器（右）基本結構示意圖

2015年，航天科技六院801所在80mN霍爾推力器的空心陰極長壽命試驗中突破18000小時，累計點火15000次，遠超7500小時、累計點火8000次的典型任務指標要求。該所的成果使我國成為繼俄、美、歐之后第四個掌握霍爾電推進技術的國家。

2016年，航天科技五院502所研制的磁聚焦霍爾電推進系統，在“實踐十七號”衛星上完成了全部在軌飛行驗證工作，這是世界上第一套完成在軌飛行驗證的磁聚焦霍爾電推進系統。我國在軌驗證的電推進系統為第二代磁聚焦霍爾推進技術，其推力密度高、結構簡單、可靠度高。

中國第一款牛級：20千瓦霍爾推力器成功點火

2020年，中國航天科技集團六院801所成功完成了我國首款20千瓦大功率霍爾推力器點火試驗，標志著中國霍爾推進器的推力進入1N級。

目前國外各大衛星公司和GEO衛星平臺中，絕大多數都在使用霍爾推力器。據不完全統計，截至2021年底霍爾推力器的在軌飛行數量已經超過了3000臺，占據所有電推力器飛行總數的85%以上。尤其是近年來大放異彩的低軌衛星星座市場，霍爾電推進更是獨占鰲頭。

美國星鏈衛星星座，目前已發射數量超過2000顆，每顆衛星均安裝1臺霍爾推力器，執行衛星的所有推進任務。

美國是發展大功率霍爾電推進技術力度最大的國家，其在空間推進發展路線圖中明確提出發展50kW、100kW霍爾推力器用于低軌和“國際空間站”（ISS）軌道貨物運輸任務，以及火星軌道的貨物運輸任務。

X3是由密歇根大學主導研制的一款多通道嵌套式100千瓦級推力器，設計功率200kW，2009年進行推力器方案設計，2013年實現推力器30kW功率點火，2017年實現推力器100kW功率點火。推力器在3個通道同時工作下的功率可到102kW，最大推力可到5.42N，是目前推力最大的霍爾推力器。

美國X3霍爾推力器及工作狀態

俄羅斯在上世紀就開展了大功率霍爾電推進技術的研究，主要研制單位為火炬設計局（Fakel）、克爾德什研究中心（Keldysh Research Center）、中央機械制造研究院（TsNIIMASH）等。典型的大功率霍爾推力器有SPT-290、D-160、VHITAL-160等。

隨著人類對太空探索的不斷深入，需要飛行更遠、更久的目標任務越來越多。而傳統的化學燃料推進系統因為比沖值低、需要攜帶大量燃料等問題，難以滿足這些任務的需求。霍爾推進器的高效率、長壽命和低消耗等特點，使其成為深空探測任務中的理想選擇。它可以作為載人火星探測任務的主要推進系統，為探測器提供持久而穩定的推力。

空間站需要定期調整軌道高度以維持其穩定運行。傳統的推進方式可能會產生大量的廢棄物和噪音，而霍爾推進器則可以在低噪音、低廢棄物排放的情況下完成這一任務。此外，霍爾推進器還可以用于空間站的姿態控制和軌道機動，確保空間站的安全和穩定運行。

隨著微型衛星和立方星等小型航天器的興起，對推進系統的要求也越來越高。霍爾推進器具有體積小、重量輕、效率高等優點，非常適合用于這些小型航天器的推進系統。它可以為小型航天器提供精確的軌道機動和姿態控制，使其在太空中發揮更大的作用。

霍爾推進器在宇宙航行領域體現其高效、長壽命、低消耗、精確控制以及環保和可持續性等方面。這些優點使得霍爾推進器成為未來宇宙航行任務中理想的推進方式之一。（綜合）