来源：中国航天

付瑜亮1 金逸舟2 张思远1 孙安邦1 王亚楠1

（1.西安交通大学；2.上海空间推进研究所）

超低轨道是指高度在100~350km的地球轨道，超低轨道具有重大的战略意义，在通信、导航、遥感等方面具有重要的军事和民用价值。吸气式电推进技术以太阳能为能量，以轨道大气为工质，提供动力补偿大气阻力，是维持超低轨道航天器长期在轨的关键技术。但是，超低轨的复杂大气环境对吸气式电推力器提出了前所未有的巨大挑战。一般情况下，卫星平台的电推力器使用惰性气体作为工质；而吸气式电推力器则使用轨道大气，其成分主要由氮气和原子氧组成。原子氧会侵蚀如空心阴极、栅极系统等电推力器典型部位，影响系统整体寿命。

目前，各机构逐渐形成两种研究思路：一是针对超低轨环境，在现有且成熟的电推力器基础上进行调整改进，研究对象主要包括霍尔推力器、离子推力器，几种代表性的推力器性能如表1所示。其中，空心阴极、栅极系统等典型部件的耐原子氧侵蚀问题尚未解决。二是转向无阴极、无栅极的电推力器。

表1 典型电推力器的氮氧工质研究情况

一、无阴极、无栅极的电推力器

磁喷管等离子体推力器作为一种无阴极、无栅极的电推进系统，具有准中性引出特性，无需配置额外的中和器，工质适应范围广，在吸气式电推进方面具有潜在应用优势。根据放电形式差异，可划分为电子回旋共振推力器（ECRT）、螺旋波推力器、射频推力器及外加场磁等离子体推力器等装置。西安交通大学在ECRT的基础上开发了微波磁控等离子体推力器（MMPT）。

通常ECRT依赖永磁体或电磁线圈形成轴向磁场，磁场构型单一，对电子回旋共振区位置调控能力有限，且难以在放电腔与羽流区域之间实现磁场结构的差异化控制，微波功率耦合效率有待提升。MMPT与ECRT的最大区别是磁场结构差异，采用钐钴永磁体阵列构筑磁场，在喇叭型的放电室内形成磁镜区，在出口处形成类磁喷管结构，实现了磁场结构的复用和调节。图1中显示二者结构有差异，但工作原理大致相同。

图1 ECRT 与MMPT 结构示意图

ECRT和MMPT的推力器中的等离子体区可以划分为靠近磁体的微波耦合区和位于开放端的磁喷管区。微波耦合区内存在较强的电磁场和较高密度的中性原子，微波电场在满足共振条件的静磁场中通过电子回旋共振效应加热电子，电子能量提高后，电离中性原子形成等离子体，微波能量转换为等离子体内能。在磁喷管区，空间各点的磁感应强度随着与微波耦合腔室封闭端距离的增大而减小，磁感线呈发散状态，电子向弱磁场区域运动的过程中，在磁镜效应作用下，垂直磁场方向的速度降低，平行磁场方向的速度增大。磁场降低后对电子的约束效应下降，电子在弱磁场区与磁场分离，形成双极电场加速离子，等离子体内能转换为动能。

1962年，美国通用电气公司Miller等人首先提出了ECRT概念，开展了早期的理论研究，并指出推力器工作涉及的关键过程包括：右旋极化波通过共振区向等离子体传输；存在梯度的静磁场中，电子垂直磁场的运动向平行磁场运动的转换；电荷分离效应产生的静电场对离子的加速作用。1964年，Miller使用2.45GHz微波在300W微波功率下电离氩气，产生了260μN推力，总效率1%。日本东京大学Nagatomo等人在同一时期也开展了研究工作，采用了同轴型的ECRT构型，使用2.45GHz微波在400W功率下电离产生氩等离子，在0.07mg/s流量下测到120eV的离子能量；在0.2mg/s流量、400W微波功率下，磁线圈上测到250μN推力，总效率不高于8%。早期研究结果表明，电子回旋共振等离子体可以产生足够高速的用于推进的离子射流，但是效率和性能存在不足。20世纪60年代末期，研究人员相继开展了脉冲等离子体推力器、离子推力器的飞行验证，霍尔推力器持续发展，ECRT推力器未能体现足够的优势，技术发展一度停滞。20世纪80年代末期，由于聚变技术和蚀刻技术的发展，ECRT的研发曾一度恢复，但性能上仍未表现出足够优势，在随后20年时间，ECRT的研究再度中断。

21世纪初，ECRT技术研发工作再一次恢复，研究主要聚焦在同轴腔、微波馈入、磁喷管与推力器性能之间的构效关系。法国国家航空航天研究院Cannat等人通过结合放电模型及实验测量结果发现：推进剂流量及ECR区的大小和位置均会影响微波功率耦合效率，在微波功率约为30W、氙气流量为0.1mg/s条件下，质量利用率约为60%，推力为1.0mN。法国国家航空航天研究院Boni等人对具有不同发散性磁场的ECRT展开研究，结果表明：磁推力对总推力的贡献高达80%，发散度较小的磁场配置对推力的贡献更高。德国航空航天中心Schäfer等人对电子回旋共振磁喷管等离子体推力器性能进行比较分析，发现磁场拓扑与微波耦合方式对等离子体参数及推力器性能具有重要影响。西班牙马德里卡洛斯三世大学Inchingolo等人提出一种新的圆波导ECRT，实验结果表明磁喷管的形状及磁场强度会显著影响羽流发散角和推力器的悬浮电位。哈尔滨工业大学郭宏辉等人通过理论分析与实验研究证明，在ECRT中方位不稳定性会受到磁场构型的影响，随着磁场发散角的增加，不稳定性增长速率单调减小，平滑变化的磁场梯度可以抑制方位角的不稳定性。

2025年9月，美国太空军资助研发基于空间核微反应堆的空间核电推进系统，该项目由华盛顿大学航空航天系下属的空间推进与先进概念工程实验室牵头，将研究一种大功率ECRT，能够在超过10kW的功率下运行，这一功率比现有的ECRT设计高出两个数量级。

二、国内实验研究进展

2025年，上海空间推进研究所和西安交通大学先后开展了ECRT和MMPT的研究工作，如图2所示。

图2 推力器样机ECRT（左）和MMPT（右）

实验平台包括真空系统、工质供应系统、微波电源系统、测量系统和推力器。真空舱长度2m、直径1.2m，真空舱极限真空度5×10-4Pa，工作真空度5×10-3Pa。舱内设置有朗缪尔单探针、阻滞势分析仪。利用朗缪尔探针可以对推力器内外的电子温度、电子密度、离子密度、空间电势进行诊断，获取上述参数的空间分布特征。阻滞势分析仪可以获取离子束电流分布和离子束能量分布。舱内还布置有自研扭秤推力架，用于测量推力，评估比冲、效率等参数。推力测试架为摆式测力装置，结构如图3所示。推力器产生推力后，摆臂发生移动，使用传感器将位移信号转变为电信号，通过标定力-位移-电信号之间的关系，获得推力器推力。

图3 扭摆测量系统

（一）ECRT实验结果与分析

点火测试如图4所示，随着功率降低，推力器出口羽流亮度下降，亮区空间范围缩小，颜色由白转红。

图4 不同微波功率下的推力器放电状态

1.等离子体参数诊断

在氙气流量2mL/min，微波输入功率5W、3W、1W的工况下，推力器出口区域附近的等离子体参数诊断结果如图5所示，r=0mm为轴线。最大离子密度8.6×1016/m³，电离腔封闭端的等离子体密度最高，随着输入微波功率增大，高密度等离子体区域向电离腔下游扩展，与点火测试过程中轴线区域的羽流亮区变化趋势一致。高电势区的分布与高密度等离子体区域的存在一定程度的分离，高电势区域相对高密度区域更接近推力器出口，测得的最高等离子体电势85V。电子温度的空间分布也表现出与等离子体空间电势分布的相似性，出现高温电子的区域也是出现高电势等离子体的区域。在5W和3W工况下，可测得温度20eV以上的电子，1W工况只有约15eV的电子。由于等离子体空间电势与电子温度成正比，高电势区域与电子温度较高的区域存在重叠。高密度等离子体区域与高电势区的分离可能反映了腔体内部原子密度分布对等离子体参数的影响：由于气体从封闭端附近供给，靠近该区域的中性原子密度较高，碰撞频率较高，导致等离子体密度高、电子温度低。

图5 （a）离子密度分布；（b）等离子体电势分布；（c）电子温度分布

2.离子能量诊断

在氙气流量2mL/min，微波输入功率1W、3W、5W、20W的工况下，测量了ECRT轴线上距离出口平面5cm位置上的离子能量。结果表明：在各个功率下，离子能量分布随输入微波功率的变化很小，能量散布范围约5eV。该特征表明测试区域的离子是在相对集中的位置产生，且离子产生区域的范围受微波功率影响较小，导致离子经过电场加速后获得相近的能量。随着功率提升，离子能量逐渐提高，在20W微波输入功率条件下，离子能量最大值可达到90eV。

离子通量测量结果如图6所示，测试过程保持流量为2mL/min，输入微波功率依次调节位1W、3W、5W。测试所得的电流密度峰值略微偏离零点，是探头零点与推力器轴线对中偏差造成的。根据电流密度分布数据，采用平面法评估束流发散角发现，3种功率下，包含95%离子电流的束流发散角均为77°左右。

图6 离子通量分布

3.推力测量

推力测量中，固定工质流量为2mL/min，依次将功率调节为1W、2W、5W、20W，使用推力架测推力。在测试工况下，输入微波功率与推力的关系曲线如图7所示。在测试工况下，推力、比冲随效率单调增长。在20W输入功率条件下，推力实测为654μN，比冲341s。

图7 推力随微波功率的变化

（二）MMPT实验结果与分析

在氙气流量为5mL/min，微波功率为30W的条件下，羽流形貌如图8所示。从图像中可观测到从喷口向外延伸的亮度梯度，羽流的长度约3~4cm。

图8 放电图像

1.等离子体参数诊断

为了获取等离子体放电特征，对MMPT中进行了朗缪尔探针诊断实验，等离子体参数诊断结果如图9所示。图9（a）为等离子体密度分布，最高等离子体密度均在1×1017/m³量级，分布在天线下游，从放电室到羽流，等离子体密度按梯度逐渐降低。图9（b）为等离子体电势分布，放电室区域的等离子体电势较低，高电势区域基本位于喷管出口，羽流区域等离子体电势逐渐降低至趋于准中性。一般情况下，ECR区附近的电子温度最高；在非ECR区域，围绕高电势区的电子温度提升。结合图9（b）和图9（c）可以推断，因为MMPT内部磁镜约束电子，同时壁面损失电子较多，使得离子在空间中局部富余，形成离子核，离子核创造了一个高电势区域。

图9 朗缪尔探针诊断结果

2. 离子能量诊断

MMPT羽流的离子能量分布函数如图10所示。通过测量推力器壳体的电压，发现扩张喷管结构的壳体电位约-20V，腔体电位加上等离子体电势的数值与离子能量诊断的能量峰呈对应关系，由此可以推断离子主要依靠电场力加速。

图10 离子能量分布函数

这与ECRT的推力形成机理类似，ECRT腔体壁面一般累积正电荷，这是因为钕铁硼磁体磁约束较强，电子与离子在形成后都会被磁化，电子因为质量轻会先被引出，而离子质量重运动慢，此时放电室内积聚正电荷，部分离子会沉积到壁面上，使得壳体带正电，同时排斥并加速离子向外喷出。而MMPT的磁场设计中，放电室内存在着磁镜约束电子，一方面提高了电离率，另一方面也使得更多的电子沉积到壁面上，使得壳体带负电，此时放电室内同样积聚正电荷，形成离子核。离子核因自身电势较高的原因向外发射离子，同时会吸引电子，使得离子和电子同时被引出。

3. 推力测量

推力测量时，固定工质流量为5mL/min，依次调节功率至30W。输入微波功率与推力的关系曲线如图11所示。测量结果表明在微波输入功率大于25W时，MMPT能产生1mN以上推力，比冲约224s。

图11 推力测试结果

4.氮气工质MMPT测试

测试中采用了纯氮气作为工质，放电图像如图12所示。氮气放电颜色为橙红色，放电强度较氙气弱。

图12 氮气工质MMPT 放电图像

在微波功率36W条件下，氮气点火后，逐渐将流量由15mL/min提升至50mL/min，测力曲线如图13所示。MMPT在氮气流量为15mL/min时，推力为1.09mN，比冲为346s；流量为50mL/min时，推力为2.01mN，比冲为190s。测试结果表明，仅增加流量，只会提升冷气推力，等离子体并未增多，后续需要进行更大功率的实验测试。

图13 光栅尺传感器推力测量位移

三、未来发展趋势

针对微波放电类型的磁喷管等离子体推力器，国内已经初步具备研究基础和条件，但从表2性能参数对比中可以看出，距离国外先进水平还存在差距。未来，针对大推力、高比冲的应用场景，需要深入理解微波、磁场和等离子体的耦合关系，提升放电效率和引出性能；布局大功率至超大功率的磁喷管等离子体推力器。基于此，需要突破高功率密度固态微波源、微波高效率电离、电磁力与气动力联合做功等关键技术。

表2 微波放电类型的磁喷管等离子体推力器性能参数

四、结论

面向超低轨道的吸气式电推进技术已逐渐呈现出差异化的发展路线，在霍尔、离子推力器等典型技术路线之外，电子回旋共振推力器和微波磁控等离子体推力器也展现了应用潜力。为了适应超低轨道航天器的新要求，仍需持续优化性能参数，推动推力器大功率化、大型化，进一步提升比冲和效率。充分利用无阴极、无栅极的优点，更好地适应超低轨道大气环境，提升氮氧工质条件下的系统可靠性，为超低轨道吸气式航天器发展提供技术基础。（本文得到国家自然科学基金项目No.52307183和No.U23B20152的资助。）