近年来，随着微电子、载荷、通信、能源、制造等技术的创新发展，发射质量在10~100kg的微小卫星、1~10kg的纳米卫星（合称“微纳卫星”）迅猛发展，广泛应用在遥感、通信、物联网、空间实验、在轨服务与维护、深空探测等领域。截至2023年10月31日，国际上发射了2410颗纳米卫星。空间任务对微纳卫星的要求不断提升，如进一步提高机动性（如紧急碰撞规避）、提升性能、延长寿命、寿命末期离轨、强化编队组网能力、缩短研制周期、降低成本等。


然而，在大中型航天器上广泛应用的化学推进系统在微小型化时，存在推力器喷嘴性能损失严重、系统组件数量多、系统结构质量占比大、工质剧毒等问题，导致其在微纳卫星上应用时困难重重，严重影响了微小卫星的寿命和性能。


针对这一动力瓶颈，近年来研究人员对功率在1~100W（仅为手机等日常便携电子产品充电功率量级）甚至更小的微功率电推进技术进行了深入研究，取得了大量突破性成果，并开始在轨实验和应用。微功率电推进还可拓展应用到引力波探测器、重力梯度卫星等超静平台航天器的无拖曳控制，以及空间大型挠性构件的振动控制等场合。需要指出的是，对于微推进系统，在描述整个系统的性能时，由于系统结构比重较大，比冲的重要性已在一定程度上弱化，单位质量或单位尺寸可产生的冲量（单位为N·s/kg或N·s/L）可更直观地描述整个系统的能力。


一、分类和技术特点


微功率电推进的工作原理、系统组成与常规电推进相同。按工质加速方式不同，微功率电推进分为电热式、静电式和电磁式三大类（见图1）。微功率电推进既有常规电推进的微型化，如微功率霍尔电推进、离子电推进等，又有本身就适用于微功率场合的电推进，如电喷推进、微阴极电弧推进等。表1给出了典型微功率电推进技术的原理、基本性能范围和优缺点。


图1 三类电推进工作原理图


表1 典型微功率（不超过100W）电推进的原理和优缺点


微功率电推进技术具有如下技术特点：


1. 功率小，不超过100W；


2. 结构简单，往往不需要阀门、贮箱、压力传感器等推进系统常用组件，易于模块化、微型化；


3. 比冲较高，特别是静电式和电磁式微功率电推进的比冲显著高于化学推进；


4. 推力小，一般在微牛至毫牛量级；


5. 工质种类多，大都采用无毒工质，绿色环保；


6. 效率通常较低，对于由常规电推力器微型化而来的微功率电推力器，其放电区域的面容比相对于常规电推力器大幅缩小，导致工质与推力器内壁面作用明显增强，显著降低效率和比冲；


7. 寿命普遍较短，这是由于工质与推力器壁面作用强、推力器内部热量积聚、电极尺寸小等。


二、研究现状


（一）电热式微功率电推进


电热式电推进实现微功率的主要途径是结合微机械加工、增材制造等新技术，以及将常规电热式电推进常用的肼工质更换为水等绿色工质，实现微型化、集成化、绿色化。


1. 美国Busek公司研制的微功率电阻加热推进模块质量为1.25kg，尺寸为9cm×9cm×10cm，贮箱容积为280mL，功率为3~15W，总冲为427N·s，主推力器推力为2~10mN，比冲为150s，8台姿控推力器推力为0.5mN，比冲为80s。


2. 荷兰代尔夫特理工大学近年来开展了硅基自由分子流微功率电阻加热推力器研究，以及基于传统机械加工工艺的电阻加热推力器试验，后者在采用液态水工质，加热功率为36.1~36.6W，推力器腔室温度为300℃、压力0.1MPa时，推力为8~8.3mN，比冲为95~100s。


3. 日本东京大学研制的水工质电阻加热推进系统AQUARIUS-1U（见图2）安装在2019年11月从“国际空间站”上发射的3U立方星AQT-D上，其尺寸为92mm×92mm×105mm，湿质量为1.2kg（含水0.4kg），总冲为250N·s，安装5台推力器，其中1台为轨控推力器，推力为4mN，比冲为70s；4台为姿控推力器，推力为1mN，比冲为70s，最小元冲量大于0.5mN·s。工作时，水蒸气被加热到70℃喷出。


图2 日本东京大学研制的水工质电阻加热推进系统


4. 西安航天动力研究所在2009年研制了基于微机电系统（MEMS）技术的自由分子流微型电阻加热推力器（见图3），利用液态水和氮、氩、氦等气体工质进行了测试，计算推力为0.8~2.3mN。


图3  西安航天动力研究所研制的微型电阻加热推力器


5. 北京易动宇航科技有限公司研制的ERT-12电阻加热推力器采用氮气工质，功率为12~65W，推力为10~40mN，比冲为200s，采用该推力器的电推进系统于2020年12月22日完成在轨应用。


（二）静电式微功率电推进


静电式电推进实现微功率主要是两种思路：一是传统的霍尔、离子电推进的微型化；二是发展更为适合微功率场合的电推进技术。


霍尔、离子电推进在微型化时，存在放电室急剧缩小导致面容比急剧增大、等离子体与放电室壁面作用显著增强、热积聚严重、效率显著降低、传统加热型空心阴极功率下降困难，以及贮供系统微型化困难等问题，霍尔电推进还存在放电室削蚀增强、寿命显著降低的问题。因此，功率很小时，往往对这两种电推进的主要要求是先实现稳定的推力输出，而对比冲和效率的要求可以降低。


霍尔电推进微功率化的主要措施是减小放电室面容比甚至采用无放电室构型，减小阴极功耗甚至不配备空心阴极，加强散热，优化磁路设计，换用新型高密度工质（如碘），优化贮供系统和功率处理单元等。典型研究有：


1. 美国Busek公司、法国Exotrail公司及上海空间推进研究所等开展了基于传统磁场构型的微功率霍尔推力器研究。法国Exotrail公司针对10～80kg的航天器研制了spacewareTM-nano霍尔电推进系统，功率为40~60W，推力为1.5~2.5mN，总冲为6kN·s，尺寸为1~2.5U（1U=10cm×10cm×10cm）。该公司研制的ExoMG微型霍尔推力器创造了霍尔推力器首次应用于100kg以下卫星的纪录。


2. 法国国家科学研究中心和意大利Sitael公司及我国上海空间推进研究所、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等研制了永磁励磁或永磁、电磁复合励磁的微功率霍尔推力器，采用永磁材料确保磁场强度。上海空间推进研究所研制的百瓦级磁屏蔽HET-5 PM复合励磁霍尔推力器（见图4），通过磁屏蔽大幅延长推力器寿命，当其放电电压为200V、功率为50~100W时，推力为3.43~7.02mN、阳极比冲为891~1073s、阳极效率为29.4%~37%。


图4 上海空间推进研究所研制的HET-5 PM霍尔推力器


3. 美国普林斯顿大学、日本大阪工业大学、我国哈尔滨工业大学等开展了圆柱形霍尔推力器研究，该类型霍尔推力器通过将传统霍尔推力器的圆环形放电室改为圆柱形，减小放电室面容比，降低等离子体对放电室壁面的作用。日本大阪工业大学研制的微功率圆柱形霍尔推力器可在10W功率时稳定工作，其放电功率为66W时，推力为1.56mN，阳极比冲为1570s，阳极效率为18.1%。


4. 法国国家科学研究中心、美国普林斯顿大学、我国西安交通大学等开展了无壁面霍尔推力器研究。该技术尚处于初步研究阶段，其原理是利用磁场而不是实体的放电室壁面来约束等离子体，不存在等离子体与放电室的作用，有利于简化结构、延长寿命，但存在工质利用率低、束发散角大、效率较低等问题。西安交通大学研制的无壁面霍尔推力器功率在60~100W时，推力为3.2~4.7mN，阳极效率为7%~13%。


5. 新加坡南洋理工大学和Aliena公司开展了无阴极构型的微功率霍尔推力器研究。南洋理工大学研制的微牛级霍尔推力器在2019年随我国“太极”一号卫星发射升空，该推力器由内置的低逸出功材料释放的电子实现羽流中和，在等离子体喷射模式时，功率约为5W，推力为5~100μN。


6. 美国VACCO公司、德国AST公司及我国上海空间推进研究所等开展了贮供系统微型化技术研究。通过结构管路复用、减小组件、高度集成化等措施，显著减小了贮供系统的尺寸和质量。德国AST公司研制的微型贮供单元（见图5）质量为0.9kg，相对于常规产品，质量减小80%左右。


图5 德国AST公司研制的微型贮供单元


离子推力器微功率化的主要措施是通过将等离子体生成方式由主流的电子轰击电离改为射频电离或微波电离，显著降低了放电室的研制难度和功率，确保了电离效率，实现了在数十瓦功率条件下的较高性能。典型研究有：


1. 日本宇宙科学研究所、九州大学，我国西北工业大学、哈尔滨工业大学、上海航天控制技术研究所等开展了微波离子推力器研究。日本宇宙科学研究所的400W功率μ10推力器在成功研制并应用的基础上，重点开展了10瓦级微功率μ1微波离子推力器的研究，其推力为202μN时，功率为17.0~20.5W，比冲为1000~1500s。东京大学研制的微功率微波离子推进系统MIPS（见图6），系统功率为28.1~36.5W，推力为220~361μN，比冲为790~1120s，MIPS应用在2014年发射的Procyon小行星探测器上，在轨工作233h，平均推力为346μN。


图6 东京大学研制的微功率微波离子推进系统MIPS


2. 德国吉森大学，法国阿利安集团、ThrustMe公司，美国Busek公司，中国科学院力学研究所、北京航空航天大学等开展了微功率射频离子电推进研究。阿利安集团和吉森大学针对高精度控制任务研发的RIT_μX微功率射频离子推力器可根据需要配置成10~100μN、50~500μN、75~2000μN 3种推力挡位。法国ThrustMe公司的碘工质微功率射频离子电推进系统于2020年11月装载在北京航空航天大学“空事”一号卫星上发射升空，完成了首次碘工质电推进的在轨飞行，系统功率55W，推力0.8mN。


Busek公司研制了两代采用碘工质的BIT-3射频离子电推进系统，第一代产品干质量1.4kg，工质装载量1.5kg，功率70W，推力1.24mN，比冲2250s，应用于2022年11月“航天发射系统”（SLS）火箭首飞发射的2个月球探测器LunaH-Map和Lunar-IceCube上。LunaH-Map探测器入轨后，由于离子电推进系统故障，工质输送异常，导致探测器未能进入月球轨道。已批产的二代产品（见图7）改进了零部件、机械结构、功率处理单元和工艺。


图7 Busek公司批产的二代射频离子电推进系统


与霍尔、离子电推进相比，电喷推进采用液体或固体工质，更易于实现微功率、模块化，功率可覆盖1~100W，比冲从数百至10000s。电喷推进的研究起始于20世纪60年代，但由于技术限制，直到90年代才取得决定性的进展，实现应用。电喷推进可分为3类：一是利用导电溶液工质、喷射带电液滴为主的胶体电喷推进；二是利用金属工质、喷射金属离子的场发射推进；三是利用离子液体工质、喷射带电液滴或离子的离子液体电喷推进。近年来主要发展后两种，具体如下。


1. 场发射推进：采用液态金属或熔融的金属作为工质。主要研究单位有奥地利FOTEC公司、ENPULSION公司，意大利Centrospazio实验室、Sitael公司等，我国上海交通大学、上海空间推进研究所、北京机械设备研究所等。ENPULSION公司的场发射电推进产品2018年实现在轨测试，至2022年6月已有138套产品在轨飞行。该公司进一步研发了功率为45W、推力为50~350μN、湿质量为1.3kg的NANO R3和NANO AR3（推力矢量可调），功率为100W、推力为0.3~1mN、湿质量为3.9kg的ENPULSION MICRO R3等产品，以满足从立方星到中型卫星的不同需求，如图8所示。


图8 ENPUSION公司的MICRO R3（左）和NANO AR3产品（右）


2. 离子液体电喷推进：主要研究单位有美国麻省理工学院、Busek公司、密苏里科技大学，瑞士洛桑联邦理工大学，我国上海交通大学、北京航空航天大学、上海空间推进研究所、兰州空间技术物理研究所、北京控制工程研究所、北京机械设备研究所等。麻省理工学院在多年机理研究的基础上提出了iEPS芯片式电喷推力器，研制的0.2U电喷推进系统由8台电喷推力器和功率处理单元组成，功率为1.5~2W，推力为74μN，比冲超过1150s，质量小于100g。


2015年，芯片式电喷推力器在Aerocube-8立方星上实现首次在轨飞行。Busek公司研制的基于主动供液技术的电喷推力器模块推力为5~30μN，额定比冲为240s，应用在2015年12月发射的“激光干涉仪空间天线-探路者”（LISA-Pathfinder）引力波探测器上，推力调节性能和噪声均满足任务要求。


密苏里科技大学提出了一种利用含能液体工质同时实现高比冲电喷推进和大推力化学推进的思路。上海空间推进研究所与上海交通大学合作研究了电喷推进的工作过程和性能变化规律，研制了0.4U的具有高推力密度特点的刀片发射体阵列电喷推进系统模块，系统功率为9W，推力器功率为5W，推力为100μN，比冲为2000s（见图9）。


图9 上海空间推进研究所研制的电喷推进模块


（三）电磁式微功率电推进


在电磁式电推进中，具有脉冲工作特性的脉冲等离子体电推进、真空电弧推进和微阴极电弧推进均非常适合以微功率工作。微功率电磁式电推进虽然效率较低，但由于可使用固体工质且直接电离固体工质，省去了霍尔、离子电推进系统所需的贮箱、阀门、压力传感器等组件，集成度高，单位质量或单位尺寸产生的冲量并不小，且控制简单，因此在微功率场合具有系统级优势。


脉冲等离子体推进是国际上最早应用的电推进技术。近年来，脉冲等离子体推进的主要研究方向是提高效率和寿命，探索新型工质，减小脉冲冲量以提高控制精度，引入激光等能量源、外加磁场等以提高性能，引入电磁场以实现推力矢量控制等。主要研究单位有美国Busek公司、CU Aerospace公司，德国斯图加特大学，日本山梨大学，我国国防科技大学、北京航空航天大学、兰州空间技术物理研究所等。


CU Aerospace公司开展了丝状工质供应技术及电磁推力矢量技术研究，研制的1.7U尺寸样机功率为78W，工作频率为3Hz，平均推力为0.6mN，比冲为3500s，效率为13%，总冲为28kN·s，可实现±10°的电磁推力矢量控制。国防科技大学围绕固体烧蚀型脉冲等离子体推力器开展了系统化的仿真、实验研究，建立了推力器极板间等离子体运动模型、羽流PIC/DSMC模型，利用超高速相机、光谱仪、朗缪尔探针等装置，测量了等离子体参数演化特性，基于羽流沉积薄膜法获得了羽流发散角和各元素的沉积率，研制的系列化产品（见图10）应用于“航升”一号等多颗卫星，在轨点火超万次，电磁兼容性良好。


图10 国防科技大学的脉冲等离子体推进产品


微功率真空电弧推进是近年来快速发展和应用的微推进技术，主要研究单位有美国普林斯顿大学，法国国家科学研究中心，我国兰州空间技术物理研究所、北京航空航天大学、北京理工大学、遨天科技（北京）有限公司等。


遨天科技公司研制了模块化、阵列式扩展的型谱化真空电弧推进系列产品（见图11（a）），推力范围覆盖30~2000μN，至2023年8月10日已应用于29颗在轨卫星。单推力器在轨点火结果表明，其推力为44.1μN、推力功率比为21μN/W。某产品实现了某卫星空间碎片避让，单轨工作2次使轨道提升100m。该公司研制了推力器头部自动化装配系统（见图11（b）），代替传统人工装配，装配时间由85~96min/套缩短到3min/套，同时提高了产品质量一致性，增强了产品可追溯性。


图11 遨天科技公司点火时的真空电弧推进模块及自动化装配系统


微阴极电弧推进在微功率真空电弧推进的喷口处引入外加磁场，提高性能和阴极材料烧蚀均匀性。主要研究单位有美国乔治·华盛顿大学，我国西安航天动力研究所、上海空间推进研究所、北京控制工程研究所、上海交通大学等。


乔治·华盛顿大学提出了微阴极电弧推进概念，研制的样机于2015年5月在1.5U尺寸的BRICSat-P立方星上进行了首次飞行，推进系统两次48h点火，使卫星旋转速度从约30(°)/s降至1(°)/s，近年来该大学提出采用多阴极来提升寿命，以及在推力器下游增加一个磁等离子动力学加速级形成μCAT-MPD推力器，在不到50W功率的情况下实现(1.7±0.3)mN推力。上海空间推进研究所研制的钛工质微阴极电弧推进系统配备2个推力器，功率10W，平均推力10~20μN，元冲量1μN·s，寿命250万次。上海交通大学对微阴极电弧推力器的羽流图像、放电特性、阴极烧蚀情况等进行了分析，发现电感存储能量越大，外加磁场磁感应强度越小，脉冲持续时间越长，同时外加磁场可显著提高电离率和性能。


三、关键技术


微功率电推进技术的关键技术包括：


1. 微尺度空间内的高效能量转换技术。微功率电推进由于推力器尺寸很小，电能转化为动能过程中，推力器通道内表面对介质流动、等离子体碰撞、热传导等作用显著，需要对性能影响因素及其作用规律开展深入研究，不断提升能量转换效率，提升产品性能。


2. 显著边界效应制约下的长寿命技术。微功率推力器往往是整个系统的寿命瓶颈，在推力器工作过程中，由于内部空间极为有限，极易导致热量积聚、等离子体削蚀增强、壁面沉积加剧、电极间绝缘性能衰减，制约寿命，因此需要对寿命制约因素进行研究，并提出相应延寿措施。


3. 有限体积条件下的高度集成化技术。微功率电推进系统往往需要在极为有限的体积内完成电推力器、贮供系统、电源和控制器等的布局，需通过布局优化、结构复用、新材料、新工艺的引入等途径，实现系统高度集成。


4. 考虑全寿命周期的高效益设计技术。面向微小航天器的微功率电推进产品在确保性能、寿命和可靠性的前提下不断降低成本，需要针对全寿命周期，不断明晰工作机制和性能衰减机理，优化设计思路、完善模型，优化设计、生产、试验的方法、流程和工艺，做到产品性能、寿命、可靠性和成本之间的最佳平衡，实现高效益设计方法。


5. 高效率、高可靠的自动化装测技术。微功率电推进降低生产成本、提高可靠性的关键途径是引入自动化装测技术，自动化装测并非是产品设计出来后才考虑的，而是要在产品设计时同步考虑零部件的结构、装配测试方法，自动化装测产线还需要具备信息追溯、敏捷适应不同产品、自动化故障诊断和处理等功能。遨天科技公司的自动化装配系统已经做出了很好的示范。


6. 高精度、高可靠的极限性能测试技术。微功率电推进推力小、比冲高、寿命长，某些任务还需要极小的推力分辨率、推力响应时间、元冲量、宽频域噪声等，指标可谓达到目前技术水平的极限，给指标测试带来了很大困难。需要持续开展高精度、高可靠性能测试技术研究，逐步实现测试技术的标准化，为准确评估产品性能奠定测试技术基础。


7. 高置信度的加速寿命评估技术。微功率电推进系统虽然功率和推力很小，但寿命很长，往往达到数百至数千小时，1:1的全周期寿命考核对人员、设备、成本都提出了很高要求，特别是微功率电推进系统未来将以批产化的方式生产，寿命和可靠性的快速评估势在必行。需要对电推力器及其推进系统的寿命影响因素进行全面、系统化的研究，寻找影响寿命的关键因素及其作用规律，提出、验证并不断完善高置信度的加速寿命评估技术。


四、未来展望


近年来，不断进步的微功率电推进技术以其功率小、推力小、寿命长、可调节、无毒化、模块化、冲量精准等优势，提升了立方星、低轨星座卫星等的性能，促进了商业航天的迅猛发展，还使重力梯度测量、引力波探测等极限空间科学任务从设想变为现实。微功率电推进技术众多，各有特点，需要针对具体任务具体分析适用的技术。


微功率电推进技术的发展趋势主要有：


1. 提升效率。目前微功率电推力器和系统效率普遍较低，需持续开展内部工作机理研究，不断优化模型和设计方法，提升效率。


2. 新型电推进技术研究。针对主要微功率电推进技术存在的电极烧蚀制约寿命的问题，开展基于微波、射频、激光等无电极能量注入的新型电推进技术研究。


3. 新型工质应用研究。针对微功率霍尔、离子电推进目前广泛应用的价格高、贮存压力高的氙气工质，开展碘、水等新型低成本工质的微功率电推进研究。


4. 货架产品研制。针对具有相似动力需求的空间任务，开展接口标准化的微功率电推进货架产品研制，采用柔性生产线实现多种产品的敏捷生产和测试，加快电推进产品在航天器上的总装测试。


本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：杭观荣、许嘉鑫、徐伟峰、李林、田雷超（上海空间推进研究所、上海空间发动机工程技术研究中心）