霍爾推力器

在航天器推進中，霍爾推力器是離子推力器的一種，霍爾推力器有時也稱為霍爾效應推力器或霍爾電流推力器。霍爾推力器一般被認為是具有中等比衝(1600s)的空間推進技術。霍爾推力器自1960年代以來在理論和試驗研究上取得了很大進步。 ^[3] 

霍爾推力器可使用多種推進劑，最常用的是氙，其他推進劑包括氡、氬、鉍、碘、鎂和鋅。 ^[3] 

霍爾推力器噴氣速度最大可達10-80km/s（比衝1000 - 8000s），但絕大多數型號噴氣速度在15-30km/s (比衝1500 - 3000s)。霍爾推力器推力與功率有關。1.35kw的推力器可產生83mN的推力。高功率型號在實驗室環境中推力達到了3N。100kW功率量級的氙氣霍爾推力器也已得到驗證。 ^[3] 

由於霍爾推力器通道壁面表面積與容積比大，等離子體與器壁的相互作用強。等離子體和固體壁面發生作用時會形成等離子體鞘層，鞘層中的高能電子與器壁材料撞擊會使得器壁發射出大量的二次電子，二次電子發射直接影響等離子體鞘層特性，進而影響推進器的效率、比衝等性能指標。 ^[1] 

隨着二次電子發射係數的增加，鞘層器壁電勢而升高，鞘層勢壘減弱，鞘層厚度減小；磁場大小及方向對推力器磁鞘的影響雖不顯著，但從趨勢上看磁場大小和方位角越大，鞘層中二次電子密度增加，鞘層電勢升高；對於氬和氙二種等離子體，氙等離子體產生的鞘層勢壘高，鞘層厚度和粒子密度大。可見，二次電子的磁化導致鞘層電勢分佈，粒子密度空間分佈和壁面二次電子流的改變，而這些變化將直接影響推力器電子傳導機制，進而影響推力器的效率。 ^[1] 

儘管霍爾推力器具備相對較高的比衝，但是鑑於高比衝帶來的航天器的高有效載荷率對於長週期飛行任務的航天器和衞星具有重要意義，因此，隨着近年來長壽命衞星平台和深空探測等項目的開展在現有的基礎上進一步提高比衝，就成為了霍爾推力器發展的重要趨勢。研究表明，提高放電電壓能夠有效提高霍爾推力器的比衝。 ^[2] 

電子能量的平衡過程，可以分為能量獲得與能量損失2個部分。在霍爾推力器放電通道內，電磁場對帶電粒子產生作用力並驅動粒子發生運動，因此，電磁場是電子能量的來源。同時在運動過程中，電子發生高頻率的碰撞（與中性原子的碰撞、與絕緣壁面的碰撞）。對於電子來説，由於其質量相對很小，彈性碰撞後其能量近似不變，但是實際發生的碰撞效應又往往是非彈性的，例如：電子與中性原子的碰撞伴隨着電離過程，而電子與絕緣壁面的碰撞又可能造成被壁面吸收或發射出低能量的二次電子等結果，這些非彈性碰撞就造成了電子的能量損失。 ^[2] 

電子的能量獲得電子進入到霍爾推力器放電通道內的電磁場中，就會從電磁場中獲得能量。一般來説，入射電子的能量在1~10eV量級，而如果被壁面吸收，則能量完全損失；如果發生非彈性反射，但是未激發出二次電子，則能量損失的量級與電子原有能量的量級一致或更小；如果發射二次電子，則二次電子能量可以認為是入射能量的1/2或1/3，損失的量級也在1~10eV。 ^[2] 

如果忽略微觀的迴旋效應，電子在通道中的運動可以看作是從通道出口到陽極的定向流動，這個定向流動伴隨着上述的能量平衡過程。某點的電子温度實際上是該點到通道出口的軸向區域（即定向流動的“上游區域”）內電子能量獲得與損失的結果，與下游的物理過程無關。因此，最大電子温度的影響因素就是最大電子温度點上游區域電子的電場獲能和碰撞能量損失。 ^[2] 

霍爾推力器放電室壁面輪廓受等離子體的濺射削蝕直接影響其運行壽命，當埋置於絕緣陶瓷內的磁極由於濺射而裸露出來時，其壽命即宣告終止。實驗是考察霍爾推力器壽命的重要方法之一，通常採用多層塗層法、激光測量法、光譜法等，並分為長壽命實驗和短壽命實驗，前者可以準確獲知某台推力器的運行壽命，缺點是實驗週期一般都在幾千甚至數萬小時；短壽命實驗週期短、花費少，但能得到的信息有限。 ^[4] 

鑑於壽命實驗時間長耗資大，於是人們開始將目光投向非直接測量壁面輪廓的渠道，即通過建立合適的數學物理模型計算或通過較易獲取的物理量反推，直接或間接得到霍爾推力器放電室輪廓隨時間的變化，進而對其壽命進行預估，主要方法分為三類，即簡易解析模型法、半經驗模型法和數值模擬方法。 ^[4] 

霍爾推力器研究曾在美國和前蘇聯獨立開展，分別起始於1950年代和1960年代。但是，只在蘇聯這項研究產生了高效的推進裝置，而美國科學家則轉為研究離子推力器。

前蘇聯發展了兩類霍爾推力器：（1）寬加速區的穩態等離子體推力器SPT，Fakel設計局研製；（2）窄加速區的陽極層推力器TAL，中央機械研究院研製。

中國電火箭又取得了重大的進步。據報道，中國航天科技集團公司五院502所研製成功磁聚焦霍爾推力器，累計工作達1000小時，關鍵性能指標達國際一流水平。與此前曾報道持續工作達10000小時的國產離子電火箭相比，霍爾電火箭具有推力更大、小羽流發散角、高比衝、高效率、理論壽命更長的特點，適用於我國後續大型衞星平台對電推進的性能需求，該型火箭將可用於我國未來大型衞星平台。美國、俄羅斯、歐洲在電火箭方面也在積極開展研究，中國在這方面是後起之秀，追趕速度很快。 ^[3] 

2022年1月，航天科技集團五院510所大功率霍爾電推進技術獲得重大突破，在地面試驗中，單通道霍爾推力器（HET-450）以Xe為工質最大功率到105千瓦，最大推力達到4.6牛，以氪為工質最高比衝超過5100秒，標誌中國在大功率電推進技術領域內，百千瓦級霍爾推力器性能達到國際先進水平，並實現了單通道霍爾推力器比肩美國多通道X3霍爾推力器（最大功率102千瓦，最大推力5.4牛）的技術水平。 ^[5]