更新时间：2024-09-20 13:52
霍尔推进器（Hall Thruster）是一种利用电磁场作用，使工质原子电离并加速的装置。它是电推进器的一种类型。
霍尔推进系统分为电源系统、控制系统、加速装置、空心阴极和贮供系统。其基本原理基于霍尔效应，推进剂在正交电磁场中与电子碰撞电离，电场则会加速离子进而产生推力。霍尔推进器按推力级主要分为微牛级霍尔推力器、毫牛级霍尔推力器和牛级霍尔推力器三种，而不同推力级的霍尔推力器适用于不用的航天任务。其主要特点为结构简洁，不易变形或烧蚀。体积和质量较小，布局方便，采用外置空心阴极，避免空间电荷效应问题，单位面积推力大，推力密度高，可达约1～3 mN/cm2、比冲适中，约为1000～4000s，且功率、推力等参数可调，任务适应性较强。
霍尔推进器由苏联首创，苏联解体后，霍尔推进器技术从俄罗斯走向国际市场。1992年，美国、俄罗斯和法国合资成立了国际空间技术公司(ISTI)，计划改进俄罗斯SPT-100型霍尔推进器，并将其应用到西方国家的同步卫星上。从1994年开始，SPT推进器被广泛用于同步卫星的位置保持和定位系统。1996年，中国在上海动力机械研究所 (801所)开始进行SPT的研究 。1998年10月，美国STEX卫星成功进行了小功率TAL推进器的首次空间飞行试验，这是西方国家首次用自己的卫星进行霍尔推进器的空间飞行试验。未来，电推进技术有望成为轻便且低成本的推进技术。新一代电推进主要朝两个方向发展：一是研发大功率推进器，功率可达几十千瓦；二是研发千瓦级以下的推进器，主要用于小型卫星的主推进以及常规卫星的精确位置保持和姿态控制。2020年，美国宇航局格伦研究中心工程师正在改进现有的推进器，目标是改变小行星轨道。此次任务还将测试先进太阳能推进系统（SEP），为宇航员进入深空（如火星）做准备。2021年，美国美国航空航天局首次使用“霍尔推进器”进行深空探索，访问一颗金属小行星。
霍尔推进器(主要有SPT和TAL)是苏联首创，苏联解体后，霍尔推进器从俄罗斯走向国际市场。1992年，美、俄、法合资成立了国际空间技术公司(ISTI)，计划在俄罗斯SPT-100的基础上改进和提高，并用到西方国家的同步卫星上。从1994年起，SPT被用到同步卫星上作为东西、南北位置保持和定位系统，迄今已有140多台SPT推进器在30多个卫星上应用。Busek公司在美国航空航天局和美国空军的支持下，正在研制以铋为工质的高性能 SPT 霍尔推进器，性能指标为:比冲大于3000s，功率20kW，效率65%。另外，Busek公司原来为美国空军“21世纪技术卫星”(Techsat21)研制的BHT-200 SPT霍尔推进器(功率为200W)正在空军研究实验室进行寿命试验。Aerojet公司研制的BPT-4000SPT霍尔推进器已通过鉴定级试验。俄罗斯的航天器广泛使用该国最早开发的、成熟的 SPT霍尔推进器，积累了很长的空间飞行时间。1994年以来，俄罗斯又有8颗地球静止轨道卫星装备了SPT-100型推进器，累计在卫星上使用的SPT-100型推进器总数已达到64台。快讯 -11卫星上的单台 SPT-100 型推进器工作时间已超过1500h。另外，俄罗斯TSNIIMASH 研制的 D-55 推进器被选作美国商用和军事卫星推进系统的候选方案，并还制定了一个俄罗斯霍尔推进器技术飞行证实计划(RHETT)。1998年10月，小功率TAL推进在美国 STEX 卫星上成功地进行了首次空间飞行试验。这也是西方国家第一次用自己的卫星进行霍尔推进器的空间飞行试验。欧洲航天局(ESA)首次在其月球探测卫星SMART-1中采用由法国SNECMA生产的PPS-1350-G推进器组成的太阳电推进系统，作为该星(350kg，1.4kW)的主推进。据悉，投放市场的欧洲新代同步卫星Eurostar 3000和Spacebus4000也选用霍尔推进器作为南北位置保持控制系统。
在日本，东京大学用解析法研究了霍尔推进器的振荡现象，预测的振荡频率与观测结果非常一致。在大阪大学，为进行霍尔推进器的研究与开发，建造了一个实验设备，该设备由一个水冷式真空箱(直径1.2m，长2.25m)以及一个复合的涡轮分子泵系统(泵流量10000Ls-)和几个DC电源与一个推力测量装置组成。在该试验设备上可进行寿命试验，并可在洁净的高真空环境下研究推进器的排气羽流污染，对两台THT系列霍尔推进器进行了初步实验，结果获得了霍尔推进器的基本工作特性，并考察了磁场结构形状和强度对霍尔推进器工作特性的影响。
在中国，上海动力机械研究所(801所)，于1996年开始进行SPT的研究。现在已研制出SPT-10，40，70和SPT-100实验样机，正在进行各种性能试验。
各国对 TAL的研究相对于 SPT要少些，可能是同功率水平单级结构 TAL的性能和 SPT差不多，双级结构的 TAL其中间电极易烧蚀，设计起来很复杂。但 TAL的推力密度比SPT更高，而且TAL的放电室壁是由金属组成的，其二次电子发射系数比SPT要低得多，所以TAL对于航天器的位置保持、轨道转移和提升等具有很大的吸引力以。现在国际上TAL研究的试验样机主要有D-55，D-80，D-100，D-150，TAL-110 和 TM-50 等。
霍尔推进系统分为电源系统、控制系统、加速装置、空心阴极和贮供系统。电源系统起到能量转换和能量输出的作用：控制系统作为推进系统的中央控制机构，接受星载计算机的控制；加速装置是最主要的工质电离和加速的区域；空心阴极是点火器和中和器，是霍尔推力器的重要组成部分；贮供系统用于贮存和供给工质气体。
霍尔电推进的基本原理基于霍尔效应，推进剂在正交电磁场中与电子碰撞电离，电场则会加速离子进而产生推力。在理想的霍尔推力器中，沿周向的任意截面上都有正交的径向磁场和轴向电场，因此大量的电子由于漂移速度在宏观上形成环绕放电通道的霍尔漂移电流。
霍尔漂移电流中的电子与中性气体发生碰撞使中性气体发生电离形成阳离子，阳离子在轴向电场的加速下射出加速通道，并在外部羽流区与空心阴极射出的电子进行中和，生成中性气体。从宏观上看，中性气体受力被加速，并对霍尔推力器产生反作用力，从而使霍尔推力器产生向后的推力
霍尔推力器的比冲、效率等性能指标的提升和寿命的延长对于其承担更多航天任务有重要意义。磁场优化（如磁屏蔽技术）、热设计优化和推力器构型优化等方法都是实现这一目标的重要途径，尤其在构型优化方面，霍尔电推进实现了许多重大突破。俄罗斯在对传统SPT型霍尔推力器进行构型优化，研制带有缓冲腔的Aton型霍尔推力器的过程中，通过减少离子对放电室壁面的轰击、减小束流发散角从而实现了推力器效率等性能的提高与寿命的延长。俄罗斯的TAL霍尔推力器也是构型优化的代表，其搭配Bi工质进行了试验，将电离和加速过程分开，大大降低了工质电离功率，解决了阳极过热问题的同时实现了推力器比冲提高。美国则根据霍尔推力器小型化的问题通过构型优化提出了圆柱型推力器结构，其特点是具有较低的面积-体积比，缓解了传统圆环型小型化后壁面溅射加剧从而促进壁面腐蚀的问题，实现了小型化霍尔推力器的效率等性能指标提高和寿命延长。
霍尔电推进以其较高比冲、小推力和长寿命的特点而被广泛应用于地球同步卫星位置保持/阻力补偿、航天器轨道机动和深空探测等任务中。随着近年来小行星探测与深空探测等大型航天任务不断发展，航天器的质量不断增加，对于霍尔电推进系统的功率和推力提出了更高的要求，但霍尔电推进的推功比与比冲呈现负相关的特点对其有所限制。此外，如空间引力波探测等多类型航天任务的出现也对于更小推力（微牛级）的霍尔电推进的研究与发展起到了促进作用。目前，单台霍尔推力器的功率为几十瓦到数百千瓦，推力为几十微牛到超过20 N。
空心阴极虽然是独立组件，但其与霍尔推力器主体耦合工作对推力器性能提升非常重要。按照发射体材料分类，目前空间应用的空心阴极主要包括钨阴极和LaB6阴极两大类。
航天器位置保持、姿态控制和轨道转移等不同航天任务对于霍尔电推进各性能指标要求各不相同，因此发展具备多种工作模式霍尔推力器的研究进展迅速。近年来美、俄、欧等研制的霍尔推力器型号几乎都具有多模式工作能力，如美国的BPT-4000、HiVHAc和HERMeS，俄罗斯的SPT\u0002140和SPT-290等。具备多模式工作能力的霍尔推力器可以切换不同模式以适应不同任务。
寻找不同工质也是霍尔电推进技术的发展的重要方向之一，当前在轨应用的霍尔电推进大多采用Xe工质，面临的问题主要是Xe成本高，并且Xe原子质量大会影响推力器比冲的提高。针对以上两点问题，国内外目前主要在探索Kr、Ar和I等工质。由于霍尔推力器设计大多以Xe作为工质进行的，所以开展对不同工质的研究基本都需要重新对霍尔推力器磁场进行设计和优化，以使推力器工作状态最佳。
不同推力级的霍尔推力器适用于不用的航天任务，按推力级主要分为微牛级霍尔推力器、毫牛级霍尔推力器和牛级霍尔推力器三种。其中毫牛级霍尔推力器是各国发展最为全面的，其型号繁多，在轨运行经验丰富。
微牛级霍尔推力器发展较晚，所适用的航天任务有限，因此型号较少。
由斯坦福大学2006年研制的同轴式微型霍尔推力器，在10～40 W功率范围内，使用商用空心阴极中和器，阳极流量为0.12～0.20 mg/s氙气时，测得推力为600～1 600 µN，在10 W功率下虽然推力可以达到600 µN，但效率已经低至10%。
德累斯顿工业大学开展针对乌尔姆泰利斯公司开发的会切磁场型霍尔推力器HEMPT（highlyefficient multistage plasma thruster）的小型化研究，开发出了FullSize NG-µHEMPT和Minia-turised NG\u0002µHEMPT两款推力器。根据2017年公开资料，两者分别可实现6～4 800 µN和29～86 µN的推力输出。
日本大阪大学研发了TCHT系列霍尔推力器实验模型。其中，自2010年起大阪大学为纳米月球探测卫星Proiteres-3研发了圆柱型霍尔推进器TCH-4，并对其性能进行了测试，推力为300～3 500 µN，比冲为400～1400s。
毫牛级霍尔推力器是各国发展最为全面的，其型号繁多，在轨运行经验丰富。根据霍尔电推力器功率和比冲，可以进一步将这一推力级划分为1～40 mN、40～400 mN、400～1 000 mN三个级别。其中推力为40 mN以下的型号多针对于近年来大量涌现的微小卫星任务，其研发成本和难度相对较低，受到许多航天新兴国家的关注；推力处于40～400 mN范围的霍尔推力器发展最为成熟，有着许多型号系列，商业化应用程度也较高；推力为400 mN以上、高比冲的霍尔推力器发展对于轨道转移、深空探测等任务有着重要意义，近年来俄罗斯、美国和欧洲各国都开展了大量研究，产生了一系列成熟产品。许多型号系列设计有其独特的优势与特点，同一系列型号发展往往建立在上一代型号的基础之上。本小节按照型号系列对毫牛级霍尔推力器进行了归纳。
1971年俄罗斯发射Meteor1-10卫星并且搭载了第一个固定等离子体推进器（stationary plasmathruster, SPT）用于执行轨道保持任务，在1972年该型号（SPT-60）进行了测试并取得了成功，其推力在500 W额定功率下可达30 mN。在20世纪70年代至80年代初，俄罗斯的全俄机电研究所（VNIIEM）在Meteor系列卫星和Cosmos1066卫星上搭载了SPT-60、SPT-50型号的霍尔推力器，进行了多次霍尔电推进在轨飞行试验，用于轨道修正（S/C定位）等任务。2012年，俄罗斯发射Canopus-V卫星也采用了2台SPT-50霍尔推力器执行轨道保持任务，其推力在额定功率350 W下为20 mN。从1982年到2000年间，俄罗斯在Cosmos系列卫星和Luch/Luch-1卫星的霍尔电推进系统上应用了SPT-70推力器，用于地球同步轨道GEO卫星的东西位保任务。该型号推力器同样也搭载于Kupon-1通信卫星和Yamal系列通信卫星，用于执行南北/东西位保任务，其推力在额定功率650 W下为40 mN。而其中1987年KB Arsenal公司发射的两颗Cosmos1818卫星和Cosmos1867卫星（原命名为“Plazma-A”）配置了6台SPT-70推力器，采用了基于“Topaz-1”核反应堆的霍尔电推进试验系统，进行了以使用热谱的反应堆作为空间动力源的试验并取得了成功。
俄罗斯进行霍尔电推进研究的机构除Fakel之外，还有克尔德什研究中心（Keldysh），其研制的KM系列霍尔推力器如图4所示（功率范围为50 W～6 kW），该系列产品的特点是在相同功率量级的推力器中具有较高的比冲。Keldysh研制的小功率霍尔推力器KM-45在实验研制过程中的特性为：功率为350 W时，推力为18 mN，比冲为1 450 s。该型号霍尔推力器经过系列试验后应用于印度的GEOSAT通信卫星上，其飞行测试原定于2010年发射的GSAT-4卫星上进行，但由于火箭第3级工作异常，航天器未能进入预定轨道，最终未能进行测试[25]。KM-60是为了Express-1000卫星平台而设计开发的，其额定功率为900 W，推力为42 mN，比冲可达2 000 s以上。KM-60在2014年成功应用于俄罗斯GEO卫星的轨道保持任务，其在轨应用时放电电压可达500 V[26]。为卫星平台Express-2000开发的KM-100推进器，其实验室模型X-85M在1.5～2.0 kW功率范围内进行了两种不同放电电压的测试，推力为65～93 mN，比冲为1 860～2 930 s，效率为56%～63%。
带有阳极层的推进器（thruster with anode layer，TAL）推力器的发展相比SPT系列较晚，其性能可与SPT相媲美，俄罗斯TsNILMASH制造了一系列的单级和双级TAL模型，如小功率的TAL D\u000227和D-38推力器 （功率范围为100～500 W，比冲为1 000～2 000 s）、D-100和TAL110单级推力器（功率范围为1～6 kW，比冲为1 500～3 000 s）、D-150（功率最高可达15 kW），D-100Ⅱ（功率最高可达15 kW，比冲为1 000～2 500 s）和TM-50双级模型（第1级电离，第2级加速；功率范围至30 kW，比冲为5 000～7 000 s）。
随着美国与俄罗斯Fakel在SPT-100、140等型号霍尔推力器的合作研究中取得的成功，霍尔推力器的潜力与优势得到进一步认可，在美国宇航局（美国航空航天局）支持下，Busek公司研制了200 W功率的BHT-200霍尔推力器。该推力器搭载于2006年发射的TacSat-2美国空军卫星上，用于执行轨道提升任务，成为了首台空间应用的美国自主研制的霍尔推力器。BHT-200额定功率为200 W，推力为12.8 mN，比冲为1 390 s[39]。BHT-200取得成功后，Busek公司又研发了工程样机BHT-600，其在额定功率为600 W和放电电压为300 V时，推力为39 mN，比冲为1 500 s[40]。Busek公司研制的BHT（Busek’s Hall thruster）系列霍尔推力器。
美国GD-SPS公司（原Primex Aerospace公司）和LMSSC公司（洛克希德·马丁公司 Space SystemCompany）在2000年达成了一项长期协议，共同为下一代LMSSC地球同步轨道航天器开发4.5 kW霍尔电推进系统（HTPS）[43-44]。两者在Busek公司技术支持下研究开发了BPT系列霍尔推力器模型和样机，包括BPT-1、BPT-2000和BPT-4000。GD\u0002SPS公司与Busek公司共同建造并测试了25种结构不同的CT-3霍尔推力器模型，随后又开发了功率范围上限为2 kW的飞行质量测试模型BPT-1。在此基础上GD-SPS公司又开发了第2代试验模型BPT-2000，并在JPL实验室（the Jet Propulsion Lab\u0002oratory）进行了系列测试。
20世纪90年代末，密歇根大学和NASA格林研究中心开始联合研究5 kW高比冲霍尔推力器美国航空航天局-173M，并研制了两台试验样机分别针对高比冲特性进行了研究和验证。试验中得到样机在所有工况下的参数：推力为81～442 mN，推力总功率比为31～66 mN/kW，总比冲为1 510～3 390 s，总效率为47.1%～63.5%。
推力达到牛级的霍尔推力器可以为大型地球同步轨道GEO（geostationary orbit）卫星、中型或重型全电推平台、空间探测器、地球轨道空间运输平台、太空摆渡车等质量较大的航天器在轨位保，姿态控制和轨道机动转移等任务提供高效支持。
俄罗斯Fakel针对5～8 t大型GEO卫星研制了功率12.5 kW的SPT-230霍尔推力器，推力最高可达1.5 N[1]。而SPT-290霍尔推力器功率范围为5～30 kW，比冲在3 000 s以内，能够产生1.5 N推力。
2000年，NASA格林研究中心研发了功率50 kW的NASA-457M（v1），并进行了测试。NASA\u0002457M（v1）的放电功率为72 kW，放电电压为300～650 V，推力最高可达3.3 N，比冲为1 750～3 250 s，效率为46%～65%。NASA后又以Kr为工质在相近的功率范围和1 kV放电电压下进行了测试得到该推力器比冲可达到4 500 s。2004年，NASA\u0002457M（v2）推力器研制成功并进行了测试，NASA\u0002457M（v2）在功率为50 kW时的峰值推力为2.3 N，小功率时推功比为76.4 mN/kW，全功率时推功比为46.1 mN/kW，比冲为1 420～2 740 s。
在欧洲航天局支持下，意大利Sitael公司开发并测试了20 kW级霍尔推力器HT-20k，其功率范围为10～20 kW，放电电压为250 V～1 kV，效率高达68%，推力大于1 N；此外，在放电电压为800 V和功率为20 kW时，比冲为3 000 s[54]。美国Buesk公司研发了20 kW的BHT-20K霍尔推进器，其推力为1.05 N，比冲为2 515 s，总冲大于35 MN·s，适用Xe、Kr和I三种工质。在欧洲HiPER项目下，法国SNECMA公司开发了PPS-2000ML型号，其功率范围为2.6～23.5 kW，放电电压为100～500 V，而在功率为22.4 kW，放电电压为500 V时PPS\u00022000ML性能最好，推力达到1.05 N，比冲为2 700 s，推进器效率为60%。
霍尔推力器的主要特点如下：
不同推力级的霍尔推力器适用于不同的航天任务。霍尔电推进方面的研究以俄罗斯和美国最为先进，随着其优势进一步凸显，法国、意大利等欧洲国家以及日本也通过合作开发、自主研究等方式不断发展本国的霍尔电推进技术，中国也逐渐在霍尔电推进领域取得了一定成果。
未来，电推进将成为大有希望的轻型、低成本的推进技术之一。新一代电推进正朝着两个方向发展。一方面是研制几十千瓦的大功率推进器;另一方面，继续研制功率为千瓦级以下的推进器，用于小卫星的主推进和常规卫星的精确位置保持和姿态控制。从当前应用来看，霍尔推进器是应用前景最好的电推进之一。今后人造卫星的发射和即将来临的空间探索任务都将需要高性能的霍尔推进器。目前翟尔推进器正朝着更高功率和/或更高比冲的方向发展。
目前，国外许多研究所和大学正在广泛地研究霍尔推进器等离子体物理，并取得了很大的进展，如有混合模型(hybrid models)和单元粒子模型(particle-in-cell)等，但其数学模型和模拟仍然面临着磁化放电复杂结构的问题。因此，未来还要进一步对霍尔推进器等离子体物理数值模拟进行研究，以便帮助设计更高功率和/或更高比冲的霍尔推进器。
羽流污染在霍尔推进器中显得极为重要，目前对大气层中羽流的研究已经取得了较大进展，但对超高空和真空羽流的数值模拟研究还有待完善。C.Perot等人“研究表明，尔推进器羽流中等离子体参数的振荡能影响等离子体与人造卫星的相互作用。因此，为了发展新一代的霍尔推进器，不仅要考虑霍尔推进器的性能而且还要考虑等离子体的振荡现象，因为等离子体振荡会影响推进器寿命和航天器上的电路。
今后，在对霍尔推进器物理机理研究的同时，还要加强对霍尔推进器的试验研究，包括推进器寿命的测试和羽流特性的测试等。随着空间技术的飞速发展，对高功率和/或高比冲的霍尔推进器的需求将越来越多，世界各国在这上面的投入也将越来越大。
2021年，美国航空航天局首次使用“霍尔推进器”进行深空探索，访问一颗金属小行星，相比电力推进技术和太阳能电力推进器，霍尔推进器的设计更简单，用磁场来限制推进剂的流动。这些推进器是在苏联发明的，后来被Maxar和其他公司用于商业用途。今天许多在地球静止轨道上的大型通信卫星，都使用霍尔推进器来支持空间站。霍尔推进器第一次被用于深空任务。普赛克上的每个霍尔推进器产生的推力是黎明号飞船上的离子推进器的三倍，处理的能量是离子推进器的两倍。这将使宇宙飞船在经过3.5年的旅程后，于2026年1月抵达普赛克小行星。
为了在2020年首次改变小行星轨道，美国航空航天局的格伦研究中心工程师正在改进现有的推进器。此次任务还将测试诸如为宇航员进入深空（如火星）研发的先进太阳能推进系统（SEP）等功能。
在SEP上，霍尔推进器使用的燃料仅是现有化学火箭的十分之一。格伦研究中心喷气推进实验室的工程师在格伦真空室中成功研制出新型霍尔推进器，具有更高的效率、更长的寿命和更大的功率。据电子推进系统主任丹·赫尔曼介绍，新型推进器的效率提高了50%，功率是旧型号的三倍。
NASA将首次使用“霍尔推进器”进行深空探索，访问一颗金属小行星.前瞻网.2024-02-04
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