电推进根据加速工质的方式不同,可分为电磁式、电热式和静电式三种类型^[5]。电磁式推力器是气体工质被电离后在周围磁场作用下,受洛伦兹力,从喷管加速喷出,产生推力。电磁推力器的优点是技术比较成熟、比冲较高、寿命长等。主要包括磁等离子推力器、脉冲感应推力器、脉冲等离子体推力器和可变比冲等离子体推力器等。

电热式推力器是指通过对工质加热使其发生分解,再经喷管加速排出产生推力。其优点是结构简单、成本较低、安全可靠、并且操作和维护起来比较方便等。电热式推力器包括电阻加热推力器、电弧加热推力器、微波等离子体推力器和太阳热等离子体推力器等。

静电式推力器是指通过电能将工质离解成离子,离子在静电场作用下加速飞出产生推力。静电型推力器的优点是比冲较高、质量轻、结构紧凑以及技术成熟等。主要包括电子轰击式离子推力器、霍尔效应推力器、回旋加速谐振离子推力器、场效应发射离子推力器和胶体推力器等。其中霍尔效应推力器又可以分为稳态等离子推力器和阴极层推力器。

根据所采用的工质(推进剂)的状态不同,电推进的工质可以分为固体、液体和气体三种类型。固体工质主要有:聚四氟乙烯、聚乙烯、尼龙-6、锌、锂、镉及铋等^[6]; 气体工质有氮气、氢气、一氧化二氮、氩气、氙气及氪气等; 液体主要有肼、氨、水、乙醇、液体汞、铯、甘油及碘化纳等。对不同的推力器来说其所适用的工质也是不同的,如表2所示。下面按工质的状态对近年来电推进工质的的研究情况进行介绍。

表2 电推进工质的类型
Tab.2 Types of electric propulsion working medium

在20世纪50年代末,Bostick W.H.首先提出将金属作为推进剂用于脉冲等离子体推力器,但喷射流的沉积物导电性不理想并且容易产生羽流污染^[7]; 采用氮气和氩气等气态工质推进剂时,但由于推进剂利用效率低并且快速动作控制阀门不易解决,应用受到限制。直到找到了固体聚四氟乙烯并将其作为脉冲等离子体推力器工质,聚四氟乙烯等离子体推力器便登上了空间应用的舞台。这是由于固体聚四氟乙烯具有蒸气压低、稳定性好,无毒、廉价、容易获得、良好的机械强度和加工性能等优点,并且在300～500 ℃的温度作用下,能直接升华成气体,不易碳化。聚四氟乙烯脉冲等离子体推力器诞生后便很快获得了应用,成为第一个应用于航天器控制的电火箭发动机。目前,该推力器主要有同轴电极型和平行轨道电极型两种结构^[8],其中同轴结构,推力大,比冲稍低,而平行轨道电极型的推进剂供系统结构简单,比冲高。

1964年,前苏联以采用聚四氟乙烯为推进剂工质,在自动行星际站宇宙探测器上装载了脉冲等离子体推力器,该推力器利用太阳电池帆板对太阳定向,这也是世界上最早在航天器上成功应用的电推进系统。1966年,美国发射的林肯实验卫星以聚四氟乙烯为推进剂,使用6台脉冲等离子体推力器发动机,做东西位保控制; 在上世纪70年代,美国空军研制了放电能量达750 J的毫磅级推力的聚四氟乙烯脉冲等离子体推力器用于同步卫星的南北位保控制,并且在1981～1988年陆续将聚四氟乙烯脉冲等离子体推力器海军子午仪导航卫星用作轨道修正和阻力补偿任务。2007年,美国将脉冲等离子体推力器电推进应用到 FalconSat-3小卫星上来进行姿态控制。我国于1970年研制的放电能量为4J的MDT-2A推力器(图1),并于1981年用弹道火箭进行了首次聚四氟乙烯脉冲等离子体推力器的空间飞行试验并获得圆满成功^[9]。

图1 MDT-2A推力器
Fig.1 MDT-2A thruster

随后,为了进一步提高工质分解产物的电导率,改善脉冲等离子体推力器性能,学者们也尝试将聚乙烯,尼龙-6等代替聚四氟乙烯作为工质,但实验结果并不理想,其从总体性能上并不如聚四氟乙烯,部分工质的参数见表3所示。俄罗斯学者 L.N. Lesnevsky 认为用金属锂和镉作推进剂,脉冲性能参数比气体和氟塑料推进剂的装置稳定,并且由于金属单位质量离化能耗低,可在1 000 ℃以上的高电极温度下工作,因此可实现大推力、高功率运行,为此进行了深入的研究^[10]。

近年来,日本东京计量技术研究所正在研究将⁶⁰C代替氙气作推进剂应用到电子轰击式离子推力器的可行性。Michigan 技术大学在 BPT-2 000 推力器上进行了镁和锌轻金属推进剂性能试验。Busek公司测试了以碘作为推进剂的霍尔推力器性能,结果表明:在9 kW范围的其性能超过氙气推进剂。2003年NASA开展了以铋为推进剂的高功率霍尔推力器,并于2005年进行了点火试验,结果表明:20 kW的铋为工质的霍尔推力器首次点火成功,比冲达到苏联水平^[11]。目前,美国正在对以锂和钾为工质的磁等离子体动力学推力器进行研究试验,它是通过在电极间施加向电流,使锂和钾等工质受热气化形成等离子体,等离子体在磁场作用下加速喷出,产生推力。与大多数电推力器相比,其特点是推力大、比冲高(10～40 kN(s·kg)^-1)、推力密度大和结构简单等。可用于未来大型航天器的姿控和轨控, 也可用作深空的主推进器。

表3 部分固体工质的参数
Tab.3 Parameters of partial solid working mediums

最早采用的液体推进剂有液体汞和铯,由于有毒且产生污染逐渐被其他工质取代,在所电推进的液体工质中,肼作为工质广泛应用于电热式推力器。这是由于一方面肼经过催化可分解成氢气、氮气和氨,不仅可以提供给下游的电推力器作为推进工质使用并且肼分解放出的能量也增加了电推力器的比冲; 另一方面肼可以与化学推进系统共用一套贮箱及管路输送系统,从而能简化火箭结构、减轻其质量^[12]。美国研究人员研制的肼电弧推力器的电功率达1.8 kW,比冲5 kN(s·kg)^-1,目前,已在“国际通讯卫星-8”等地球同步卫星上执行位置保持任务。日本将研制的推力为0.13 N,比冲为560 s的肼电弧推力器用于对地观测小卫星。

针对现有以固体聚四氟乙烯作为工质的脉冲等离子体推力器推进剂利用率和推进效率低的问题,科学家尝试将液体工质用于脉冲等离子体推力器,然而采用液体工质进给脉冲等离子体推力器需要一套活动的进给和入射系统,这会增加推进器的复杂性,但由于液体工质没有延时蒸发和大粒子发射等问题,并且质量流率容易控制、有较低的平均原子或分子重量等优势^[13],使得液体工质进给的脉冲等离子体推力器具有更高的推进效率。加利福尼亚大学的Ziemer等人分别将水和氩气为工质对脉冲等离子体推力器进行了性能对比测试,结果表明:水比氩气作为工质具有更高的推进效率,同时水作为一种安全无毒的推进剂工质,可以饮用也可以作为燃料,因此在载人航天器上可以共享一个贮存系统,同时也能充分利用空间站上产生的大量废水作为工质,减少地面向空间站补给推进剂的运输量,从而能大大节约成本和空间,然而缺点是水电阻加热推力器比冲偏低,只有200 s左右。2003年,由SSTL研制的水电阻加热推力器首次在灾害检测卫星上进行了飞行试验^[14]。

由于铯、铟和铷等金属具有高的原子质量、低的熔点和逃逸能成为场效应发射离子推力器较理想的推进剂(见表4)。场效应发射离子推力器是依靠高压静电场离化液体铯、铟和铷并加速带电离子产生推力,因此具有高比冲、低推力、寿命长、控制简便、控制精度高、振动小、反复开关性能好等推进技术等特点^[15],但缺点是液态碱金属的使用会对许多航天器表面造成潜在的沉积及污染。近年来,欧洲空间局正在研究将铯、铟和铷应用到小卫星的控制上。

在上世纪60年代,美国就开始发展以导电液体如甘油、碘化纳为推进剂工质的胶体推力器,由于这种推力器使用的是稀有气体作为推进剂,有利于长时间的储存并且能适用于长期的任务。同时该推力器比冲较高,能提供较宽的推力和比冲范围,是一种可应用于微小卫星的非常有发展前景的推进系统。计划于2017年发射的美国的“利萨”探路者航天器,将采用美国Busek公司和意大利ALTA公司研制的胶体电推进来完成超精确无拖曳控制^[16]。

表4 液体工质的参数
Tab.4 Parameters of partial liquid working mediums

目前,在所有的电推进的气体工质中,氩气、氙气及氪气等稀有气体由于化学性质较稳定、无毒、不易爆炸、不会对贮箱和管路造成腐蚀,逐渐取代传统的一些有毒物质作为推进剂应用于电推进。这些稀有气体用于电推进工质的都有严格的技术指标要求^[17],美国宇航局采购的用于离子推进的氙气指标如表5所示。1992年,俄罗斯鲍曼莫斯科国立技术大学研究者建立一个专门生产超高纯度氪和氙气的工厂,生产出的氪和氙气的纯度能达99.999 99%,而杂质的含量不到0.000 01%。

1965年美国以氮气为推进剂,在卫星上首次使用电阻加热推力器作姿态控制,推力可达2 000 mN,比冲1 210 m/s。1972年,苏联用氙气为推进剂工质,在流星号气象卫星上,首次使用2台静态等离子体推力器进行了轨道调整试验。1998年,NASA将离子引擎作为主力推进系统的深空一号探测飞船采用氙气为推进剂,飞行时间达16 265 h; 深空一号的成功发射,标志着航天史上电推进首次作为主推进剂应用在深空飞行中^[18]。2003年,日本发射的隼鸟号航天器以氙气为工质,装载4台微波等离子体电推进系统,消耗氙气47 kg,在整个飞行任务中离子电推进系统累计工作39 637 h,成功完成了采样返回任务; 2007年美国发射的黎明号航天器也是以氙气为工质,装载3台 NSTAR-30 离子电推进系统完成了对主带小行星灶神星和谷神星科学探测的主推进任务,见图2。不仅如此,以氙气和氪气为工质的霍尔推力器发展到现在已经具有SPT-25、SPT-50、SPT-70及SPT-100等多种型号^[19],也是迄今在空间用得最多的电推力器之一。美国ERC公司的在 SPT-100 推力器上,以氙气和氪气为推进剂进行了试验研究结果表明:氪气推力器的性能不如用氙气,在额定工作下,氪气的比冲低于氙气,并且效率降低8%,这是由于氙气的原子量和密度要高于氪气,并且电离能要低于后者,具体参数见表6。

表5 用于离子电推进的氙气指标
Tab.5 Specifications of xenon used for ion electric propulsion

图2 黎明号离子推力器
Fig.2 Ion thruster in Dawn

表6 稀有气体工质的参数
Tab.6 Parameters of rare gas working mediums

电推进一般选用原子量高,熔点低、密度大、蒸气压和逃逸能低的作为工质,同时也要综合考虑其毒性、价格等因素,当前电推进工质可以分为气体工质、液体工质和固体工质3大类。气体作为工质比冲高和可控性好,但由于贮存容器过大并且容易泄漏; 固体工质易储存、无泄漏,但工质有严重碳化现象、热破坏性强以及工质的延时蒸发和大粒子发射等问题造成推进剂的比冲小。而液体作为工质时具有安全,比冲较大,效率高,可控性好等优点。不同类型的工质各有利弊,工质的选择需要从未来工程实际应用的角度出发,选择容易储存和能量密度较高的推进剂工质。

近年来,我国的电推进也在飞速发展。目前,国内研究比较多的电推进类型是霍尔电推进和离子电推进,并且这两种电推进采用的工质主要是氙气,氙气等气体作为工质虽然推功比大,比冲高和可控性好,但由于贮存容器过大并且容易泄漏,不适用在轨微星姿态的精确控制和调整。目前为止,国内对其他类型的电推进工质的研究和报道却较少,而工质作为电推进的一部分,其对电推进整体性能的影响不容忽视。因此,加强对电推进工质等基础理论的研究,对提升我国电推进水平,提高我国航天技术水平在国际上的影响力奠定基础。