美国霍尔推进器发展现状

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来源：装备参考   作者：竹山草

霍尔推进器是一种结构简单又具备高比冲和高效率的等离子推进器，虽然推力小但飞行器可源源不断获取太阳能帮助卫星、空天飞机等航天器进行调资、换轨等任务。而且航天器采用霍尔推进器后也可大幅降低燃料携带量，载重有限的情况下使用霍尔推进器就成了航天器最佳的选择，它也是航天器进行星际旅行时动力系统的不二之选。

苏联和美国于20世纪60年代起开始研制霍尔推进器，1972年11月，推力20mN的SPT-50霍尔推进器随着苏联“流星”号气象观测卫星的升空正式投入使用，这是人类历史上第一款具备实用价值的霍尔推进器。此后约20年的时间里，苏联又有至少100台霍尔推进器跟随航天器进入太空。美国虽然对霍尔推进器进行了多次测试，但始终未能研制出性能稳定的霍尔推进器。

直到1992年美国才正式与俄罗斯接触，对SPT-100霍尔推进器进行了评估，从这之后美国的霍尔推进器的发展才算正式步入了快车道。1998年，美国“喷气推进”（Aerojet）研制的功率350V（4.5千瓦）、推力270mN的BPT-4000霍尔推进器开始进行测试。此后在BPT-4000霍尔推进器基础上，又研发出了功率为5千瓦的XR-5霍尔推进器。

2009年密歇根大学等离子体动力学和电力推进实验室成功研发出功率为6千瓦的H-6霍尔推进器，H-6是密歇根大学、“爱德华兹空军基地”（AFB）的“空军研究实验室”（AFRL）和“喷气推进实验室”（JPL）共同开发的成果。该推进器的额定设计电压为300V，它使用带有六硼化镧（LaB6）嵌套物的空心阴极，该嵌套物既可以安装在中心也可以安装在外部。内部电磁线圈是一个连续缠绕的螺线管芯，而外部线圈由八个离散的螺线管芯组成，这些离散的螺线管芯串联缠绕并且相隔45度。外极被设计成使得在放电通道内部，磁场在方位角上均匀至小于1高斯。H-6霍尔推进器在300V（6千瓦）时有64％在1950s的比冲击下，在800V（6千瓦）下有70％在3170s的比冲击下。在800V（6千瓦）时为70％，特定脉冲为3170s。

研究人员研究了H-6在5至30 mg/s流速之间的运行，但主要侧重于在300V下以6千瓦运行的20mg/s。H-6已调整到均匀的放电电流和功率水平,在300V电压下，实现6千瓦的功率运行需要20A。氙气在这些运行条件的电流或质量流率仅变化几个百分点（1mg/sXe=1A放电电流），但是在两种情况的差异可能会高达15％。在密歇根大学300V、20mg/s、6.1千瓦的工作条件下，H-6的放电电流为20.3A，在约1900s的特定脉冲下产生397mN的推力。在设计值为300V、20A、6 千瓦的条件下，特定脉冲为1950s，推力为401mN。

▲H-6霍尔推进器

H-9霍尔推进器是单通道磁屏蔽霍尔推力器，额定功率为9千瓦，其设计与其他最新型的霍尔推力器类似。该推进器设计为在300至800V之间工作，中心安装有六硼化镧（LaB6）空心阴极，有高效率（800V时为63％）和特定脉冲（长达2900秒）。

该推进器继承了H-6霍尔推进器的设计传统，而且还采用电磁屏蔽技术，可将推进器壁与等离子体隔离开，从而将使用寿命延长至三个数量级。除了提供研究电磁屏蔽的平台外，H-9霍尔推力器还为研究包括电子传输和设施效应提供了新平台。工作人员已在整个操作台上对推力器进行了节流，并建立起了包括推力、振荡特性和羽流对称性在内的基准性能测量值。

▲H-9霍尔推进器

自2016年首次启动以来，H-9已用于各种实验活动中，以更好地了解霍尔推进器通道中的电子传输。推进器正在进行的工作包括使用激光诱导的荧光和设施效应、等离子体特性二维建模等。

2016年4月NASA与“喷气推进”签订了一份价值6500万美元的合同，内容是“喷气推进”帮助开发、测试和交付5台功率为12.5千瓦的霍尔推进器，新型霍尔推进器可运行约2.3万小时，如此长的运行时间足够飞行器实现火星与地球的往返。2017年7月，PPU顺利通过NASA组织的第一轮测试。

大功率电力推进是将运载火箭的飞行质量降低至现有的50％，可以使人们负担得起的小行星和近地轨道往返。NASA将大功率电力推进器（高达300千瓦）确定为可以执行包括人类太空探索在内的任务工具。2017年美国展示了新型X-3嵌套通道霍尔推进器，采用嵌套通道已被认为是霍尔推进器一种在保持设备尺寸和质量的同时将霍尔推进器功率提高到100 千瓦以上的方法。嵌套通道霍尔推力器的多个排放通道的节流能力远远超过了单通道霍尔推力器的节流能力。这一基本功能使这些设备成为满足NASA需求和目标的系统的理想选择。X-3推进器的直径约为80厘米，重230千克，3个放电通道中的内部和外部分别拥有一个电磁体，而且每个电磁体都是独立控制的。X-3的大功率测试结果表明三通道100千瓦霍尔推进器可提供与大功率单通道推进器相当甚至更高的性能。X-3霍尔推进器在测试中的最大功率达到了102千瓦、最大推力为5.4牛、最大放电电流247A。

▲X-3霍尔推进器正在低功耗运行

“阿波罗核聚变”公司（Apollo Fusion）是从JPL获得的霍尔推进器技术，从而推出了两款功率分别为400瓦（推力24mN）和1400瓦（推力55mN）的霍尔推进器。

实际应用

（1）2010年8月14日，美国“先进超高频”通信卫星首颗星发射成功，这颗卫星搭载BPT-4000霍尔推进器。

（2）2015年5月20日，X-37B搭载第四次飞行任务中XR-5A霍尔推进器就已经完成了测试。

（3）2018年2月22日，SpaceX公司使用“猎鹰-9”火箭成功将2颗“星链”实验卫星发射升空，“星链”卫星同样搭载XR-5霍尔推进器。

（4）2020年3月26日，美国太空部队在联合发射联盟（ULA）阿特拉斯V火箭上成功发射了第六颗AEHF通信卫星，AEHF-6卫星搭载4台XR-5霍尔推进器。

（5）“阿波罗核聚变”（Apollo Fusion）公司于2021年1月26日宣布，该公司获得了订购的一套卫星电力推进系统订单。将为约克航天系统公司正在建造的至少10颗卫星提供星座霍尔推进器。

通过对美国霍尔推进器发展历程的研究，可以发现美国霍尔推进器单台功率已经实现5千瓦到12.5千瓦的跨越，正在向着100千瓦级别进行突破。不过在实际应用时仍以5千瓦的XR-5霍尔推进器为主，大功率的霍尔推进器短期内无法投入使用。