電推進系統，也稱電推進發動機，其工作原理是先將氙氣等惰性氣體轉化為帶電離子，然后把這些離子加速并噴出以產生推進力，進而完成航天器的姿態控制、軌道修正和軌道維持等任務。

概述

（一）定義

1.電推進器

電推進器是利用電能加熱或電離推進劑并加速噴射而產生推力的一種反作用式推力器。

2.電推進系統

也稱電火箭發動機，是一種不依賴化學燃燒就能產生推力的設備，航天器的電推進系統由電推力器、電源子系統、電源變換器和控制子系統、推進劑儲存和輸送子系統組成，其中電推力器是電推進系統的核心子系統。

電推進的“電”是相當于化學推進而言；傳統的化學推進系統則是通過化學反應將化學能轉化為機械能。電推進系統利用太陽能轉化為電能，然后電能轉化為機械能。

電推進系統主要由三部分組成：電源處理系統（Power Processor Unit, PPU）、推進劑儲存與供給系統和電推力器，其典型配置如圖所示：

圖|電推進系統典型結構圖

（二）分類

按照工質加速原理的不同方式，電推進系統大致可分為以下三種：電熱式、靜電式和電磁式三種類型：

圖|電推進技術路線

1.電熱式

電熱推進（Electro-thermal）顧名思義，是利用電能加熱工質并使其氣化，經噴管膨脹加速噴出產生推力。這最接近于傳統化學火箭的電推進方式。一般又可分為電阻加熱式、電弧加熱式和微波加熱式。其中，電阻加熱的原理是利用電阻加熱器加熱工質，常用工質為肼。

2.靜電（離子）式

靜電式推力器是利用電能在靜電場中離解工質形成電子和離子，并使離子在靜電場作用下加速排出。

圖|離子推力器電離區和加速區分開，比沖高但技術復雜。

3.電磁式

電磁式推力器是利用電能使工質形成等離子體，在外加電磁場洛倫茲力作用下加速從噴管噴出。

霍爾推進系統是電磁式推進系統一種，是當前熱門的兩種電推進之一。霍爾推力器的原理是將電子約束在磁場中，并利用電子電離推進劑，加速離子產生推力，并中和羽流中的離子。

霍爾推力器的電離區和加速區在同一處，和離子推力器相比，技術簡單但比沖低。霍爾效應是電磁效應的一種，是美國物理學家霍爾研究金屬的導電機制時發現的。當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應使用左手定則判斷。霍爾推進器中的陷阱電子置于磁場中可電離所攜帶的推進劑。霍爾推進器包括穩態等離子體推進器(也叫做霍爾效應推進器)和帶陽極層推進器(TAL)兩種。

霍爾推進器是一種先進的電推進裝置，被廣泛應用在衛星位置保持和姿態控制領域，并以其結構簡單、高比沖(在 10s 數量級上)、高效率(可達 60%以上)等優點成為未來空間飛行器的首選推進裝置之一。霍爾推進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。霍爾推進器主要由兩個部分組成，空心陰極和霍爾加速器，其中空心陰極是霍爾推進器的“心臟”部位，主要承擔著點火和羽流中和的任務，是決定電推進系統性能的關鍵組件；霍爾加速器提供推進劑電離、加速區域產生推力。霍爾推力器的壽命則是由兩個部分的壽命綜合來決定的。

霍爾加速器的壽命可以通過短時間的磨損試驗來估測，但是空心陰極的壽命，還沒有有效的估測方法。它必須通過1:1的地面壽命來試驗，因此空心陰極壽命技術的突破，是霍爾推進系統進入全面應用的基礎和前提。按照當前電推進技術路線達到的功率等級，可以做如下分類：

（三）特點

電推進相比傳統化學推進有比沖高、省燃料、增加有效載荷等優點。

1.比沖高

傳統的化學推進方式通過推進工質的化學反應釋放能量使之產生反推力，其比沖范圍一般在250~530s之間，代表性技術有單組元推進、雙組元推進等。而電推進方式利用電能加熱或電離推進工質并使之加速噴出產生推力，最高比沖可達10000s，具備更輕的推進劑質量和更高的比沖量。

2.壽命長

由于比沖高，效率高，省去化學系統中復雜的推進設備，可以攜帶更多的有效載荷或減少攜帶的燃料，可以延長推進系統和衛星的壽命。

3.小推力、精度高

由于電推進能源來源于太陽能，功率有限，產生的速度大，推力小，但是可以長時間航行，另外電推進系統引起的振動小，控制精度高。

4.結構簡單

相較化學推進，電推進還有一個顯著優點是不再需要使用固體或液體燃料，省去了復雜的儲罐、管道、發動機燃燒室、噴管、相應冷卻機構等，能大幅減少航天器的燃料攜帶量，從而大幅降低火箭、衛星等航天器的自重。

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