“商用”电推进的兴起与SpaceX成本战略（二）

霍尔电推进的前世今生

Space X从“星链”计划的一开始就坚持使用霍尔电推进（Hall Thruster），而不是美国人自己发明的离子电推进（Ion Thruster）。离子电推进由美国罗伯特·戈达德发明并于1965年完成了在轨验证，是应用很成熟的电推进技术，并且比冲通常比霍尔电推进高；但离子电推进因为有独立的加速离子的栅极结构，电源系统和结构要复杂得多。从上文说到的“商业属性第一”出发，马斯克选择了性价比好的霍尔电推进作为“星链”使用的商用电推进。霍尔电推进是苏联上世纪70年代研发的一种电推进（苏联科学家莫洛佐夫）并于1971年发射升空实现在轨验证。1991年苏联解体后，其霍尔电推进技术转移至美国。美国科学家测试过霍尔电推进后，认为这是一项值得投入大量资源的太空关键技术。图3为美国JPL实验室对苏联霍尔电推进的测试报告，该报告的撰写人John R.Brophy于美国某知名电推进实验室获得博士学位，跟我们团队的一位科学家来自同一个实验室，并且都师同Paul J. Wilbur教授（因对电推进的卓越贡献，Paul J. Wilbur于2015年获得国际电推进学会授予的终身成就奖）。

图1：美国的离子电推进及其复杂的电源系统

图2：苏联第一套霍尔飞行样机系统及霍尔电推进发明人莫洛佐夫

图3：美国对苏联研制的霍尔电推进的测试分析报告

图4：悼念美国Paul J. Wilbur教授

（感谢团队小伙伴提供的照片）

接下来介绍一下霍尔电推进的组成和工作原理。不同于化学推进使用的化学燃料，霍尔电推进主要使用惰性气体作为工质，最常用的是氙气，其他可用工质还包括氪气、氩气、铋和碘等。霍尔电推进系统一般由电推力器头组件、二次电源模块和贮供模块组成。电推力器头组件一般包括环形阳极和空心阴极，阳极包含一个环状的放电腔室、一套气体注入系统（与陶瓷接触的部分也被用作高压电极）和用以生成理想磁场构型的电磁线圈或永磁体；空心阴极可进一步拆分为触持极、电子发射体与加热器。二次电源模块主要用于将卫星一次电转化为二次电，贮供模块用于精准调节进气的压力和流量。

图5：霍尔电推进工作原理及结构

图6：俄罗斯的SPT系列霍尔产品

霍尔电推进点火时，阴极最先启动并产生电子，一部分电子在电场作用下沿电场线进入放电通道，通道内存在与电场正交的磁场，使电子沿周向做霍尔漂移，形成霍尔电流；由阳极流入的中性工质粒子与沿周向漂移的电子发生碰撞被电离成阳离子；由于通道内磁场最强处的电场梯度也最强，阳离子会在放电通道出口附近被电场加速至约15000-80000m/s的速度喷出，从而产生推力。由阴极产生的另一部分电子则会进入喷出的阳离子羽流中，中和带电的喷流，使喷流保持电中性。

为什么马斯克没有使用更成熟的化学火箭发动机作为“星链”的商用动力呢？在比较电推进与化学推进的优缺点时，先给大家介绍一个评价喷气发动机经常用到的概念，比冲。比冲是喷气发动机评估燃料消耗的性能指标。航天器对燃料消耗量非常敏感，天上的卫星现在还无法像地面的车辆一样到加油站“加油”继续跑；一旦耗光“油”就只能“抛锚”，所以卫星的发动机要非常“省油”，才能在天上长时间工作。

比冲的定义为单位时间内消耗的推进剂能产生的推力大小，数学上用公式表达则为推力与消耗工质在海平面上的重力比，或者一个更简单的说法，工质利用率的高低。我们先假设在太空中，真空度足够高以至于在卫星围绕地球旋转时空气阻力可以忽略不计，根据经典的齐奥尔科夫斯基火箭方程（Tsiolkovsky Rocket Equation）

根据公式2，我们可以清晰的看出，比冲，即工质的利用率，与工质的喷气速度成正比关系，既喷气速度越高，比冲越高。我们可以进一步对公式1进行整理积分

根据公式5我们可以看出对于相同的卫星任务，即相同的，喷气速度越大，发动机点火后和点火前卫星重量差异就越小，即消耗的工质质量越小，从而工质利用率越高。至此我们清楚地解释了为什么比冲又被称为工质利用率。

根据上述分析，我们知道比冲越高代表发动机的喷气速度越快，消耗同等质量的燃料能产生更大的推力或者获得更大的冲量。化学推进比冲达到340s后就难以大幅提升了，而电推进能够突破传统化学推进的比冲极限，可高达2000～5000s，是化学推进的10倍左右。因此应用电推进完成同样冲量任务所需的燃料质量会比化学推进少得多；换句话说，使用同样的燃料质量，电推进平台卫星在轨寿命会更长。因此，电推进可以给卫星大幅瘦身，降低发射成本并实现一箭更多星的发射；可使卫星搭载更多有效载荷；延长卫星的在轨寿命等，给卫星创造诸多价值。所以高价值的商业卫星平台经历了从“化学推进”平台到“化电混合推进”平台再到当前的“全电推进”平台的发展过程。

图7：波音702SP全电推进卫星平台

以波音702SP全电推进卫星平台为例，该平台的高价值通信卫星的星体结构和设备的总质量为2350kg。如果用肼为燃料，按照传统单组元化学推进方式来把这颗卫星送入地球静止轨道的话，卫星需要携带1650kg燃料，这颗卫星的发射质量将会是4000kg。而现在采用全电推进方式来进入同样的轨道，只需要携带150kg的燃料。加上星体结构和设备的质量，该星的发射质量下降到约2500kg，过去的一箭一星发射可以变为一箭两星发射”，按照每公斤10万的发射成本，电推进取代化学推进后，仅发射费用可节省1.5亿元。

目前经常使用的化学推进，一类是冷气推进，靠压缩气体直接喷出，将工质内能转化为动能；另一类是单组元、多组元化推，靠的是工质在燃烧室内燃烧，将化学能转化为热能，再利用喷管将工质喷出，将热能转化为工质的动能。动能获取的多少（或者说最终喷气速度的大小）就被工质内能或者化学反应产生的热能完全限制了，所以化学推进的比冲相对较小。

表1：不同类型的卫星动力系统特性

那么是否比冲越高越好呢？针对电推系统而言

我们可以看出在功率和效率一定的情况下，比冲越大，电推进的推力反而越小的。推力越小，卫星完成一定速度增量的时间就会越长。那么比冲和推力指标，对于同一个卫星而言，是需要权衡的，特别是在希望快速爬升轨道的任务中。霍尔电推进如此受欢迎的一个原因是与其它类型电推进比，它的比冲和推功比在一个相对合适的区间内。

简单回顾，从第一套霍尔电推进上天的1971年到苏联解体的1991年的20年间，可以算作霍尔电推进技术的“前世”，奠定了霍尔电推进技术的基础和基本型；技术转移至西方后，又经历了“混血”阶段，技术得到了进一步蓬勃发展，包括后来的磁屏蔽技术、六硼化镧阴极技术、中置阴极方案及大功率（几十kW以上）霍尔电推进技术都得益于这段“混血”期的大量研究和技术改进；近年来随着商业航天的兴起，带动了“商用”特征更明显的霍尔电推进技术的兴起和发展，如果以马斯克2019年的“星链”开始组网为标志，可以认为2019年至今是低成本商用电推进的应用和发展期。

作者：遨天科技 小宇宙

下节预告

“商用”电推进的兴起与SpaceX成本战略（三）

马斯克在做什么

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