電推進(jìn)工質(zhì)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

申連華，張 星，陳 藝，梁 棟，游 岳，孫海云，劉朝陽

(1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.航天綠色推進(jìn)劑研究與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074)

電推進(jìn)工質(zhì)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)

申連華1,2，張 星1,2，陳 藝1,2，梁 棟1,2，游 岳1,2，孫海云1,2，劉朝陽1,2

(1.北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所，北京 100074；2.航天綠色推進(jìn)劑研究與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100074)

簡(jiǎn)述電推進(jìn)的原理及優(yōu)勢(shì)，介紹了電推力器的種類(電磁式、電熱式和靜電式)和電推進(jìn)工質(zhì)的分類(固體、氣體和液體三類)，并對(duì)各類工質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行了概述。固體工質(zhì)易儲(chǔ)存、無泄漏，但有嚴(yán)重碳化現(xiàn)象及比沖小；氣體工質(zhì)比沖高和可控性好，但貯存容器過大、容易泄漏；液體工質(zhì)比沖大，效率高，可控性好等。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了國外電推進(jìn)工質(zhì)的研究應(yīng)用情況。最后結(jié)合當(dāng)前材料研究前沿，對(duì)離子液體、納米顆粒、超臨界流體及傳統(tǒng)工質(zhì)修飾改性材料等作為電推進(jìn)工質(zhì)的前景進(jìn)行了展望。

電推進(jìn)；工質(zhì)；電磁式推力器；電熱式推力器；靜電式推力器

0 引言

電推進(jìn)指通過電能加熱工質(zhì)，使其發(fā)生解離和加速，形成高速射流從而產(chǎn)生反作用推力的技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)相比，電推進(jìn)由于突破了推進(jìn)劑化學(xué)內(nèi)能的約束，其比沖可以比化學(xué)推進(jìn)的比沖高一個(gè)數(shù)量級(jí)(見表1)，因此完成相同任務(wù)所攜帶的推進(jìn)劑就可以大大減少，從而可以增加航天器的有效載荷比、延長(zhǎng)工作壽命并且節(jié)約發(fā)射成本。近年來，隨著高效太陽能和核能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到航天領(lǐng)域，電推進(jìn)的比沖還將繼續(xù)增加。除了以上優(yōu)點(diǎn)外電推進(jìn)還具有推力小、控制精度高、壽命長(zhǎng)、安全性能好及推力調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此電推進(jìn)在用作航天器的姿態(tài)控制、軌道控制、深空探測(cè)主推進(jìn)及無拖曳控制等具有廣泛的前景。

電推進(jìn)概念雖然是由美國的Robert H Goddard在20世紀(jì)初最先提出的[2-3]，但是直到20世紀(jì)50年代，電推力器的工程應(yīng)用研究才獲得開始。從1931年蘇聯(lián)列寧格勒電推進(jìn)研究小組研制出世界上第一臺(tái)電推進(jìn)器開始，到2015年3月美國波音公司的兩顆全電推進(jìn)衛(wèi)星(亞洲廣播衛(wèi)星-3A和歐洲通信衛(wèi)星115西B)升空[4]，經(jīng)過80多年的發(fā)展，電推進(jìn)新技術(shù)不斷擴(kuò)展，空間電推進(jìn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)為了適用新技術(shù)發(fā)展的需要，電推進(jìn)工質(zhì)種類和數(shù)量也在不斷增多，從最初的液態(tài)汞和銫，到目前廣泛應(yīng)用的肼、聚四氟乙烯、氙氣和氪氣及極具有應(yīng)用前景的納米顆粒、離子液體，超臨界流體等，電推進(jìn)必將成為未來各國競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

表1 電推進(jìn)和化學(xué)推進(jìn)的比沖和推力對(duì)比Tab.1 Comparison between electric propulsion and chemical propulsion in aspects of the specific impulse and thrust

1 電推進(jìn)的分類

1.1電推力器的類型

電推進(jìn)根據(jù)加速工質(zhì)的方式不同，可分為電磁式、電熱式和靜電式三種類型[5]。電磁式推力器是氣體工質(zhì)被電離后在周圍磁場(chǎng)作用下，受洛倫茲力，從噴管加速噴出，產(chǎn)生推力。電磁推力器的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟、比沖較高、壽命長(zhǎng)等。主要包括磁等離子推力器、脈沖感應(yīng)推力器、脈沖等離子體推力器和可變比沖等離子體推力器等。

電熱式推力器是指通過對(duì)工質(zhì)加熱使其發(fā)生分解，再經(jīng)噴管加速排出產(chǎn)生推力。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、安全可靠、并且操作和維護(hù)起來比較方便等。電熱式推力器包括電阻加熱推力器、電弧加熱推力器、微波等離子體推力器和太陽熱等離子體推力器等。

靜電式推力器是指通過電能將工質(zhì)離解成離子，離子在靜電場(chǎng)作用下加速飛出產(chǎn)生推力。靜電型推力器的優(yōu)點(diǎn)是比沖較高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊以及技術(shù)成熟等。主要包括電子轟擊式離子推力器、霍爾效應(yīng)推力器、回旋加速諧振離子推力器、場(chǎng)效應(yīng)發(fā)射離子推力器和膠體推力器等。其中霍爾效應(yīng)推力器又可以分為穩(wěn)態(tài)等離子推力器和陰極層推力器。

1.2 電推進(jìn)工質(zhì)的分類

根據(jù)所采用的工質(zhì)(推進(jìn)劑)的狀態(tài)不同，電推進(jìn)的工質(zhì)可以分為固體、液體和氣體三種類型。固體工質(zhì)主要有：聚四氟乙烯、聚乙烯、尼龍-6、鋅、鋰、鎘及鉍等[6]；氣體工質(zhì)有氮?dú)狻錃狻⒁谎趸鍤狻㈦瘹饧半礆獾龋灰后w主要有肼、氨、水、乙醇、液體汞、銫、甘油及碘化納等。對(duì)不同的推力器來說其所適用的工質(zhì)也是不同的，如表2所示。下面按工質(zhì)的狀態(tài)對(duì)近年來電推進(jìn)工質(zhì)的的研究情況進(jìn)行介紹。

表2 電推進(jìn)工質(zhì)的類型Tab.2 Types of electric propulsion working medium

2 電推進(jìn)工質(zhì)的研究進(jìn)展

2.1 固體工質(zhì)

在20世紀(jì)50年代末，Bostick W.H.首先提出將金屬作為推進(jìn)劑用于脈沖等離子體推力器，但噴射流的沉積物導(dǎo)電性不理想并且容易產(chǎn)生羽流污染[7]；采用氮?dú)夂蜌鍤獾葰鈶B(tài)工質(zhì)推進(jìn)劑時(shí)，但由于推進(jìn)劑利用效率低并且快速動(dòng)作控制閥門不易解決，應(yīng)用受到限制。直到找到了固體聚四氟乙烯并將其作為脈沖等離子體推力器工質(zhì)，聚四氟乙烯等離子體推力器便登上了空間應(yīng)用的舞臺(tái)。這是由于固體聚四氟乙烯具有蒸氣壓低、穩(wěn)定性好，無毒、廉價(jià)、容易獲得、良好的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能等優(yōu)點(diǎn),并且在300～500 ℃的溫度作用下，能直接升華成氣體，不易碳化。聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器誕生后便很快獲得了應(yīng)用，成為第一個(gè)應(yīng)用于航天器控制的電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，該推力器主要有同軸電極型和平行軌道電極型兩種結(jié)構(gòu)[8]，其中同軸結(jié)構(gòu)，推力大，比沖稍低，而平行軌道電極型的推進(jìn)劑供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比沖高。

1964年，前蘇聯(lián)以采用聚四氟乙烯為推進(jìn)劑工質(zhì)，在自動(dòng)行星際站宇宙探測(cè)器上裝載了脈沖等離子體推力器，該推力器利用太陽電池帆板對(duì)太陽定向，這也是世界上最早在航天器上成功應(yīng)用的電推進(jìn)系統(tǒng)。1966年，美國發(fā)射的林肯實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星以聚四氟乙烯為推進(jìn)劑，使用6臺(tái)脈沖等離子體推力器發(fā)動(dòng)機(jī)，做東西位保控制；在上世紀(jì)70年代，美國空軍研制了放電能量達(dá)750 J的毫磅級(jí)推力的聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器用于同步衛(wèi)星的南北位保控制，并且在1981～1988年陸續(xù)將聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器海軍子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星用作軌道修正和阻力補(bǔ)償任務(wù)。2007年，美國將脈沖等離子體推力器電推進(jìn)應(yīng)用到 FalconSat-3小衛(wèi)星上來進(jìn)行姿態(tài)控制。我國于1970年研制的放電能量為4J的MDT-2A推力器(圖1)，并于1981年用彈道火箭進(jìn)行了首次聚四氟乙烯脈沖等離子體推力器的空間飛行試驗(yàn)并獲得圓滿成功[9]。

隨后，為了進(jìn)一步提高工質(zhì)分解產(chǎn)物的電導(dǎo)率，改善脈沖等離子體推力器性能，學(xué)者們也嘗試將聚乙烯，尼龍-6等代替聚四氟乙烯作為工質(zhì)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想，其從總體性能上并不如聚四氟乙烯，部分工質(zhì)的參數(shù)見表3所示。俄羅斯學(xué)者 L.N. Lesnevsky 認(rèn)為用金屬鋰和鎘作推進(jìn)劑，脈沖性能參數(shù)比氣體和氟塑料推進(jìn)劑的裝置穩(wěn)定，并且由于金屬單位質(zhì)量離化能耗低，可在1 000 ℃以上的高電極溫度下工作，因此可實(shí)現(xiàn)大推力、高功率運(yùn)行，為此進(jìn)行了深入的研究[10]。

近年來，日本東京計(jì)量技術(shù)研究所正在研究將60C代替氙氣作推進(jìn)劑應(yīng)用到電子轟擊式離子推力器的可行性。Michigan 技術(shù)大學(xué)在 BPT-2 000 推力器上進(jìn)行了鎂和鋅輕金屬推進(jìn)劑性能試驗(yàn)。Busek公司測(cè)試了以碘作為推進(jìn)劑的霍爾推力器性能，結(jié)果表明：在9 kW范圍的其性能超過氙氣推進(jìn)劑。2003年NASA開展了以鉍為推進(jìn)劑的高功率霍爾推力器，并于2005年進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)，結(jié)果表明：20 kW的鉍為工質(zhì)的霍爾推力器首次點(diǎn)火成功，比沖達(dá)到蘇聯(lián)水平[11]。目前，美國正在對(duì)以鋰和鉀為工質(zhì)的磁等離子體動(dòng)力學(xué)推力器進(jìn)行研究試驗(yàn)，它是通過在電極間施加向電流，使鋰和鉀等工質(zhì)受熱氣化形成等離子體，等離子體在磁場(chǎng)作用下加速噴出，產(chǎn)生推力。與大多數(shù)電推力器相比，其特點(diǎn)是推力大、比沖高(10～40 kN(s·kg)-1)、推力密度大和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。可用于未來大型航天器的姿控和軌控， 也可用作深空的主推進(jìn)器。

表3 部分固體工質(zhì)的參數(shù)Tab.3 Parameters of partial solid working mediums

2.2 液體工質(zhì)

最早采用的液體推進(jìn)劑有液體汞和銫，由于有毒且產(chǎn)生污染逐漸被其他工質(zhì)取代，在所電推進(jìn)的液體工質(zhì)中，肼作為工質(zhì)廣泛應(yīng)用于電熱式推力器。這是由于一方面肼經(jīng)過催化可分解成氫氣、氮?dú)夂桶保粌H可以提供給下游的電推力器作為推進(jìn)工質(zhì)使用并且肼分解放出的能量也增加了電推力器的比沖；另一方面肼可以與化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)共用一套貯箱及管路輸送系統(tǒng)，從而能簡(jiǎn)化火箭結(jié)構(gòu)、減輕其質(zhì)量[12]。美國研究人員研制的肼電弧推力器的電功率達(dá)1.8 kW，比沖5 kN(s·kg)-1，目前，已在“國際通訊衛(wèi)星-8”等地球同步衛(wèi)星上執(zhí)行位置保持任務(wù)。日本將研制的推力為0.13 N，比沖為560 s的肼電弧推力器用于對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星。

針對(duì)現(xiàn)有以固體聚四氟乙烯作為工質(zhì)的脈沖等離子體推力器推進(jìn)劑利用率和推進(jìn)效率低的問題，科學(xué)家嘗試將液體工質(zhì)用于脈沖等離子體推力器，然而采用液體工質(zhì)進(jìn)給脈沖等離子體推力器需要一套活動(dòng)的進(jìn)給和入射系統(tǒng)，這會(huì)增加推進(jìn)器的復(fù)雜性，但由于液體工質(zhì)沒有延時(shí)蒸發(fā)和大粒子發(fā)射等問題，并且質(zhì)量流率容易控制、有較低的平均原子或分子重量等優(yōu)勢(shì)[13]，使得液體工質(zhì)進(jìn)給的脈沖等離子體推力器具有更高的推進(jìn)效率。加利福尼亞大學(xué)的Ziemer等人分別將水和氬氣為工質(zhì)對(duì)脈沖等離子體推力器進(jìn)行了性能對(duì)比測(cè)試，結(jié)果表明：水比氬氣作為工質(zhì)具有更高的推進(jìn)效率，同時(shí)水作為一種安全無毒的推進(jìn)劑工質(zhì)，可以飲用也可以作為燃料，因此在載人航天器上可以共享一個(gè)貯存系統(tǒng)，同時(shí)也能充分利用空間站上產(chǎn)生的大量廢水作為工質(zhì)，減少地面向空間站補(bǔ)給推進(jìn)劑的運(yùn)輸量，從而能大大節(jié)約成本和空間，然而缺點(diǎn)是水電阻加熱推力器比沖偏低，只有200 s左右。2003年，由SSTL研制的水電阻加熱推力器首次在災(zāi)害檢測(cè)衛(wèi)星上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)[14]。

由于銫、銦和銣等金屬具有高的原子質(zhì)量、低的熔點(diǎn)和逃逸能成為場(chǎng)效應(yīng)發(fā)射離子推力器較理想的推進(jìn)劑(見表4)。場(chǎng)效應(yīng)發(fā)射離子推力器是依靠高壓靜電場(chǎng)離化液體銫、銦和銣并加速帶電離子產(chǎn)生推力，因此具有高比沖、低推力、壽命長(zhǎng)、控制簡(jiǎn)便、控制精度高、振動(dòng)小、反復(fù)開關(guān)性能好等推進(jìn)技術(shù)等特點(diǎn)[15]，但缺點(diǎn)是液態(tài)堿金屬的使用會(huì)對(duì)許多航天器表面造成潛在的沉積及污染。近年來，歐洲空間局正在研究將銫、銦和銣應(yīng)用到小衛(wèi)星的控制上。

在上世紀(jì)60年代，美國就開始發(fā)展以導(dǎo)電液體如甘油、碘化納為推進(jìn)劑工質(zhì)的膠體推力器，由于這種推力器使用的是稀有氣體作為推進(jìn)劑，有利于長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)存并且能適用于長(zhǎng)期的任務(wù)。同時(shí)該推力器比沖較高，能提供較寬的推力和比沖范圍，是一種可應(yīng)用于微小衛(wèi)星的非常有發(fā)展前景的推進(jìn)系統(tǒng)。計(jì)劃于2017年發(fā)射的美國的“利薩”探路者航天器，將采用美國Busek公司和意大利ALTA公司研制的膠體電推進(jìn)來完成超精確無拖曳控制[16]。

表4 液體工質(zhì)的參數(shù)Tab.4 Parameters of partial liquid working mediums

2.3 氣體工質(zhì)

目前，在所有的電推進(jìn)的氣體工質(zhì)中，氬氣、氙氣及氪氣等稀有氣體由于化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定、無毒、不易爆炸、不會(huì)對(duì)貯箱和管路造成腐蝕，逐漸取代傳統(tǒng)的一些有毒物質(zhì)作為推進(jìn)劑應(yīng)用于電推進(jìn)。這些稀有氣體用于電推進(jìn)工質(zhì)的都有嚴(yán)格的技術(shù)指標(biāo)要求[17]，美國宇航局采購的用于離子推進(jìn)的氙氣指標(biāo)如表5所示。1992年，俄羅斯鮑曼莫斯科國立技術(shù)大學(xué)研究者建立一個(gè)專門生產(chǎn)超高純度氪和氙氣的工廠，生產(chǎn)出的氪和氙氣的純度能達(dá)99.999 99%，而雜質(zhì)的含量不到0.000 01%。

1965年美國以氮?dú)鉃橥七M(jìn)劑，在衛(wèi)星上首次使用電阻加熱推力器作姿態(tài)控制，推力可達(dá)2 000 mN，比沖1 210 m/s。1972年，蘇聯(lián)用氙氣為推進(jìn)劑工質(zhì)，在流星號(hào)氣象衛(wèi)星上，首次使用2臺(tái)靜態(tài)等離子體推力器進(jìn)行了軌道調(diào)整試驗(yàn)。1998年，NASA將離子引擎作為主力推進(jìn)系統(tǒng)的深空一號(hào)探測(cè)飛船采用氙氣為推進(jìn)劑，飛行時(shí)間達(dá)16 265 h；深空一號(hào)的成功發(fā)射，標(biāo)志著航天史上電推進(jìn)首次作為主推進(jìn)劑應(yīng)用在深空飛行中[18]。2003年，日本發(fā)射的隼鳥號(hào)航天器以氙氣為工質(zhì)，裝載4臺(tái)微波等離子體電推進(jìn)系統(tǒng)，消耗氙氣47 kg，在整個(gè)飛行任務(wù)中離子電推進(jìn)系統(tǒng)累計(jì)工作39 637 h，成功完成了采樣返回任務(wù)；2007年美國發(fā)射的黎明號(hào)航天器也是以氙氣為工質(zhì)，裝載3臺(tái) NSTAR-30 離子電推進(jìn)系統(tǒng)完成了對(duì)主帶小行星灶神星和谷神星科學(xué)探測(cè)的主推進(jìn)任務(wù)，見圖2。不僅如此，以氙氣和氪氣為工質(zhì)的霍爾推力器發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)具有SPT-25、SPT-50、SPT-70及SPT-100等多種型號(hào)[19]，也是迄今在空間用得最多的電推力器之一。美國ERC公司的在 SPT-100 推力器上，以氙氣和氪氣為推進(jìn)劑進(jìn)行了試驗(yàn)研究結(jié)果表明：氪氣推力器的性能不如用氙氣，在額定工作下，氪氣的比沖低于氙氣，并且效率降低8%，這是由于氙氣的原子量和密度要高于氪氣，并且電離能要低于后者，具體參數(shù)見表6。

表5 用于離子電推進(jìn)的氙氣指標(biāo)Tab.5 Specifications of xenon used for ion electric propulsion

電推進(jìn)一般選用原子量高，熔點(diǎn)低、密度大、蒸氣壓和逃逸能低的作為工質(zhì)，同時(shí)也要綜合考慮其毒性、價(jià)格等因素，當(dāng)前電推進(jìn)工質(zhì)可以分為氣體工質(zhì)、液體工質(zhì)和固體工質(zhì)3大類。氣體作為工質(zhì)比沖高和可控性好，但由于貯存容器過大并且容易泄漏；固體工質(zhì)易儲(chǔ)存、無泄漏，但工質(zhì)有嚴(yán)重碳化現(xiàn)象、熱破壞性強(qiáng)以及工質(zhì)的延時(shí)蒸發(fā)和大粒子發(fā)射等問題造成推進(jìn)劑的比沖小。而液體作為工質(zhì)時(shí)具有安全，比沖較大，效率高，可控性好等優(yōu)點(diǎn)。不同類型的工質(zhì)各有利弊，工質(zhì)的選擇需要從未來工程實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，選擇容易儲(chǔ)存和能量密度較高的推進(jìn)劑工質(zhì)。

近年來，我國的電推進(jìn)也在飛速發(fā)展。目前，國內(nèi)研究比較多的電推進(jìn)類型是霍爾電推進(jìn)和離子電推進(jìn)，并且這兩種電推進(jìn)采用的工質(zhì)主要是氙氣，氙氣等氣體作為工質(zhì)雖然推功比大，比沖高和可控性好，但由于貯存容器過大并且容易泄漏，不適用在軌微星姿態(tài)的精確控制和調(diào)整。目前為止，國內(nèi)對(duì)其他類型的電推進(jìn)工質(zhì)的研究和報(bào)道卻較少，而工質(zhì)作為電推進(jìn)的一部分，其對(duì)電推進(jìn)整體性能的影響不容忽視。因此，加強(qiáng)對(duì)電推進(jìn)工質(zhì)等基礎(chǔ)理論的研究，對(duì)提升我國電推進(jìn)水平，提高我國航天技術(shù)水平在國際上的影響力奠定基礎(chǔ)。

3 未來趨勢(shì)

目前，為滿足軌道轉(zhuǎn)移及深空探測(cè)等未來應(yīng)用需求，電推進(jìn)正向著高功率方向發(fā)展。一方面，隨著近年來核能發(fā)電技術(shù)和太陽能供電技術(shù)的大力發(fā)展，許多成熟高效的綠色新能源技術(shù)逐漸被應(yīng)用在電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，能源轉(zhuǎn)化效率由過去的20%～30%上升到60%～70%以上，電推進(jìn)功率也能基本覆蓋從近地推進(jìn)、深空探測(cè)到空間姿態(tài)調(diào)整等從小到大不同應(yīng)用場(chǎng)合的功率需求，并且這種綠色能源來源廣泛，可持續(xù)性強(qiáng)[20]。此外，大功率、高電壓、快速充放電的新型超級(jí)電容器的發(fā)展也為電推進(jìn)技術(shù)中工質(zhì)的快速高效電離提供了另一種途徑。另一方面，除了電力能源發(fā)展以外，以新型離子液體為代表的高性能工質(zhì)的不斷出現(xiàn),也為高功率大比沖電推進(jìn)技術(shù)的研發(fā)提供了可能。

離子液體是有機(jī)陽離子和陰離子通過靜電作用結(jié)合形成的有機(jī)鹽類，其蒸汽壓幾乎忽略不計(jì)。離子液體的這種特殊結(jié)構(gòu)滿足其作為電推進(jìn)工質(zhì)的所有要求，并且由于離子液體的粘度極低可以大大減小噴管堵塞。此外，由于離子液體較強(qiáng)的可調(diào)控性，通過改變陽離子和陰離子的種類可以組合出上千種不同性能的離子液體，這些離子液體通常具有較高的能量密度和穩(wěn)定性，這也為其作為電推進(jìn)工質(zhì)的未來發(fā)展之路奠定了基礎(chǔ)。另外，除了純離子液體化合物作為工質(zhì)的研究之外，還有學(xué)者開始探究離子化基團(tuán)修飾的石墨烯納米衍生物、碳納米管包合金屬顆粒與等離子體、離子液體以及肼、氙、氨等傳統(tǒng)工質(zhì)中形成復(fù)合工質(zhì)來進(jìn)一步提升電推進(jìn)工質(zhì)的綜合性能。由于離子化基團(tuán)修飾納米顆粒優(yōu)良的分散性和穩(wěn)定性，其復(fù)合工質(zhì)繼承了納米顆粒的這一優(yōu)勢(shì)并且有助于提高工質(zhì)的運(yùn)行穩(wěn)定性和提高能量效率。除此之外，還有學(xué)者考慮將超臨界流體這一新型的物質(zhì)形態(tài)應(yīng)用于電推進(jìn)技術(shù)中。通過改變壓力和溫度可以將傳統(tǒng)的工質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻殡姵?shù)、密度、粘度等物理化學(xué)性質(zhì)超乎尋常的超臨界流體，這種超臨界流體在電離以及場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方面可能有著特殊的優(yōu)勢(shì)，這一前沿領(lǐng)域也在逐步引起歐美俄等航天強(qiáng)國的關(guān)注和研究。

4 結(jié)束語

近年來，隨著人類航天任務(wù)需求的不斷增加，電推進(jìn)技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展，一方面新的電推進(jìn)技術(shù)也層出不窮包括：氣體動(dòng)力鏡推力器、真空弧推力器、吸氣電磁推進(jìn)、雙極PPT及無電極等離子體等；另一方面， 核電和太陽能等許多成熟高效的綠色新能源技術(shù)逐漸被應(yīng)用在電推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。為了適應(yīng)這些新技術(shù)的需要，電推進(jìn)的工質(zhì)也不斷增多。一方面研究者不斷探索和嘗試將新的工質(zhì)用于電推進(jìn)，包括氪氣、氮?dú)狻⒌狻㈡V、鉍、離子液體、納米顆粒、碳納米管、石墨烯衍生物及超臨界流體等，其中有些已經(jīng)工程應(yīng)用階段，有的還處于試驗(yàn)階段；另一方面，在傳統(tǒng)工質(zhì)的基礎(chǔ)上經(jīng)過改性、修飾及將傳統(tǒng)工質(zhì)與新的工質(zhì)進(jìn)行復(fù)合形成的復(fù)合工質(zhì)兼具多種工質(zhì)優(yōu)異的特性，因此，通過對(duì)電推進(jìn)工質(zhì)進(jìn)行篩選和優(yōu)化，進(jìn)而提高電推進(jìn)的性能，推動(dòng)人類電推進(jìn)水平再上新臺(tái)階。

目前已經(jīng)應(yīng)用電推進(jìn)的國家包括美國、俄羅斯、歐洲、日本等，在電推進(jìn)的研究和應(yīng)用方面都獲得了巨大成功，不同類型和不同特點(diǎn)的電推進(jìn)在空間航天器上都獲到了廣泛應(yīng)用。中國、韓國及以色列等國家正在制定或?qū)嵤╇娡七M(jìn)應(yīng)用計(jì)劃。目前我國在電推進(jìn)技術(shù)上與美國和俄羅斯等還有較大差距，針對(duì)目前國內(nèi)電推進(jìn)研究仍處于基礎(chǔ)研究和總體設(shè)計(jì)研究的發(fā)展現(xiàn)狀，只有加大投入，促進(jìn)合作，才能縮短與世界領(lǐng)先水平的差距。

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Research progress and development trend ofworking medium for electric propulsion

SHEN Lianhua1,2， ZHANG Xing1,2， CHEN Yi1,2， LIANG Dong1,2， YOU Yue1,2， SUN Haiyun1,2，LIU Chaoyang1,2

(1.Beijing Institute of Aerospace Testing Technology， Beijing 100074， China; 2.Beijing Key Laboratory of Research and Application for Aerospace Green Propellant， Beijing 100074, China)

The basic principle and primary characteristic of electric propulsion are described briefly. The types of electric thruster and classification of electric propulsion working medium are introduced. The features of various working mediums are summarized. Solid working medium is easy to store and has no leakage， but has a serious carbonization phenomenon and low specific impulse. Gas working medium has a good controllability and high specific impulse， but needs large storage container and is easy to leak. Liquid working medium has high efficiency， good controllability and high specific impulse. On this basis， the research and application situations of electric propulsion working medium in China and foreign countries are discussed emphatically. In combination with materials in current research front， the development prospect of ionic liquids， nano-particles， supercritical fluids and traditional propellant modified materials used as electric propulsion working medium is also discussed.

electric propulsion；working medium；electromagnetic thruster；electrothermal thruster；electrostatic thruster

2016-03-31；

2017-07-06

申連華(1988—)，男，碩士，研究領(lǐng)域?yàn)橥七M(jìn)劑

V513-34

A

1672-9374(2017)06-0007-07

(編輯：馬 杰)