霍爾推力器點火過程研究現狀及展望

魏立秋，李文博，蔡海闊，孫建寧，楊鑫勇，于達仁

(1. 哈爾濱工業大學能源科學與工程學院，哈爾濱 150001；2. 航天等離子推進技術工業和信息化部重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 引 言

霍爾推力器(Hall thruster，HT)，又稱穩態等離子體推力器(Stationary plasma thruster，SPT)，是一種典型的電推進裝置。由于其具有結構簡單、比沖和效率較高等優點，被廣泛地應用于衛星的南北位保和軌道轉移等空間推進任務[1]。

俄羅斯是最早開展霍爾推力器研究工作和進行空間應用的國家，其綜合技術水平在世界上處于領先地位。俄羅斯研制的霍爾推力器功率范圍很廣(50 W～50 kW)[2]，其典型的代表產品SPT-100是目前在軌運行數量最多的推力器型號[3]。

自20世紀90年代隨著蘇聯的解體和冷戰的結束，霍爾電推進技術迅速擴散進入歐美國家，由于其具備優越的性能，該技術引起了美國眾多研究機構的重視。到目前為止，其典型的產品BPT- 4000被應用于美國A2100地球同步航天器衛星平臺[4]，Busek公司的BHT-200在2006年12月已成功應用于TacSat-2號衛星上[5]。

歐洲針對霍爾推力器進行研究的國家主要是法國[6]，法國涉足霍爾推力器的研究領域始于20世紀90年代初SNECMA公司與俄羅斯Fakel的技術引進合作，通過技術消化和改進，在1996年研制出了性能參數比SPT-100稍高的產品PPS 1350，并將其成功應用于2003年發射的探月衛星SMART-1上[7-10]。

日本對于霍爾推力器的研究起步較晚，但近幾年在工程化研究方面進展較快。各研究機構在中、低功率霍爾推力器的放電特性實驗研究上做了大量的工作[11-13]。

上海空間推進研究所是我國最早開展霍爾推力器研究的單位，該所自行設計了霍爾推力器推力測量地面實驗系統，開展了SPT-70、SPT-100推力器的研究，并開發了和推力器配合使用的鋇鎢空心陰極[14-15]。哈爾濱工業大學于2002年開始，同俄羅斯MIREA大學展開合作，建立了等離子體推進技術實驗室，在該領域上開展了全面的理論和實驗研究工作[16-18]。同時經過和北京控制工程研究所的深度合作，已經成功研制出了HET-100 MF型號工程樣機，并于2016年11月13日隨長征5號火箭首發星發射升空完成在軌驗證試驗[19]。

霍爾推力器穩定工作的前提是確保其可靠點火，尤其在應用于小衛星的編隊飛行任務[20]或高精度的脈寬調制模式時，推力器將頻繁地經歷點火與關機過程[21]。這一瞬態過程關乎到推力器能否穩定運行，如若點火失敗，則一切優化的穩態性能參數將沒有任何意義。并且隨著霍爾推力器逐漸從衛星平臺的輔助推進系統變為主推進系統[22]，一旦點火失效，將對整個衛星平臺帶來不可估量的經濟損失。

因此，對現有的霍爾推力器點火啟動過程研究現狀進行總結，并梳理未來推力器點火啟動過程方面的研究方向很有必要。本文首先對推力器的點火啟動過程進行了詳細地分析，然后對陰極電子源效應對點火啟動過程的影響、點火啟動條件、點火啟動過程、點火過程中出現的沖擊電流及其抑制方法以及點火過程向穩態放電過程轉換進行了詳細的文獻總結，最后，針對未來霍爾推力器的應用和研究方向，給出了推力器點火啟動過程方面的研究展望。

1 霍爾推力器點火啟動過程分析

霍爾推力器的點火電路如圖1所示。霍爾推力器的點火啟動過程主要包括以下幾個步驟：首先對陰極進行供氣并閉合加熱電源開關S4給陰極發射體加熱，使其達到發射電子的溫度；其次，閉合勵磁電源開關S2，對勵磁線圈進行供電，閉合放電電源開關S1給推力器陽極施加電壓并供給工質氣體(通常為氙氣)，在陰極和陽極之間形成軸向電場；然后，閉合點火回路的點火開關S3，瞬間在陰極觸持極上施加一個高電壓，使得陰極發生氣體擊穿點火同時將電子從陰極引出。隨后，從陰極發射的電子會被推力器出口附近強磁場區域的磁力線所捕獲，然后在正交電磁場下做霍爾漂移運動，并通過碰撞和擴散向放電通道內運動。在這個過程中電子會在陰極和陽極之間的軸向電場獲得能量，并會和先前聚集在推力器羽流區和放電通道內的中性氣體發生碰撞電離，產生電子和離子。離子會受到軸向電場的加速作用迅速向推力器出口移動，而這些新產生的電子會繼續向陽極運動并電離工質氣體；最后，在沒有外界條件的限制下，就會發生工質氣體的雪崩電離過程，并形成一個數倍于穩態放電電流的點火沖擊電流，此時霍爾推力器的點火過程就基本結束了，而放電電流會以低頻振蕩的狀態逐漸向穩態放電過程進行過渡。

圖1 霍爾推力器點火回路Fig.1 Ignition circuit of Hall thruster

由上述分析可知，霍爾推力器的點火啟動過程是一個機理復雜且多因素耦合的非定常過程，包括陰極點火、瞬態時刻的電子傳導過程、中性氣體瞬間電離和加速以及等離子體建立和外部電磁場以及濾波回路耦合等過程。推力器點火過程可能會發生異常，如出現陰極啟動失效、點火啟動延遲、點火沖擊電流峰值較大導致放電電源保護熄火等。因此，總結霍爾推力器點火啟動過程中主要的研究點如下：1)陰極電子源效應對點火啟動過程的影響；2)點火啟動條件；3)點火啟動過程及等離子體演化過程；4)點火沖擊電流及其抑制方法；5)點火過程向穩態放電轉換過程。

2 霍爾推力器點火啟動過程研究現狀

2.1 陰極電子源效應對點火啟動過程影響

霍爾推力器的點火啟動過程首先從陰極發射電子開始，而陰極不同的安裝位置和所處的磁場環境會對陰極初始發射的電子進入放電通道的路徑和能量獲取過程產生重要的影響。Ellison等[23]采用一臺Phantom v7.3高速相機得到了點火啟動過程中推力器羽流區正面的圖片。結果顯示，由于陰極的存在導致霍爾推力器的點火圖像存在周向不對稱性。Ermilov等[24]對采用熱發射陰極的非自持放電的霍爾推力器點火過程進行了研究，結果表明在點火時刻，總放電電流可能超過穩定狀態的10～20倍；放電電流的峰值和持續時間取決于陰極的發射能力。并且發現推力器通道中的磁場值對點火電位有一定的影響，當磁場處于某一范圍時，推力器的點火電位存在最小值。

Li等[25]采用高速相機拍照和PIC數值模擬相結合的方法研究了陰極軸向位置改變對霍爾推力器點火啟動過程的影響，發現主要存在兩個方面的差異：1)當陰極軸向位置距離推力器出口平面更近時，點火啟動過程初始階段推力器出口附近產生的離子密度更多；2)當陰極軸向位置距離推力器出口平面更近時，點火啟動過程中的工質雪崩電離過程會提前發生，并且會形成峰值更高的點火沖擊電流。然后，Li等[26]采用高速相機拍照的方法研究了陰極位于不同的磁場環境對推力器點火啟動過程的影響，結果顯示主要存在三個方面的差異:1)在點火初始時刻，與陰極位于磁分界面外相比，陰極位于磁分界面內時陰極和推力器出口附近的光強亮度較弱；2)當點火開始之后，與陰極位于磁分界面外相比，陰極位于磁分界面內可以在陰極出口和推力器內磁極之間看到明顯的等離子體橋現象；3)與陰極位于磁分界面內相比，陰極位于磁分界面外時點火過程向穩態過程轉換中可以觀察到典型的低頻振蕩現象。造成二者點火啟動過程不同的主要原因是陰極和磁分界面相對位置不同使得陰極發射電子傳導的路徑不同。當陰極位于磁分界面內時，陰極發射的電子通過陰極和推力器之間的等離子體橋進入放電通道內部；當陰極位于磁分界面外時，陰極發射的電子首先在磁分界面外做霍爾漂移運動，然后橫向穿越磁力線進入放電通道內部。

同時，Li等[27]通過實驗研究了不同陰極工作參數對霍爾推力器點火電壓閾值的影響，如圖2所示。由圖2(a)～圖2(b)可知，霍爾推力器的點火電壓閾值隨著陰極觸持極電流增大而降低，尤其是陰極流量較大時。由圖2(c)可知，霍爾推力器的點火電壓閾值隨著陰極流量增大而降低；與陰極觸持極電流較低時相比，當陰極觸持極電流較大時，這種降低的效果會更加明顯。造成這種現象的原因主要是由于陰極觸持極電流和質量流量增大導致點火過程中陰極初始發射電子的密度顯著增大。

圖2 陰極工作參數對霍爾推力器點火電壓閾值的影響[27]Fig.2 Effects of cathode operating parameters on the ignition voltage threshold of Hall thrusters[27]

2.2 霍爾推力器點火條件研究

霍爾推力器的點火啟動過程是一個多因素耦合的過程，只有多個因素滿足一定條件下，霍爾推力器才能夠點火成功。Oghienko等[28-29]分析磁場強度、放電電壓和質量流量對推力器點火啟動過程的影響，初步得到了推力器點火電壓與磁場強度和質量流量的理論表達式，并在一臺SPT M-70推力器上進行了實驗驗證。理論和實驗結果均表明，推力器點火電壓與磁場強度成正比，與質量流量成反比。

推力器點火啟動過程中電子雪崩之前，陰極發射的電子與壁面和少量中性粒子碰撞會形成一個微小的電子傳導電流(暗電流)。魏立秋等[30]通過實驗測量了暗電流隨質量流量和勵磁電流的變化特性，如圖3所示。結果顯示，放電電壓越大，質量流量越大，勵磁電流越小，點火前暗電流越大，達到電離雪崩發生的條件時間越短，推力器點火成功機率越大。

圖3 暗電流隨宏觀放電參數變化特性[30]Fig.3 Variation characteristics of dark current with macro discharge parameters[30]

2.3 點火啟動過程及等離子體演化過程研究

當電子進入放電通道內部后，會發生瞬態時刻的電子傳導過程、中性氣體瞬間電離和加速以及等離子體建立過程。這一過程中不同時刻的等離子體參數變化，以及推力器羽流區和放電通道內點火過程的轉化對于整個過程十分重要。Ellison等[23]采用一臺Phantom v7.3高速相機得到了點火啟動過程中推力器羽流區正面的圖片，如圖4所示。結果表明推力器的點火啟動過程約為50 μs，大致可以分為三個不同的階段。第一個階段為0～7 μs，陰極附近的工質氣體首先被電離；第二階段為7～28 μs，工質原子的雪崩電離過程發生；第三階段為28～50 μs，推力器逐漸向穩態放電過程進行轉換。

圖4 霍爾推力器點火羽流區正面圖像[23]Fig.4 Frontal image of Hall thruster ignition plume[23]

Vial等[31]使用高速相機拍攝了推力器點火啟動過程中羽流區側面的圖像。結果顯示點火啟動過程中推力器羽流區離子束的圖像顯示出與“呼吸”不穩定性有關的等離子光強度的振蕩。Yan等[32]采用相似的方法研究了點火啟動瞬間推力器放電通道內的等離子體參數變化特性。結果顯示工質氣體中的激發和電離過程開始在通道出口附近，然后沿著通道向陽極上游傳播。朝陽極移動的電子的能量變化導致電離過程和激發過程交替出現，這是推力器啟動過程中通道不同區域的光強度變化的主要原因。

同時，為了更好地理解霍爾推力器點火啟動過程中等離子體參數的變化特性，Taccogna等[33]采用二維軸對稱PIC模型計算了推力器點火過程中等離子體參數隨時間的變化特性。但是，他在模型中并未充分考慮到點火過程與穩態放電過程的差異性，因此未能再現點火啟動過程中的點火沖擊電流。

Liu等[34]對其模型進行了改進，成功再現了推力器點火啟動瞬間的沖擊電流。并且更加細致地將點火過程中等離子體密度的變化過程分為三個階段：第一階段，1 μs左右，最大等離子體密度出現在了羽流區，并且在此形成了等離子體橋來傳輸電子；第二階段，20 μs左右，隨著電離逐漸發生，羽流區和靠近通道出口處的中性氣體密度逐漸降低，電離區在通道內部形成；第三階段，50 μs左右，推力器進入穩定和正常工作模式，羽流區和靠近通道出口處的中性氣體密度再次降低。

考慮到PIC模型[33]中，模擬中不包括陰極區域和模擬時間太短，無法顯示整個點火過程，而在第二項研究中[34]，每個區域中的電子具有與實際工作條件不相似的最小數量，Wei等[35]對二者的PIC模型進行了進一步的改進。然后通過這個新模型，得到了推力器點火過程中等離子體參數的變化特性，如圖5所示。結果表明：在點火初始階段(見圖5(a))，產生的離子密度較低，主要分布在推力器出口羽流區；隨著點火過程逐漸增強(見圖5(b)～圖5(d))，原子和電子碰撞電離產生的離子密度顯著增高，在圖5(d)所對應的工質原子雪崩電離時刻達到最大值；之后點火過程逐步減弱(見圖5(e)～圖5(f))，放電通道內的離子受到軸向電場的加速作用運動到推力器出口外，離子密度顯著降低。

圖5 等離子體密度在點火不同階段的空間分布[35]Fig.5 Spatial distribution of plasma density at different stages of the discharge ignition[35]

2.4 霍爾推力器點火沖擊電流及其抑制方法研究

1)點火沖擊電流研究

由于霍爾推力器在點火啟動瞬間產生的電流量級可能高于百安培，遠高于穩態放電電流。這一瞬態點火沖擊會對整個推力器的電路和衛星平臺母線產生強烈的電磁干擾特性。因此，有必要了解點火沖擊電流的變化特性。

Zhakupov等[36]和Vial等[31]分別在霍爾推力器的放電試驗中發現，在點火啟動過程中存在一個遠高于穩態放電電流的點火沖擊電流。不同的是，Zhakupov等[36]的實驗結果表明推力器點火瞬間存在兩個沖擊電流峰值，第一個沖擊電流峰值約為140 A，主要與濾波回路的電容放電相關；第二個沖擊電流的峰值為20 A左右，主要和大量的氙氣原子電離相關。

Li等[37]實驗研究了宏觀放電參數(放電電壓、質量流量和勵磁電流)對推力器點火沖擊電流的影響。結果表明勵磁電流對沖擊電流峰值和持續時間無明顯影響；隨著放電電壓增加，點火沖擊電流峰值增加，同時沖擊電流持續時間減小；隨著質量流量增加，點火沖擊電流峰值增加，同時峰值持續時間變大。

魯海峰[38]在一臺200 W永磁霍爾推力器上研究了不同宏觀放電參數下氙工質和氪工質的點火沖擊電流特性。研究表明，氪工質點火沖擊電流隨宏觀放電參數的變化規律近似一致，但氙工質沖擊電流達到峰值時間晚于氪工質。高前[39]在一臺10 kW大功率霍爾推力器上研究了放電電壓等宏觀放電參數對點火沖擊電流初始階段的影響。結果表明,放電電壓與陽極流量能夠將點火啟動階段的上升斜率增大，而磁場強度增大卻將其斜率壓低。Li等[26]實驗測量了陰極位于磁分界面內外時霍爾推力器的點火沖擊電流。結果顯示與陰極位于磁分界面內相比，當陰極位于磁分界面外時，點火沖擊電流峰值較小，但是持續時間會略微延長。

目前，商業航天發展迅速，商業通信衛星的全球低軌衛星星座建設等任務(鴻雁星座，虹云工程)均需要小功率的霍爾推力器作為衛星平臺的動力裝置[22]。但是對于小功率平臺的霍爾推力器來說，霍爾推力器點火過程產生的沖擊電流對于衛星的擾動程度更大。如果以霍爾推力器點火啟動過程沖擊電流的積分電荷和推力器功率之比表征推力器點火沖擊對衛星平臺的擾動程度。通過計算可以得出，盡管200 W霍爾推力器的功率相對1.35 kW霍爾推力器較小，但是其點火沖擊電流對衛星平臺的擾動程度是1.35 kW推力器衛星平臺的600倍左右，非常值得引起研究者的重視。

霍爾推力器初始在軌點火時是處于冷態的，其放電陶瓷通道內可能會殘存一些水蒸氣等雜質氣體，這些因素對于霍爾推力器的點火啟動過程的沖擊電流也有著重要的影響。Hargus等[40]在一臺BHT-200-X3的推力器上發現點火啟動過程會出現瞬態陽極電流，該陽極電流最多持續500 s，在暴露于實驗室環境條件后的初始啟動過程中導致陽極電流增加50%。陽極電流瞬變似乎是由于在氮化硼絕緣體的表面層上吸水的結果。Santos等[41]對在外界放置了一段時間的推力器進行點火試驗研究，得到了不同殘余雜質氣體對推力器點火瞬間沖擊電流的影響，如圖6所示。結果發現推力器點火沖擊電流的增大和放電通道陶瓷壁面中存在的水分、氫氣和氮氣相關，并且雜質氣體不會在電子上產生更多的導電性。

圖6 點火啟動過程中不同殘余氣體對點火沖擊電流峰值的影響[41]Fig.6 Influence of different residual gases on the peak value of ignition pulse current during ignition process[41]

顏世林等[42]對霍爾推力器點火啟動階段陶瓷壁面的放氣特性進行了光譜研究，結果發現在推力器從大氣環境轉移到真空罐中后的首次點火中，除了工質氙的譜線外，在陶瓷壁面附近還存在氮、氧的譜線，并且兩種元素的譜線強度隨時間的變化趨勢與放電電流強度的變化趨勢相一致。

2)點火沖擊電流抑制方法研究

杜建華等[43]通過解析分析和變參數試驗的方法研究了外回路參數與電源側脈沖電流峰值之間的規律。結果表明，隨著外回路電容和電感的增大，電源脈沖電流峰值減小。Wei等[44]通過公式推導推力器點火啟動瞬間電源側的沖擊電流峰值進行了理論預測，計算公式表明點火啟動瞬間電源側的脈沖電流峰值只和放電外回路濾波單元中電容兩端的電壓降相關，并進行了實驗驗證。同時根據實際點火情況給出了一些建議，為了降低電源側的點火沖擊電流可以采用在一定范圍內增大濾波器電容值或者降低放電電壓和質量流量的辦法。

Li等[45]研究了不同濾波回路線圈參數對霍爾推力器點火啟動過程電源側沖擊電流峰值的影響，結果顯示在相同電感值下，線圈匝數較多，導磁環較大的電感更有利于減小霍爾推力器點火啟動過程中電源脈沖電流的峰值。

楊子怡[46]從工程應用角度出發，綜合評估點火可靠性和點火沖擊電流的設計矛盾，通過點火裕度實驗評估各個影響因素對點火可靠性的影響程度，最后以參數組合形式給出合理的點火參數優化結果。

2.5 霍爾推力器點火過程向穩態轉換過程研究

當霍爾推力器點火成功后會逐漸向穩態放電過程進行轉換，這一轉換過程時間的長短、不同點火參數路徑調整對轉換過程的影響十分重要。

Oghienko[47]研究了面向航天器定向推進系統的低功率霍爾推力器從點火過渡到穩態放電過程的積分特性，并計算了霍爾推力器積分參數(推力、比沖和推力器效率)。結果表明,在霍爾推力器放電開始之后，過渡到相對穩定推力的模式大約不超過1.5 ms。穩定推力效率模式的轉換大約在2.5 ms內。

在霍爾推力器中，點火過程向穩態放電轉換中合理的參數調整路徑顯得尤為重要，不僅能夠降低點火參數所帶來的點火沖擊影響，而且能夠保證點火過程的可靠性并且在向穩態工況過渡的過程也能夠平穩地進行。因此，高前[39]通過模擬的方式對單一變量在點火轉換過程的影響進行研究，結果表明質量流量能夠提升穩態電流。其次，在模擬過程中通過更改陽極邊界的電壓值，觀察到陽極電流具有超調的趨勢。在經過前期模擬研究后，進一步通過實驗的方式對點火轉換過程進行研究。結果發現先調節勵磁電流再增加放電電壓的模式對于轉換的穩定性以及降低電流振蕩方面具有促進作用。

夏國俊[48]通過實驗研究了不同點火方式下點火瞬態沖擊電流的變化特性。結果發現采用先將電壓加到350 V，再將流量從0 sccm逐漸加到42 sccm自發點火方式造成的放電電流峰值最小，進而對霍爾推力器系統損害最小。

3 討 論

從目前的文獻調研來看，國內外霍爾推力器技術經過半個世紀的發展，已經進入了全面工程化應用的階段。我國已經基本解決了霍爾推力器性能優化的問題，目前的核心是如何提高可靠性和壽命的問題。總體來看，針對霍爾推力器點火啟動過程，國內外研究人員采用實驗和數值模擬等手段對陰極電子源效應對點火過程的影響、點火啟動條件、啟動過程、點火沖擊電流及抑制方法和轉換過程等方面做了大量的研究工作，但是也存在以下不足和繼續深入解決的問題：

1)制約點火啟動過程的內部物理參量的量化表征仍需開展深入研究工作。在推力器點火啟動條件的研究中盡管世界各國的學者都發現改變如放電電壓等宏觀放電參數會改變推力器點火啟動的難易程度，但是大家并沒有深入研究制約推力器點火啟動的內在物理參量和給出點火啟動臨界條件，后期研究中需要結合實驗和數值模擬方法完善這部分。

2)點火啟動過程中等離子體參數的時空分布特性需要進行進一步測量。針對點火過程的實驗研究主要以高速相機為手段的唯象實驗測量為主，并且受限于相機設備的限制，研究者所能獲得的點火圖像數量也是有限的，無法得到每一時刻的變化特性。因此，后期需要開展將霍爾推力器點火圖像和等離子體參數相結合的研究，真正了解霍爾推力器點火啟動過程的等離子體變化特性。

3)霍爾推力器點火啟動PIC模型需要進一步完善和優化提升。目前，針對推力器點火啟動過程研究還只是定性化的描述，對于點火啟動的物理過程，只是通過等離子體參數的變化大致將其分為三個階段。并且目前模擬所得的沖擊電流的持續時間與實際點火過程也存在一定的差異。因此，需要不斷地去完善和優化霍爾推力器點火啟動PIC模型，使其內部物理過程盡量和推力器實際點火過程一致，從而獲得更加準確的模擬結果。

4)關于推力器點火沖擊電流的參數化表征及受控控制方法還未開展詳細的研究。盡管一些學者在研究過程中也涉及到霍爾推力器點火沖擊現象，但針對點火脈沖形成機制的認識仍停留在定性理解層面上，對點火脈沖峰值/持續時間的影響因素，點火脈沖與點火參數之間的耦合以及點火脈沖電流的參數化表征和控制方法尚無系統的研究報道，因此后續研究過程中需要深入分析。

5)關于推力器點火啟動過程與外部濾波單元及電源母線單元的耦合特性探究還沒有引起相關研究者的重視。推力器點火啟動過程與外部回路耦合過程明顯，目前只是看到濾波器參數對點火沖擊電流峰值影響的研究，但同時在實驗中發現點火啟動過程中濾波器單元的電容兩端會產生一個較強的電壓波動，影響著點火穩定性和電器絕緣性。同時推力器點火沖擊對電源母線會產生較強的沖擊擾動，其頻率和強度如何，和電源網絡如何匹配都未見研究。

6)有關推力器點火可靠性評估方法方面研究呈現空白性。目前對于可靠性評估理論主要應用于陰極組件及性能的可靠性評估方面，推力器在軌點火主要依賴于地面工程經驗，文獻調研發現國內外尚沒有提出或建立對于推力器點火可靠性的評估體系和標準。針對目前我國霍爾推力器即將進入在軌應用的背景，急需建立相關的可靠性評估理論，設置合理的在軌點火參數裕度，同時給出增長點火可靠性的建議，最大程度地保證霍爾推力器點火可靠性。

隨著霍爾推力器技術不斷發展，中等功率霍爾推力器的研究和工程化應用已經日漸成熟，未來霍爾推力器的發展和應用主要向小功率、大功率、變工質和長壽命及多模式可調方向進行發展，因此關于霍爾推力器點火啟動過程研究要點主要表現為：

1)霍爾推力器點火沖擊電流抑制技術。如上所述，無論是小功率霍爾推力器，還是大功率霍爾推力器，其點火啟動過程中都會形成一個高于穩態電流數十倍的點火沖擊電流。這一強烈的點火沖擊電流不僅會導致供電電源保護動作，電源輸出關閉，導致放電失敗；而且對推進系統絕緣設計和電磁兼容設計提出前所未有的挑戰，甚至會形成瞬態不平衡力矩影響衛星姿態。因此，需要研究推力器點火沖擊形態的形成機制和參數化表征方法，并給出推力器點火沖擊電流抑制方法。

2)霍爾推力器自勵磁點火技術研究。霍爾推力器在軌運行過程中通過將勵磁電路與主放電電路串聯連接的自勵磁模式可以大大提高推力器的放電穩定性。但是，當同時建立自激模式磁場和放電時，點火過程將更加復雜，點火引發的研究具有更深的物理內涵。

3)變工質霍爾推力器點火技術。隨著世界各國大力發展氙氣電推進技術，對于氙氣的消耗會顯著加劇。因此，急需尋找和發展其余工質氣體作為推進劑。與氙氣相鄰的氪氣不僅儲量豐富，價格低廉，而且其原子量相對氙較小，未來可以作為理想的推進劑工質氣體。并且美國商業航天Space X公司已經于2019年5月24日將60顆星鏈計劃(Starlink)衛星送入太空，這些衛星的動力裝置全部采用氪工質霍爾推力器，其應用前景巨大。因此，需要開展氪工質下的霍爾推力器點火技術。

4)霍爾推力器點火可靠性技術。霍爾推力器點火啟動過程的高可靠性是保證推力器安全性和降低衛星平臺故障率的關鍵。目前推力器在軌點火主要依賴于地面工程經驗，對于如何保證在軌點火的高可靠性并沒有相關的評估標準和指標體系。因此需要從本質上綜合分析推力器點火啟動過程，給出其主要的失效模式、失效機理和嚴重程度，確定點火啟動過程主要影響因素及其對點火可靠性的影響，建立并完善霍爾推力器點火可靠性評估方法。

4 結束語

霍爾推力器的點火啟動過程是其安全在軌運行的第一步，也是最關鍵的一步，點火啟動過程的研究是霍爾推力器技術的核心問題之一。霍爾推力器的點火啟動過程是一個機理復雜且多因素耦合的非定常過程，涉及到多個相互耦合的子過程。經過近50年的發展，國內外霍爾推力器技術已相當成熟，隨著各國低軌通信衛星組網計劃的逐漸展開，正在實現大規模的應用。那么對于霍爾推力器點火啟動過程問題的研究顯得更為重要。近年來，我國在霍爾推力器點火啟動技術方面取得了一定的成果，但是和國外相比仍然具有一定的差距。未來需要國內的科研工作者緊盯國際前沿發展趨勢，結合國內外應用背景，扎實開展基礎研究，為我國霍爾推力器的點火啟動技術的發展提供堅實的支撐和保障。