近年來(lái)，隨著微電子、載荷、通信、能源、制造等技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，發(fā)射質(zhì)量在 10~100kg 的微小衛(wèi)星、1~10kg 的納米衛(wèi)星（合稱 " 微納衛(wèi)星 "）迅猛發(fā)展，廣泛應(yīng)用在遙感、通信、物聯(lián)網(wǎng)、空間實(shí)驗(yàn)、在軌服務(wù)與維護(hù)、深空探測(cè)等領(lǐng)域。截至 2023 年 10 月 31 日，國(guó)際上發(fā)射了 2410 顆納米衛(wèi)星?？臻g任務(wù)對(duì)微納衛(wèi)星的要求不斷提升，如進(jìn)一步提高機(jī)動(dòng)性（如緊急碰撞規(guī)避）、提升性能、延長(zhǎng)壽命、壽命末期離軌、強(qiáng)化編隊(duì)組網(wǎng)能力、縮短研制周期、降低成本等。

然而，在大中型航天器上廣泛應(yīng)用的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)在微小型化時(shí)，存在推力器噴嘴性能損失嚴(yán)重、系統(tǒng)組件數(shù)量多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量占比大、工質(zhì)劇毒等問(wèn)題，導(dǎo)致其在微納衛(wèi)星上應(yīng)用時(shí)困難重重，嚴(yán)重影響了微小衛(wèi)星的壽命和性能。

針對(duì)這一動(dòng)力瓶頸，近年來(lái)研究人員對(duì)功率在 1~100W（僅為手機(jī)等日常便攜電子產(chǎn)品充電功率量級(jí)）甚至更小的微功率電推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了大量突破性成果，并開(kāi)始在軌實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。微功率電推進(jìn)還可拓展應(yīng)用到引力波探測(cè)器、重力梯度衛(wèi)星等超靜平臺(tái)航天器的無(wú)拖曳控制，以及空間大型撓性構(gòu)件的振動(dòng)控制等場(chǎng)合。需要指出的是，對(duì)于微推進(jìn)系統(tǒng)，在描述整個(gè)系統(tǒng)的性能時(shí)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比重較大，比沖的重要性已在一定程度上弱化，單位質(zhì)量或單位尺寸可產(chǎn)生的沖量（單位為 N · s/kg 或 N · s/L）可更直觀地描述整個(gè)系統(tǒng)的能力。

一、分類和技術(shù)特點(diǎn)

微功率電推進(jìn)的工作原理、系統(tǒng)組成與常規(guī)電推進(jìn)相同。按工質(zhì)加速方式不同，微功率電推進(jìn)分為電熱式、靜電式和電磁式三大類（見(jiàn)圖 1）。微功率電推進(jìn)既有常規(guī)電推進(jìn)的微型化，如微功率霍爾電推進(jìn)、離子電推進(jìn)等，又有本身就適用于微功率場(chǎng)合的電推進(jìn)，如電噴推進(jìn)、微陰極電弧推進(jìn)等。表 1 給出了典型微功率電推進(jìn)技術(shù)的原理、基本性能范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。

圖 1 三類電推進(jìn)工作原理圖

表 1 典型微功率（不超過(guò) 100W）電推進(jìn)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

微功率電推進(jìn)技術(shù)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

1. 功率小，不超過(guò) 100W；

2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往不需要閥門、貯箱、壓力傳感器等推進(jìn)系統(tǒng)常用組件，易于模塊化、微型化；

3. 比沖較高，特別是靜電式和電磁式微功率電推進(jìn)的比沖顯著高于化學(xué)推進(jìn)；

4. 推力小，一般在微牛至毫牛量級(jí)；

5. 工質(zhì)種類多，大都采用無(wú)毒工質(zhì)，綠色環(huán)保；

6. 效率通常較低，對(duì)于由常規(guī)電推力器微型化而來(lái)的微功率電推力器，其放電區(qū)域的面容比相對(duì)于常規(guī)電推力器大幅縮小，導(dǎo)致工質(zhì)與推力器內(nèi)壁面作用明顯增強(qiáng)，顯著降低效率和比沖；

7. 壽命普遍較短，這是由于工質(zhì)與推力器壁面作用強(qiáng)、推力器內(nèi)部熱量積聚、電極尺寸小等。

二、研究現(xiàn)狀

（一）電熱式微功率電推進(jìn)

電熱式電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)微功率的主要途徑是結(jié)合微機(jī)械加工、增材制造等新技術(shù)，以及將常規(guī)電熱式電推進(jìn)常用的肼工質(zhì)更換為水等綠色工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)微型化、集成化、綠色化。

1. 美國(guó) Busek 公司研制的微功率電阻加熱推進(jìn)模塊質(zhì)量為 1.25kg，尺寸為 9cm×9cm×10cm，貯箱容積為 280mL，功率為 3~15W，總沖為 427N · s，主推力器推力為 2~10mN，比沖為 150s，8 臺(tái)姿控推力器推力為 0.5mN，比沖為 80s。

2. 荷蘭代爾夫特理工大學(xué)近年來(lái)開(kāi)展了硅基自由分子流微功率電阻加熱推力器研究，以及基于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的電阻加熱推力器試驗(yàn)，后者在采用液態(tài)水工質(zhì)，加熱功率為 36.1~36.6W，推力器腔室溫度為 300 ℃、壓力 0.1MPa 時(shí)，推力為 8~8.3mN，比沖為 95~100s。

3. 日本東京大學(xué)研制的水工質(zhì)電阻加熱推進(jìn)系統(tǒng) AQUARIUS-1U（見(jiàn)圖 2）安裝在 2019 年 11 月從 " 國(guó)際空間站 " 上發(fā)射的 3U 立方星 AQT-D 上，其尺寸為 92mm×92mm×105mm，濕質(zhì)量為 1.2kg（含水 0.4kg），總沖為 250N · s，安裝 5 臺(tái)推力器，其中 1 臺(tái)為軌控推力器，推力為 4mN，比沖為 70s；4 臺(tái)為姿控推力器，推力為 1mN，比沖為 70s，最小元沖量大于 0.5mN · s。工作時(shí)，水蒸氣被加熱到 70 ℃噴出。

圖 2 日本東京大學(xué)研制的水工質(zhì)電阻加熱推進(jìn)系統(tǒng)

4. 西安航天動(dòng)力研究所在 2009 年研制了基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的自由分子流微型電阻加熱推力器（見(jiàn)圖 3），利用液態(tài)水和氮、氬、氦等氣體工質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，計(jì)算推力為 0.8~2.3mN。

圖 3 西安航天動(dòng)力研究所研制的微型電阻加熱推力器

5. 北京易動(dòng)宇航科技有限公司研制的 ERT-12 電阻加熱推力器采用氮?dú)夤べ|(zhì)，功率為 12~65W，推力為 10~40mN，比沖為 200s，采用該推力器的電推進(jìn)系統(tǒng)于 2020 年 12 月 22 日完成在軌應(yīng)用。

（二）靜電式微功率電推進(jìn)

靜電式電推進(jìn)實(shí)現(xiàn)微功率主要是兩種思路：一是傳統(tǒng)的霍爾、離子電推進(jìn)的微型化；二是發(fā)展更為適合微功率場(chǎng)合的電推進(jìn)技術(shù)。

霍爾、離子電推進(jìn)在微型化時(shí)，存在放電室急劇縮小導(dǎo)致面容比急劇增大、等離子體與放電室壁面作用顯著增強(qiáng)、熱積聚嚴(yán)重、效率顯著降低、傳統(tǒng)加熱型空心陰極功率下降困難，以及貯供系統(tǒng)微型化困難等問(wèn)題，霍爾電推進(jìn)還存在放電室削蝕增強(qiáng)、壽命顯著降低的問(wèn)題。因此，功率很小時(shí)，往往對(duì)這兩種電推進(jìn)的主要要求是先實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的推力輸出，而對(duì)比沖和效率的要求可以降低。

霍爾電推進(jìn)微功率化的主要措施是減小放電室面容比甚至采用無(wú)放電室構(gòu)型，減小陰極功耗甚至不配備空心陰極，加強(qiáng)散熱，優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)，換用新型高密度工質(zhì)（如碘），優(yōu)化貯供系統(tǒng)和功率處理單元等。典型研究有：

1. 美國(guó) Busek 公司、法國(guó) Exotrail 公司及上?？臻g推進(jìn)研究所等開(kāi)展了基于傳統(tǒng)磁場(chǎng)構(gòu)型的微功率霍爾推力器研究。法國(guó) Exotrail 公司針對(duì) 10～80kg 的航天器研制了 spacewareTM-nano 霍爾電推進(jìn)系統(tǒng)，功率為 40~60W，推力為 1.5~2.5mN，總沖為 6kN · s，尺寸為 1~2.5U（1U=10cm×10cm×10cm）。該公司研制的 ExoMG 微型霍爾推力器創(chuàng)造了霍爾推力器首次應(yīng)用于 100kg 以下衛(wèi)星的紀(jì)錄。

2. 法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心和意大利 Sitael 公司及我國(guó)上海空間推進(jìn)研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等研制了永磁勵(lì)磁或永磁、電磁復(fù)合勵(lì)磁的微功率霍爾推力器，采用永磁材料確保磁場(chǎng)強(qiáng)度。上?？臻g推進(jìn)研究所研制的百瓦級(jí)磁屏蔽 HET-5 PM 復(fù)合勵(lì)磁霍爾推力器（見(jiàn)圖 4），通過(guò)磁屏蔽大幅延長(zhǎng)推力器壽命，當(dāng)其放電電壓為 200V、功率為 50~100W 時(shí)，推力為 3.43~7.02mN、陽(yáng)極比沖為 891~1073s、陽(yáng)極效率為 29.4%~37%。

圖 4 上?？臻g推進(jìn)研究所研制的 HET-5 PM 霍爾推力器

3. 美國(guó)普林斯頓大學(xué)、日本大阪工業(yè)大學(xué)、我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)等開(kāi)展了圓柱形霍爾推力器研究，該類型霍爾推力器通過(guò)將傳統(tǒng)霍爾推力器的圓環(huán)形放電室改為圓柱形，減小放電室面容比，降低等離子體對(duì)放電室壁面的作用。日本大阪工業(yè)大學(xué)研制的微功率圓柱形霍爾推力器可在 10W 功率時(shí)穩(wěn)定工作，其放電功率為 66W 時(shí)，推力為 1.56mN，陽(yáng)極比沖為 1570s，陽(yáng)極效率為 18.1%。

4. 法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心、美國(guó)普林斯頓大學(xué)、我國(guó)西安交通大學(xué)等開(kāi)展了無(wú)壁面霍爾推力器研究。該技術(shù)尚處于初步研究階段，其原理是利用磁場(chǎng)而不是實(shí)體的放電室壁面來(lái)約束等離子體，不存在等離子體與放電室的作用，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、延長(zhǎng)壽命，但存在工質(zhì)利用率低、束發(fā)散角大、效率較低等問(wèn)題。西安交通大學(xué)研制的無(wú)壁面霍爾推力器功率在 60~100W 時(shí)，推力為 3.2~4.7mN，陽(yáng)極效率為 7%~13%。

5. 新加坡南洋理工大學(xué)和 Aliena 公司開(kāi)展了無(wú)陰極構(gòu)型的微功率霍爾推力器研究。南洋理工大學(xué)研制的微牛級(jí)霍爾推力器在 2019 年隨我國(guó) " 太極 " 一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空，該推力器由內(nèi)置的低逸出功材料釋放的電子實(shí)現(xiàn)羽流中和，在等離子體噴射模式時(shí)，功率約為 5W，推力為 5~100μN(yùn)。

6. 美國(guó) VACCO 公司、德國(guó) AST 公司及我國(guó)上?？臻g推進(jìn)研究所等開(kāi)展了貯供系統(tǒng)微型化技術(shù)研究。通過(guò)結(jié)構(gòu)管路復(fù)用、減小組件、高度集成化等措施，顯著減小了貯供系統(tǒng)的尺寸和質(zhì)量。德國(guó) AST 公司研制的微型貯供單元（見(jiàn)圖 5）質(zhì)量為 0.9kg，相對(duì)于常規(guī)產(chǎn)品，質(zhì)量減小 80% 左右。

圖 5 德國(guó) AST 公司研制的微型貯供單元

離子推力器微功率化的主要措施是通過(guò)將等離子體生成方式由主流的電子轟擊電離改為射頻電離或微波電離，顯著降低了放電室的研制難度和功率，確保了電離效率，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)十瓦功率條件下的較高性能。典型研究有：

1. 日本宇宙科學(xué)研究所、九州大學(xué)，我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海航天控制技術(shù)研究所等開(kāi)展了微波離子推力器研究。日本宇宙科學(xué)研究所的 400W 功率 μ10 推力器在成功研制并應(yīng)用的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展了 10 瓦級(jí)微功率 μ1 微波離子推力器的研究，其推力為 202μN(yùn) 時(shí)，功率為 17.0~20.5W，比沖為 1000~1500s。東京大學(xué)研制的微功率微波離子推進(jìn)系統(tǒng) MIPS（見(jiàn)圖 6），系統(tǒng)功率為 28.1~36.5W，推力為 220~361μN(yùn)，比沖為 790~1120s，MIPS 應(yīng)用在 2014 年發(fā)射的 Procyon 小行星探測(cè)器上，在軌工作 233h，平均推力為 346μN(yùn)。

圖 6 東京大學(xué)研制的微功率微波離子推進(jìn)系統(tǒng) MIPS

2. 德國(guó)吉森大學(xué)，法國(guó)阿利安集團(tuán)、ThrustMe 公司，美國(guó) Busek 公司，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、北京航空航天大學(xué)等開(kāi)展了微功率射頻離子電推進(jìn)研究。阿利安集團(tuán)和吉森大學(xué)針對(duì)高精度控制任務(wù)研發(fā)的 RIT_μX 微功率射頻離子推力器可根據(jù)需要配置成 10~100μN(yùn)、50~500μN(yùn)、75~2000μN(yùn) 3 種推力擋位。法國(guó) ThrustMe 公司的碘工質(zhì)微功率射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)于 2020 年 11 月裝載在北京航空航天大學(xué) " 空事 " 一號(hào)衛(wèi)星上發(fā)射升空，完成了首次碘工質(zhì)電推進(jìn)的在軌飛行，系統(tǒng)功率 55W，推力 0.8mN。

Busek 公司研制了兩代采用碘工質(zhì)的 BIT-3 射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)，第一代產(chǎn)品干質(zhì)量 1.4kg，工質(zhì)裝載量 1.5kg，功率 70W，推力 1.24mN，比沖 2250s，應(yīng)用于 2022 年 11 月 " 航天發(fā)射系統(tǒng) "（SLS）火箭首飛發(fā)射的 2 個(gè)月球探測(cè)器 LunaH-Map 和 Lunar-IceCube 上。LunaH-Map 探測(cè)器入軌后，由于離子電推進(jìn)系統(tǒng)故障，工質(zhì)輸送異常，導(dǎo)致探測(cè)器未能進(jìn)入月球軌道。已批產(chǎn)的二代產(chǎn)品（見(jiàn)圖 7）改進(jìn)了零部件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、功率處理單元和工藝。

圖 7 Busek 公司批產(chǎn)的二代射頻離子電推進(jìn)系統(tǒng)

與霍爾、離子電推進(jìn)相比，電噴推進(jìn)采用液體或固體工質(zhì)，更易于實(shí)現(xiàn)微功率、模塊化，功率可覆蓋 1~100W，比沖從數(shù)百至 10000s。電噴推進(jìn)的研究起始于 20 世紀(jì) 60 年代，但由于技術(shù)限制，直到 90 年代才取得決定性的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。電噴推進(jìn)可分為 3 類：一是利用導(dǎo)電溶液工質(zhì)、噴射帶電液滴為主的膠體電噴推進(jìn)；二是利用金屬工質(zhì)、噴射金屬離子的場(chǎng)發(fā)射推進(jìn)；三是利用離子液體工質(zhì)、噴射帶電液滴或離子的離子液體電噴推進(jìn)。近年來(lái)主要發(fā)展后兩種，具體如下。

1. 場(chǎng)發(fā)射推進(jìn)：采用液態(tài)金屬或熔融的金屬作為工質(zhì)。主要研究單位有奧地利 FOTEC 公司、ENPULSION 公司，意大利 Centrospazio 實(shí)驗(yàn)室、Sitael 公司等，我國(guó)上海交通大學(xué)、上海空間推進(jìn)研究所、北京機(jī)械設(shè)備研究所等。ENPULSION 公司的場(chǎng)發(fā)射電推進(jìn)產(chǎn)品 2018 年實(shí)現(xiàn)在軌測(cè)試，至 2022 年 6 月已有 138 套產(chǎn)品在軌飛行。該公司進(jìn)一步研發(fā)了功率為 45W、推力為 50~350μN(yùn)、濕質(zhì)量為 1.3kg 的 NANO R3 和 NANO AR3（推力矢量可調(diào)），功率為 100W、推力為 0.3~1mN、濕質(zhì)量為 3.9kg 的 ENPULSION MICRO R3 等產(chǎn)品，以滿足從立方星到中型衛(wèi)星的不同需求，如圖 8 所示。

圖 8 ENPUSION 公司的 MICRO R3（左）和 NANO AR3 產(chǎn)品（右）

2. 離子液體電噴推進(jìn)：主要研究單位有美國(guó)麻省理工學(xué)院、Busek 公司、密蘇里科技大學(xué)，瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)，我國(guó)上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上?？臻g推進(jìn)研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京控制工程研究所、北京機(jī)械設(shè)備研究所等。麻省理工學(xué)院在多年機(jī)理研究的基礎(chǔ)上提出了 iEPS 芯片式電噴推力器，研制的 0.2U 電噴推進(jìn)系統(tǒng)由 8 臺(tái)電噴推力器和功率處理單元組成，功率為 1.5~2W，推力為 74μN(yùn)，比沖超過(guò) 1150s，質(zhì)量小于 100g。

2015 年，芯片式電噴推力器在 Aerocube-8 立方星上實(shí)現(xiàn)首次在軌飛行。Busek 公司研制的基于主動(dòng)供液技術(shù)的電噴推力器模塊推力為 5~30μN(yùn)，額定比沖為 240s，應(yīng)用在 2015 年 12 月發(fā)射的 " 激光干涉儀空間天線 - 探路者 "（LISA-Pathfinder）引力波探測(cè)器上，推力調(diào)節(jié)性能和噪聲均滿足任務(wù)要求。

密蘇里科技大學(xué)提出了一種利用含能液體工質(zhì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高比沖電噴推進(jìn)和大推力化學(xué)推進(jìn)的思路。上?？臻g推進(jìn)研究所與上海交通大學(xué)合作研究了電噴推進(jìn)的工作過(guò)程和性能變化規(guī)律，研制了 0.4U 的具有高推力密度特點(diǎn)的刀片發(fā)射體陣列電噴推進(jìn)系統(tǒng)模塊，系統(tǒng)功率為 9W，推力器功率為 5W，推力為 100μN(yùn)，比沖為 2000s（見(jiàn)圖 9）。

圖 9 上?？臻g推進(jìn)研究所研制的電噴推進(jìn)模塊

（三）電磁式微功率電推進(jìn)

在電磁式電推進(jìn)中，具有脈沖工作特性的脈沖等離子體電推進(jìn)、真空電弧推進(jìn)和微陰極電弧推進(jìn)均非常適合以微功率工作。微功率電磁式電推進(jìn)雖然效率較低，但由于可使用固體工質(zhì)且直接電離固體工質(zhì)，省去了霍爾、離子電推進(jìn)系統(tǒng)所需的貯箱、閥門、壓力傳感器等組件，集成度高，單位質(zhì)量或單位尺寸產(chǎn)生的沖量并不小，且控制簡(jiǎn)單，因此在微功率場(chǎng)合具有系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)。

脈沖等離子體推進(jìn)是國(guó)際上最早應(yīng)用的電推進(jìn)技術(shù)。近年來(lái)，脈沖等離子體推進(jìn)的主要研究方向是提高效率和壽命，探索新型工質(zhì)，減小脈沖沖量以提高控制精度，引入激光等能量源、外加磁場(chǎng)等以提高性能，引入電磁場(chǎng)以實(shí)現(xiàn)推力矢量控制等。主要研究單位有美國(guó) Busek 公司、CU Aerospace 公司，德國(guó)斯圖加特大學(xué)，日本山梨大學(xué)，我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、蘭州空間技術(shù)物理研究所等。

CU Aerospace 公司開(kāi)展了絲狀工質(zhì)供應(yīng)技術(shù)及電磁推力矢量技術(shù)研究，研制的 1.7U 尺寸樣機(jī)功率為 78W，工作頻率為 3Hz，平均推力為 0.6mN，比沖為 3500s，效率為 13%，總沖為 28kN · s，可實(shí)現(xiàn) ±10° 的電磁推力矢量控制。國(guó)防科技大學(xué)圍繞固體燒蝕型脈沖等離子體推力器開(kāi)展了系統(tǒng)化的仿真、實(shí)驗(yàn)研究，建立了推力器極板間等離子體運(yùn)動(dòng)模型、羽流 PIC/DSMC 模型，利用超高速相機(jī)、光譜儀、朗繆爾探針等裝置，測(cè)量了等離子體參數(shù)演化特性，基于羽流沉積薄膜法獲得了羽流發(fā)散角和各元素的沉積率，研制的系列化產(chǎn)品（見(jiàn)圖 10）應(yīng)用于 " 航升 " 一號(hào)等多顆衛(wèi)星，在軌點(diǎn)火超萬(wàn)次，電磁兼容性良好。

圖 10 國(guó)防科技大學(xué)的脈沖等離子體推進(jìn)產(chǎn)品

微功率真空電弧推進(jìn)是近年來(lái)快速發(fā)展和應(yīng)用的微推進(jìn)技術(shù)，主要研究單位有美國(guó)普林斯頓大學(xué)，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心，我國(guó)蘭州空間技術(shù)物理研究所、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、遨天科技（北京）有限公司等。

遨天科技公司研制了模塊化、陣列式擴(kuò)展的型譜化真空電弧推進(jìn)系列產(chǎn)品（見(jiàn)圖 11（a）），推力范圍覆蓋 30~2000μN(yùn)，至 2023 年 8 月 10 日已應(yīng)用于 29 顆在軌衛(wèi)星。單推力器在軌點(diǎn)火結(jié)果表明，其推力為 44.1μN(yùn)、推力功率比為 21μN(yùn)/W。某產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了某衛(wèi)星空間碎片避讓，單軌工作 2 次使軌道提升 100m。該公司研制了推力器頭部自動(dòng)化裝配系統(tǒng)（見(jiàn)圖 11（b）），代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工裝配，裝配時(shí)間由 85~96min/ 套縮短到 3min/ 套，同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量一致性，增強(qiáng)了產(chǎn)品可追溯性。

圖 11 遨天科技公司點(diǎn)火時(shí)的真空電弧推進(jìn)模塊及自動(dòng)化裝配系統(tǒng)

微陰極電弧推進(jìn)在微功率真空電弧推進(jìn)的噴口處引入外加磁場(chǎng)，提高性能和陰極材料燒蝕均勻性。主要研究單位有美國(guó)喬治 · 華盛頓大學(xué)，我國(guó)西安航天動(dòng)力研究所、上海空間推進(jìn)研究所、北京控制工程研究所、上海交通大學(xué)等。

喬治 · 華盛頓大學(xué)提出了微陰極電弧推進(jìn)概念，研制的樣機(jī)于 2015 年 5 月在 1.5U 尺寸的 BRICSat-P 立方星上進(jìn)行了首次飛行，推進(jìn)系統(tǒng)兩次 48h 點(diǎn)火，使衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)速度從約 30 ( ° ) /s 降至 1 ( ° ) /s，近年來(lái)該大學(xué)提出采用多陰極來(lái)提升壽命，以及在推力器下游增加一個(gè)磁等離子動(dòng)力學(xué)加速級(jí)形成 μCAT-MPD 推力器，在不到 50W 功率的情況下實(shí)現(xiàn) ( 1.7±0.3 ) mN 推力。上?？臻g推進(jìn)研究所研制的鈦工質(zhì)微陰極電弧推進(jìn)系統(tǒng)配備 2 個(gè)推力器，功率 10W，平均推力 10~20μN(yùn)，元沖量 1μN(yùn) · s，壽命 250 萬(wàn)次。上海交通大學(xué)對(duì)微陰極電弧推力器的羽流圖像、放電特性、陰極燒蝕情況等進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)電感存儲(chǔ)能量越大，外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度越小，脈沖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，同時(shí)外加磁場(chǎng)可顯著提高電離率和性能。

三、關(guān)鍵技術(shù)

微功率電推進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

1. 微尺度空間內(nèi)的高效能量轉(zhuǎn)換技術(shù)。微功率電推進(jìn)由于推力器尺寸很小，電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能過(guò)程中，推力器通道內(nèi)表面對(duì)介質(zhì)流動(dòng)、等離子體碰撞、熱傳導(dǎo)等作用顯著，需要對(duì)性能影響因素及其作用規(guī)律開(kāi)展深入研究，不斷提升能量轉(zhuǎn)換效率，提升產(chǎn)品性能。

2. 顯著邊界效應(yīng)制約下的長(zhǎng)壽命技術(shù)。微功率推力器往往是整個(gè)系統(tǒng)的壽命瓶頸，在推力器工作過(guò)程中，由于內(nèi)部空間極為有限，極易導(dǎo)致熱量積聚、等離子體削蝕增強(qiáng)、壁面沉積加劇、電極間絕緣性能衰減，制約壽命，因此需要對(duì)壽命制約因素進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)延壽措施。

3. 有限體積條件下的高度集成化技術(shù)。微功率電推進(jìn)系統(tǒng)往往需要在極為有限的體積內(nèi)完成電推力器、貯供系統(tǒng)、電源和控制器等的布局，需通過(guò)布局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)復(fù)用、新材料、新工藝的引入等途徑，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高度集成。

4. 考慮全壽命周期的高效益設(shè)計(jì)技術(shù)。面向微小航天器的微功率電推進(jìn)產(chǎn)品在確保性能、壽命和可靠性的前提下不斷降低成本，需要針對(duì)全壽命周期，不斷明晰工作機(jī)制和性能衰減機(jī)理，優(yōu)化設(shè)計(jì)思路、完善模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)的方法、流程和工藝，做到產(chǎn)品性能、壽命、可靠性和成本之間的最佳平衡，實(shí)現(xiàn)高效益設(shè)計(jì)方法。

5. 高效率、高可靠的自動(dòng)化裝測(cè)技術(shù)。微功率電推進(jìn)降低生產(chǎn)成本、提高可靠性的關(guān)鍵途徑是引入自動(dòng)化裝測(cè)技術(shù)，自動(dòng)化裝測(cè)并非是產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來(lái)后才考慮的，而是要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)同步考慮零部件的結(jié)構(gòu)、裝配測(cè)試方法，自動(dòng)化裝測(cè)產(chǎn)線還需要具備信息追溯、敏捷適應(yīng)不同產(chǎn)品、自動(dòng)化故障診斷和處理等功能。遨天科技公司的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)已經(jīng)做出了很好的示范。

6. 高精度、高可靠的極限性能測(cè)試技術(shù)。微功率電推進(jìn)推力小、比沖高、壽命長(zhǎng)，某些任務(wù)還需要極小的推力分辨率、推力響應(yīng)時(shí)間、元沖量、寬頻域噪聲等，指標(biāo)可謂達(dá)到目前技術(shù)水平的極限，給指標(biāo)測(cè)試帶來(lái)了很大困難。需要持續(xù)開(kāi)展高精度、高可靠性能測(cè)試技術(shù)研究，逐步實(shí)現(xiàn)測(cè)試技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，為準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)品性能奠定測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)。

7. 高置信度的加速壽命評(píng)估技術(shù)。微功率電推進(jìn)系統(tǒng)雖然功率和推力很小，但壽命很長(zhǎng)，往往達(dá)到數(shù)百至數(shù)千小時(shí)，1:1 的全周期壽命考核對(duì)人員、設(shè)備、成本都提出了很高要求，特別是微功率電推進(jìn)系統(tǒng)未來(lái)將以批產(chǎn)化的方式生產(chǎn)，壽命和可靠性的快速評(píng)估勢(shì)在必行。需要對(duì)電推力器及其推進(jìn)系統(tǒng)的壽命影響因素進(jìn)行全面、系統(tǒng)化的研究，尋找影響壽命的關(guān)鍵因素及其作用規(guī)律，提出、驗(yàn)證并不斷完善高置信度的加速壽命評(píng)估技術(shù)。

四、未來(lái)展望

近年來(lái)，不斷進(jìn)步的微功率電推進(jìn)技術(shù)以其功率小、推力小、壽命長(zhǎng)、可調(diào)節(jié)、無(wú)毒化、模塊化、沖量精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)，提升了立方星、低軌星座衛(wèi)星等的性能，促進(jìn)了商業(yè)航天的迅猛發(fā)展，還使重力梯度測(cè)量、引力波探測(cè)等極限空間科學(xué)任務(wù)從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。微功率電推進(jìn)技術(shù)眾多，各有特點(diǎn)，需要針對(duì)具體任務(wù)具體分析適用的技術(shù)。

微功率電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有：

1. 提升效率。目前微功率電推力器和系統(tǒng)效率普遍較低，需持續(xù)開(kāi)展內(nèi)部工作機(jī)理研究，不斷優(yōu)化模型和設(shè)計(jì)方法，提升效率。

2. 新型電推進(jìn)技術(shù)研究。針對(duì)主要微功率電推進(jìn)技術(shù)存在的電極燒蝕制約壽命的問(wèn)題，開(kāi)展基于微波、射頻、激光等無(wú)電極能量注入的新型電推進(jìn)技術(shù)研究。

3. 新型工質(zhì)應(yīng)用研究。針對(duì)微功率霍爾、離子電推進(jìn)目前廣泛應(yīng)用的價(jià)格高、貯存壓力高的氙氣工質(zhì)，開(kāi)展碘、水等新型低成本工質(zhì)的微功率電推進(jìn)研究。

4. 貨架產(chǎn)品研制。針對(duì)具有相似動(dòng)力需求的空間任務(wù)，開(kāi)展接口標(biāo)準(zhǔn)化的微功率電推進(jìn)貨架產(chǎn)品研制，采用柔性生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的敏捷生產(chǎn)和測(cè)試，加快電推進(jìn)產(chǎn)品在航天器上的總裝測(cè)試。