据国资委网站1月14日报道 - 我国首款牛级推力霍尔推力器点火成功“ 航天科技集团六院801所研制的我国首款20千瓦大功率霍尔推力器成功完成点火试验，点火时间累计达8小时，点火次数超过30次。该推力器的成功研发，实现了我国霍尔电推力器推力从毫牛级向牛级的跨越。试验过程中，推力器点火可靠，运行平稳，工作参数稳定，实测推力1牛，比冲3068秒，效率大于70%，性能指标达到国际先进水平。”

首先为大家解读一下这则报道中的关键词

大功率霍尔推力器 – 霍尔推力器是目前应用最普遍的一种航天电推力器，电推力器是是电推进系统的推力产生装置。电推进指利用电能来加热、电离并加速推进剂喷出，产生推力的一种空间推进技术，。通过电磁场的相互作用使推进剂被电离并由静电场加速离子产生轴向加速度，最终高速喷出而形成推力。目前普遍使用的电推进剂是超高纯度氙气。

图-电推力器结构原理图

图-电推力器在某卫星上的安装位置示意图，红色处为电推力器

根据电推力器的功率大小，可将其分为微小功率、中功率和大功率电推进。一般将功率高于10kW的电推进称为大功率电推进，大功率电推力器在航天任务中应用更加广泛。同时对作为推进剂的超高纯度氙气的需求量也更大。

图 - 20kW电推力器点火时喷发出高速蓝色羽流

点火时间8小时和点火次数超过30次 - 从该数据可以看出，该型号推进器目前可能还处于原理样机阶段。在电推力器最常见的应用领域-卫星轨道和姿态控制中，如按卫星在轨时间15年计算，一般要求电推力器寿命达到10000小时以上，期间点火次数约8000次。我国目前进入实际应用的电推力器均经过至少8000小时以上寿命考核。

毫牛级和牛级-毫牛和牛是力学单位毫牛顿和牛顿的简称。1牛顿 =1000毫牛顿。目前航天电推进技术尚处在初级阶段，尤其是推力太小。那么推力究竟有多小呢 ？以长征5号火箭发射的实践二十号卫星为例，SJ-20卫星有4套LIPS-300离子电推进系统。LIPS-300功率达到5kW；推力约200mN；一张80g的A4纸的质量约为4.99g。这张纸在咱们地球上所受的重力约为48.9mN。也就是说，一台LIPS-300 离子推进器火力全开的时候，其推力也只能托起四张A4纸。

图 – 中国航天部门公开发表的电推进系统样机

图 - LIPS-300电推力器实物

1牛 - 按国资委网站的报道801所研制的20kw推进器，实际推力达到1牛。1牛顿等于要使质量1千克物体的加速度为1 m/s2时所需要的力。1牛的推力在地球上估大概够举起两个鸡蛋。而与此相比卫星上使用的化学推进器的推力一般都可以达到10-100N甚至更大。我国嫦娥系统中的登月装置主发动机推力为7500N。

既然只有如此小的推力，那么为什么这次的新型电推力器实验成功还值得国资委网站特别报道并各大媒体广泛转载呢 ？这就要说到报道里的另一个关键词。

比冲3068秒 -比冲是衡量空间推力器性能的一个重要指标，直观的表述了推进剂的喷射速度。推进剂的喷射速度越大则产生相同速度增量的所消耗的推进剂质量就越小。

801所研制的这台电推力器比冲为3068秒，这意味着这台电推力器工作时喷射出的蓝色氙离子流的平均速度高达30066米/秒。这个速度大约是音速的88倍。阿波罗登月工程所用的土星5号火箭上面的F1液氧煤油发动机，燃气喷流的速度约为2500米/秒。我们常见的固体火箭发动机比冲大约在200-300秒，液体火箭发动机比冲大约180-460秒。

图-F1液氧煤油发动机和他的设计者冯·布劳恩

图-中国航天第二代490N轨道控制发动机

可以与航天801所研制的牛级霍尔推进器进行对标的是美国NASA的X3霍尔推进器。X3推进器直径80cm，功率102千瓦，最大推力5.3牛，比冲3000秒。X3推进器同样还处于设计定型阶段。X3推进器的上一代产品X2推进器的最大推力为3.3牛顿。NASA希望X3成为太阳系内远距离太空探索的短期解决方案，在未来二十年内运送人类登陆火星。

图-美国X3推进器

航天器在太空中处于失重环境，也没有大气阻力，推力很小就能发挥较大的作用。只要喷射速度够快，比冲就够大，哪怕推力低，速度增量小，但是电推进剂消耗耗大大少于传统的化学燃料，因此只要能多带更多的工质，长时间的加速累计下来就航天器就可以达到很惊人的速度。

牛级电推力器较之前的毫牛级的电推力器推力大了数倍，使其在执行卫星变轨任务时，可以大幅缩短变轨时间，也可以作为大型航天器、深空探测器的主动力系统。科幻电影中那喷射着蓝色火焰的宇宙飞船在现实中已经蹒跚起步，尽管现在它们的推力还只能在地球上托起几个鸡蛋。

 

国产电推进用氙气产品的研发

中国的气体工业从20世纪70年代开始研发稀有气体提炼技术，至21世纪初产品基本达到5.0N纯度水平。此时稀有气体（XE，Kr，NE）基本作为一种电光源气体使用。21世纪10年代LED照明开始大规模的替代传统照明，导致稀有气体市场需求低迷。自2013年起随着国产电推进系统的逐步成熟，国内航天部门开始向国内的稀有气体主要生产厂商下达了研制航天电推进用氙气的技术指标。国内有宝钢气体，邯钢气体，首钢气体参加了航天部门组织的技术攻关研制。

航天推进级氙气的主要技术难点在于要求气体中的水分和氧组分均小于0.1PPM，而当时国内氙气的这两项指标的国家指标分别为1PPm 和 0.5PPm。各厂家先后解决了气体容器预处理，超高洁净度充装，PPb级痕量组分分析等技术难题。至2018年三家大厂产品全部达到航天部门下达的指标要求。国内航天部门还与三大厂家联合起草了航天推进剂用氙气的国家军用标准。

图-电推力器阴极电子发射性能与推进剂气体

图 – 宝钢气体XE产品中水氧含量的关系，实际测试中水含量达到30PPb

近年来随着半导体集成电路技术的发展，氙气和氪气在集成电路中的应用日益突出，市场需求量激增。氙气被用于准分子激光光刻，离子注入，晶圆静电中和等重要的半导体制程工艺中。氪气在3D NAND Memory的通孔互联制程中取代了氩气成为重要的蚀刻工艺气体。国内厂家在研发航天电推进氙气中所应用和累积的技术都被很快的应用到了电子级稀有气体产品的研发和生产中。目前国内重要主要稀有气体厂家生产的产品已经开始进入国际半导体大厂的供应链。2019年电子级氙气被作为重点国产化半导体材料列入国务院《工信部重点新材料应用示范指导目录（2019版）》。纵观集成电路制程中所需用到的几十种电子气体，不少目前还是依赖进口，有的虽然已有技术突破但产品质量的稳定性还有待于提高。中兴事件后半导体器件和材料的“卡脖子”问题受到举国上下的瞩目，而稀有气体是电子气体中较早实现了国产化替代的产品。这是航天技术对国内其他产业产生的带动作用的生动体现。

图-集成电路离子注入工艺

图- 3D NAND 的多层金属互联通孔结构

稀有气体助力航天推进新时代（下篇）将主要介绍稀有气体在航天电推进领域的应用前景和市场规模、典型的电推进航天器推进剂氙气加载量、2019年中国航天GEO卫星发射情况、氪气或将替代氙气在星链计划”（Satrlink）中发挥重大作用。

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