国外碘工质电推进技术研究现状系列文章【推力器篇】

随着电推进技术的广泛应用，氙气高成本、低存储密度的问题逐渐显现出来，电推进对廉价工质的需求日益增加。碘工质由于其价格低廉、便于存储等优点成为了各个国家与机构的研究重点。本文总结了国外不同机构在碘工质推力器方面的研究现状，并提出了碘工质电推进发展建议。

01、概述

电推进技术种类较多，在诸多的电推进技术中，霍尔推进和离子推进是目前技术最为成熟、应用范围最广的电推进技术。这两种推力器的传统工质均为氙。然而，随着电推进技术的快速发展以及氙气的广泛应用，氙气工质电推进存在的一些问题也逐步显现。一方面，氙气在自然界的储量很少，提纯的难度大、成本高；另一方面，氙气在空间应用时的储存和输运都依赖于高压气瓶，储存密度较低，复杂的高压管路也会增加系统的复杂程度，降低系统可靠性。因此有必要开发能够高密度存储、价格低廉的新型电推进工质。

碘兼具了惰性气体推进系统设计难度较低和金属工质推进系统存储密度高的优点，碘升华温度较低，系统热设计相对不复杂，输送管路压力较低，便于控制。此外，碘工质电离能较低，相对原子质量较高，作为工质时推力器效率，推力等参数性能较好，价格也不昂贵，被认为是最有可能替代氙气的下一代高性价比电推进工质，是目前各个国家与机构的研究重点。本文主要介绍国外碘工质电推力器的研究现状并进行分析。

02、碘工质推力器研究现状

自美国Busek公司2011年在BHT-200霍尔推力器上成功开展了碘工质点火验证以来，碘工质推力器研究取得了巨大的进展，Busek公司在BHT-200-I霍尔推力器成功点火后，又在BHT-600、BHT-1000、BHT-8000霍尔推力器上开展了碘工质试验。除了碘霍尔之外，各国在射频离子推力器上也开展了碘工质的研究工作，Buesk公司研制了BIT-3 射频离子推力器，直径为3cm，功率为60W。法国ThrustMe公司研制了NTP30-I2碘射频离子推力器，额定推力0.8mN，比冲约2000s，其电推进系统搭载在北航空事一号卫星上率先实现了空间飞行验证，此外意大利的T4i公司也开展了碘射频等离子体推力器的搭载飞行试验。具体如下：

2.1、美国BHT系列碘霍尔推力器

美国Busek公司2011年在BHT-200霍尔推力器上开展了碘工质的点火验证，霍尔推力器阳极用碘工质，阴极用氙工质，成功验证了碘工质用于电推进的可行性。之后，Busek公司于2015年联合NASA马歇尔空间飞行中心（MFSC）、格伦研究中心（GRC）提出了以BHT-200-I霍尔推力器为验证对象的碘卫星iSAT计划，同时开展碘工质电推进系统技术研究。iSAT卫星项目于2012年提出，计划2017年飞行，但目前未见其飞行报道，原因未知。

针对iSAT计划研制的BHT-200-I霍尔推力器是BHT-200霍尔推力器的改进型，如图1所示。与BHT-200相比，BHT-200-I推力器在结构材料、阳极几何形状上进行了改进，并增加耐碘涂层。阳极和进气管由非磁性的耐碘金属制成，绝缘器采用了耐碘腐蚀的金属和钎焊材料，气体分配器也进行了重新设计。

图1 BHT-200-I霍尔推力器

BHT-200-I推力器在氙工质和碘工质下的工作状态如图2所示，性能对比如图4～图6所示。

图2 200W推力器点火状态（左：氙，右：碘）

图3 推功比随放电电压的变化

图4 阳极效率随放电电压的变化

图5 比冲随推功比的变化关系

BHT-200-I在碘和氙工质下测试的结果表明，碘工质有着足以与氙气工质媲美的稳定性和性能，在150V～250V的低放电电压条件下，碘工质性能与氙类似，阳极效率略低，当电压为300V时，碘工质表现出来的性能优于氙气，具有更高的推功比、效率和比冲。

Busek公司在BHT-200推力器上验证碘工质成功后，又在BHT-600、BHT-1000、BHT-8000等多款中大功率碘工质霍尔推力器上试验了碘工质。

BHT-600-I推力器在磁路和放电通道的尺寸上与BHT-600基本相同，其改进在于选用了与碘相容的材料和涂层解决了碘与推力器材料反映的问题。BHT-600-I推力器如图6所示。

图6 BHT-600-I霍尔推力器

2015年，NASA 格林研究中心分别采用氙气和碘作为工质对BHT-600-I霍尔推力器进行了系统耐久性测试（约 80 h，阴极采用氙作为工质）用来对比两种不同工质下推力器的性能，并观察在碘工质环境下推力器是否发生性能衰退或者推力器部件是否发生变化。试验分两次进行，第一次测试持续时间为34h。试验采用Busek的六硼化铈发射体空心阴极，碘工质采用比例阀进行流量的精确控制，在碘测试前，通过氙气工质在不同工况下确定推力器性能基线，氙气测试完成后，用碘工质开展测试。在消耗完碘（0.3kg）后，在放电电压300V，放电电流2A工况下再用氙气进行复测，发现测试前后的性能不变。测试前后推力器的性能如表1所示。从表中可以看出，相同工况下碘和氙的性能几乎相同。

表1 34h试验前后碘和氙的性能对比

第二次测试持续46h，测试采用钡钨空心阴极，碘流量供应没有采用比例阀来进行精确控制（比例阀腐蚀），而是通过调节贮箱温度来进行流量调节，在300V工作电压下，放电电流维持2A直至碘耗尽，完成碘的测试后，采用氙气复测，性能并未发生变化，说明80h的工作时间下推力器未发生性能衰变。

在2017年，BHT-600-I霍尔推力器又开展了1174h的长寿命测试，在进行碘工质测量前，同样先用氙气进行了性能基线的确定，在300V/2A工况下，阳极氙气流量为2.52mg/s，阴极氙气流量为0.2mg/s，测定推力为41.3mN，比冲1550s。氙性能基线建立后，开展碘的长程点火试验，为了确保与氙气工作在同样的300V/2A工况下，在点火过程中每隔8～12h对贮供系统进行温度调节，通过温度的闭环反馈控制实现放电电流可控。在碘的试验过程中，定期展开氙工质性能测试，以评估长时间碘点火后对推力器性能的影响。相近时刻下氙气和碘的性能如表2所示。整个寿命试验过程中，推力器的推功比下降约16%，相同工况下，碘、氙的性能近似。

表2 不同时刻下碘、氙性能参数

BHT-1000霍尔推力器碘工质与氙工质的性能比较结果见表3。从实验结果看，在同等工作条件下，碘和氙的效率几乎相同，但碘的比冲更低，推功比更高。通过对比发现，碘蒸气放电与氙气放电相比，产生的比冲略低而推力功率比较高，推力器效率也较为接近。

表3 BHT-1000在氙工质（右）和碘工质（左）下的性能比较

BHT-8000在碘工质下放电功率2～10kW，工作电压可达700V，当电压500V时，最大比冲超过2500s，阳极效率最大能达到66%。

Busek的碘霍尔推力器在试验时空心阴极均采用氙作为工质，这是由于钡钨和六硼化镧在碘蒸气作用下均不能长时间有效工作，但碘工质空心阴极的研究并没有停滞。

美国NASA用发射体空心阴极（BaO-CaO-Al2O3）开展了碘工质点火试验，旨在验证阴极的耐碘腐蚀能力和寿命，从而判断其是否满足iSAT项目的使用要求。在研制过程中发现当用碘进行阴极点火时，阴极点火状态不稳定，即便点火电压在500V以上，阴极也不能稳态工作。当用点过碘的阴极再用氙气点火时，点火电压升高，说明阴极已经退化，发射体出现中毒的现象。）发射体空心阴极未见其开展碘工质点火的试验。

由于钡钨和六硼化物发射体空心阴极抗氧化能力较弱，无法承担碘工质条件下长时间工作的要求，各研究机构开展了抗氧化新型发射体空心阴极的研制。

C12A7:e-是一种无机材料，被称为无机电子化合物。它是迄今为止第一种可以在潮湿空气环境和高温下保持结构稳定的电子化合物。早期报道的逸出功仅仅为 0.6eV，远远低于 BaO-W（2.1eV）和 LaB6(2.7eV)；电子密度高达 2.0×1021cm-3；300K 时电导率可以达到 1500S/cm;由于C12A7：e-特殊的晶胞结构，其有潜力具备一定的抗氧化能力，可以作为新型的发射体材料。

图7 不同类型发射体材料的发射电流密度与温度的关系

科罗拉多州立大学电力推进与等离子体工程实验室(CEPPE Lab)的 Lauren P. Rand 于 2011 年首次将 C12A7 材料作为发射体应用于空心阴极。2013年，针对碘工质，Rand和Busek公司合作测试了 C12A7 阴极在碘工质下的兼容性，阴极成功以碘为工质室温下点火，碘工质C12A7空心阴极点火状态如图8所示。碘工质流量13sccm，发射电流3～15A。在室温下阴极重复性启动和操作特性没有遇到困难，在碘工质下没有出现不兼容性，50h实验后阴极未出现退化或者污染的现象。

图8 碘工质C12A7空心阴极实物和点火状态

目前C12A7空心阴极的问题在于：由于C12A7电子化合物的熔点较低，约为1230℃，而空心阴极发射体工作温度大约在1000～1100℃，因此阴极工作时的温度可调范围较低，如果发射电流较大，可能会导致C12A7电子化合物熔化并逐步分解，导致阴极失效。

2.2、俄罗斯SPT-70霍尔推力器

俄罗斯能源设计局和鲍曼莫斯科国立技术大学联合开展了碘工质霍尔电推进技术研究，研制了碘贮供系统（图9），在阳极用碘，阴极用氙的条件下，实现了SPT-70霍尔推力器碘工质点火（图10），点火时，羽流抖动明显，碘蒸气流量约为1.82mg/s，放电电流1.4～1.6A，明显小于额定电流。

图9 碘工质霍尔电推进试验系统示意图

图10 碘工质SPT-70霍尔推力器点火

2.3、美国BIT-3射频离子推力器

Busek公司研制的BIT-3（图11）推力器是世界上第一款用碘作为推进剂的射频离子推力器，其采用射频天线作为能量传播媒介将功率耦合到放电室内实现工质的电离，采用不需要发射体的射频阴极提供推力器工作所需的中和电子。碘、氙工质下BIT-3推力器性能对比如图12所示，碘工质推力0.4～1.1mN，比冲1100～3100s。与氙气相比，相同流量下碘工质在比冲和推力方面都偏小，但差别不大，2021年1月，BIT-3射频离子推力器完成了3500h寿命试验。

图11 Busek公司的BIT-3碘工质射频离子推力器及其点火照片

图12 碘、氙相同流量下BIT-3性能对比

阴极方面，Busek公司给BIT-3射频离子推力器配置了一台BRFC-1射频阴极用来中和推力器羽流，如图13所示。

图13 BRFC-1射频阴极

NASA的SLS EM-1探索任务计划部署13颗6U大小的立方星用于月球探测，其中的Lunar IceCube计划采用BIT-3碘射频离子推进系统（图14）用于搜寻月球上的水和冰，系统功率为56W～80W，比冲1400s～2640s，推力0.66mN～1.24mN，2022年11月16日随SLS登月火箭发射升空。

图14 Busek公司研制的BIT-3碘工质射频离子电推进系统

2.4、法国NPT30-I2射频离子推力器

NPT30-I2推力器由法国ThrustMe公司研制的一款碘工质射频离子推力器，其原理图和实物如图15所示。碘储罐连接到等离子体源管，源管末端是两个高压、多孔的栅网（光学系统），罐体加热，碘升华，碘蒸气进入源管，等离子体通过使用射频感应天线的电子碰撞电离产生，等离子体被加速喷出产生推力。

图15 NPT30-I2推力器原理示意图（左）和实物（右）

设计时NPT30-I2可在两种工作模式下固定流量运行：1）大推力（Isp <1000 s），当推力值在输入功率 65 W 时可以达到 1.2 mN；2）高比冲（Isp> 1500 s），当推力在相同功率范围内可以达到 0.7 mN 。大推力和高比冲的差异是由于用于等离子体产生的射频功率值矩阵不同造成的。NPT30-I2推力器工作羽流如图16所示。

图16 NPT30-I2推力器点火照片

NPT30-I2大推力模式下推力器总功率35-60W，计算的推力和 Isp值在如图17所示，推力范围0.6～1mN，比冲700～1000s。

图17 NPT30-I2推力器推力和比冲

2020年11月6日，NTP30-I2碘射频离子电推进系统搭载在天仪研究院研制的北航空事一号卫星上发射升空，2020年12月28日，NTP30-I2碘射频离子电推进系统首次在轨点火成功。并在2021年1月2日成功地进行了第二次开机。经过电推进系统通过两次90min的点火运行，卫星轨道总高度变化了700m，证明了碘作为电推进系统工质的可行性。NTP30-I2碘射频离子电推进系统（图18）总功率55W，额定推力0.8mN，比冲约2000s，重量1.7kg，可调范围为功率30-60W，推力0.4-1.1mN）。

由于系统功率较低，NPT30-I2射频离子推进系统采用了两个碳化钍钨丝作为阴极用来中和推力器羽流，阴极的预估寿命达到3600h。

图18 NTP30-I2碘射频离子电推进系统示意图和实物图

2.5、意大利磁增强型等离子体推力器

意大利Technology for Propulsion and Innovation SpA（T4i公司）研制了一款名为磁增强型等离子体推力器（MEPT）用于立方星的推进，MEPT是一种无阴极的等离子体推力器，其结构简单，无接触电极，无阴极中和器，因此不会产生电极腐蚀，容易实现长寿命工作。MEPT的样机及结构如图19所示，其主要部件包括：（1）放电室，用于提供中性气体电离的空间；（2）射频天线，用于提供产生和加热等离子体的能量；（3）永磁体，产生静磁场，用于加强等离子体约束和增强磁喷管效应改善推力。

图19 MEPT样机及结构示意图

MEPT推力器在氙、碘工质下的点火状态和性能对比如图20和图21所示。从图中可以看出，碘工质下推力最大0.77mN，比冲770s，功率51W。在同等功率条件下，碘工质的性能大约比氙低10%～20%，但就立方星的使用而言，碘工质的较高密度存储和低压输运在使得碘在推进系统层面上具有较大的优势。

图20 MEPT推力器点火状态

图21 碘、氙工质下MEPT推力器性能对比（射频频率2MHz，工质流量0.1mg/s）

2021年3月，REGULUS碘推进系统（采用的MEPT推力器）搭载在意大利GAUSS公司的UNISAT-7立方星上发射，成为第二个在轨验证的碘工质电推进系统。体积包络1.5U，总质量2.5kg（含推进剂），推力0.6mN，比冲600s，功率50W，额定总冲3000N·s（折算累积工作时间1389h）。

03、总结和建议

与氙工质电推进相比，碘工质电推进性能相仿，推力器构型相似，电源通用，同时碘工质成本低、易存储、密度高，是替代氙作为电推进工质的有力竞争者。因此，我们有必要大力发展碘工质电推进技术，以适应航天电推进的发展趋势。推力器方面，基于国外在碘工质电推力器的研究现状，我国发展碘工质电推力器需要做到以下方面：

（1）研制长寿命碘工质空心阴极。空心阴极是霍尔和离子推力器的关键组件，承担了提供工质电离种子电子和中和推力器羽流的重任，当前应用广泛的钡钨阴极和六硼化镧阴极发射体与碘不兼容，不能长时间工作，影响了碘工质霍尔推力器工程应用的进程，因此需要开展新型长寿命碘工质空心阴极的研制。

（2）确保碘工质的相容性。碘具有腐蚀性，在进行碘推进系统研制时需要考虑碘对推力器组件、贮供系统、地面真空设备以及航天器的腐蚀、污染问题，选择与碘相容性较好的材料来进行产品制备、试验条件建设。

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参考文献

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