2025年全球电力鞭策卫星商场估值503亿好意思元，揣摸到2035年将增至1797亿好意思元......

卫星商场起来了，电鞭策技能就不再是航天领域的小众技能，而是指向千亿好意思元的大商场。

3D科学谷获悉，国外生意航天企业Rocket Lab（火箭实际室）近日发布了名为Gauss的霍尔电鞭策系统，并告示已建成年产能超200台的生产线。CEO彼得·贝克直言：“大鸿沟星座已是常态，但鞭策系统遥远无法可靠地鸿沟化供应——这是所有这个词行业的瓶颈。”

电鞭策系统，浅显说便是用电能把氙气、氪气这类鞭策剂电离成等离子体，再通过电场或磁场加速喷分娩生推力。NASA的数据自大，电力鞭策不错省却高达90%的鞭策剂质地，卫星更轻，辐照资本也更低。业界常把电鞭策系统比作卫星的“腹黑”。

国外巨擘商场辩论机构Global Market Insights的敷陈指出，2025年全球电力鞭策卫星商场估值503亿好意思元，揣摸到2035年将增至1797亿好意思元，年复合增长率14%。敷陈还指出，增长能源来自商场对更高效、更具资本效益的卫星遥远燃料决策的需求。

再看国内。战略扶助加上技能冲破，我国低轨卫星星座设立如故参加快车谈。据3D科学谷的商场不雅察，我国向国外电联肯求的低轨卫星数目已达5.13万颗。

“3D科学谷白皮书知道

卫星商场起来了，电鞭策技能就不再是航天领域的小众技能，而是指向千亿好意思元的大商场。

3D科学谷精通到，Rocket Lab在官方新闻中谈到其霍尔电鞭策器的制造才能时，零散方式首席工程师强调了他们在火箭发动机上麇集的3D打印批量生产训戒。天然官方莫得明说电鞭策器的量产才能与3D打印技能相干，但这深刻出用于火箭发动机制造的3D打印技能，与电鞭策器的鸿沟化制造之间，存在着可搬动的关联。

如今在航天制造领域，“3D打印是否有价值”早已是行业共鸣，寰球更关爱的是具体用在哪些部件、终了什么效益。电鞭策系统制造方面已有公开案例：我国五院510所的EP-1A型霍尔电鞭策居品，其贮供单元接收3D打印一体化遐想后，体积缩小70%、分量减轻35%；电源处理单元制造周期缩小了60%。

挑战仍在，深度技能冲破亟待关注

电鞭策要批量生产、庸碌应用，依然濒临不少贫寒。比如氙气工质每千克数万元，价钱波动剧烈、资本高，制造效率与一致性难以保证，氩气这么的新式工质电离效率偏低等。其中，工质替代是责备星座运营资本的关节旅途。SpaceX星链2.0如故大鸿沟应用氩工质霍尔电鞭策，而国内在这一领域的辩论尚处于追逐阶段。

本期谷·专栏将共享《中国航天》期刊刊登的《氩工质霍尔电鞭策技能辩论综述》一文。著述系统梳理了氩工质的物性特质、国表里应用近况、技能难点以及将来发展认识。

咱们但愿借此激勉谷友们对一件事的念念考：新工质带来新工况对推力器结构件、贮供单元的材料和制造工艺建议了新要求，3D打印在其中不错作念些什么，3D打印粗略为电鞭策系统鸿沟化生产及不绝迭代作念些什么。了解电鞭策的技能前沿与产业痛点，才能更精确地定位增材制造在航天能源供应链中的价值坐标。

以下为《氩工质霍尔电鞭策技能辩论近况与瞻望》正文。

刘佳1，2，3 丁明浩1，2，3 黄浩1，2，3 丁永杰4 张岩1，2，3

1.上海空间鞭策辩论所；

2.空间高遵守鞭策技能及应用世界要点实际室；

3.上海空间发动机工程技能辩论中心；

4.哈尔滨工业大学

低轨星座如故成为我国航天产业的垂危增长点，我国现阶段蓄意的星座卫星鸿沟在5万~6万颗，且还在不绝增长，将来的商场竞争将极端热烈，低资本成为决定成败的关节成分。氩工质具有资本低、产量大、表面比冲高级超过上风，将来应用前程遍及。

一、氩工质霍尔脾气分析

霍尔电鞭策如故成为空间鞭策垂危构成部分，据统计，每100颗建树电鞭策的航天器中就有96颗建树霍尔电鞭策。现阶段，霍尔电鞭策的主流工质是氙气，比较其他工质，氙工质的玄虚性能最好，主要体当今：（1）相对原子量大，换取条目下输出推力最大；（2）电离率高，易酿成高密度等离子体；（3）易终了微弱流量的高精度轮番；（4）贮存压力相对较低、贮存密度大；（5）与绝大多数材料兼容。

但是，氙气也存在彰着的价钱高、产量小的问题。氙气主要通过空分技能从空气中索要，氙气在空气中的体积分数不到1/107，全球氙气的年产量约为60t，其中40%用于半导体产业，可用于空间电鞭策行业的氙气只好10%~30%；平日，低轨星座卫星的氙气加注量约为数千克至数十千克，跟着低轨卫星年辐照数目达到数百颗且不绝增长，氙工质供应问题缓缓显现。氙气价钱不菲，每千克价钱平日为数万元，且价钱波动较大，近5年的波动幅度跳动20倍，最高价钱达到10万元每千克，为低轨星座等航天产业的发展带来不安稳成分。

早期，卫星的辐照数目少、附加值高，氙工质的问题并不超过。但自2019年以来，低轨卫星星座及生意航天的兴起与快速发展，带动空间电鞭策应用范围急剧彭胀，对氙工质的需求量彰着高潮，对低资本的要求越来越尖刻，氙气的替代工质迟缓成为空间鞭策辩论的热门和要点认识。

在诸多的替代工质中，氩工质是最垂危的发展认识之一，尤其是在好意思国建树氩工质霍尔的“星链”2.0mini版卫星大鸿沟胜利应用的布景下，氩工质居品研发速率彰着加速。比较氙工质，氩工质的上风体当今：（1）储量大、产量高。在空气中氩气含量是氙气的10万倍，年产量可不雅。（2）价钱低。氩气的价钱只好氙气价钱的1/5000控制，每千克氩气的价钱不到10元。（3）原子量小，表面比冲高。在换取加速电压下，氩气表面比冲比氙气高80%。但关于小功率霍尔推力器，氩气骨子比冲时时比氙工质低，主要原因是氩气的电离率小、工质愚弄效率低，导致骨子比冲偏低。跟着霍尔推力器放电功率的增大，氩气的骨子比冲会增多，当放电功率达到5千瓦级时，氩工质的比冲会跳动氙工质，且跟着霍尔推力器放电功率的增多，氩工质效率也增多，当功率达到20千瓦级，氩工质效率与氙基本格外。

然则，氩工质也存在系列的问题，主要体当今：（1）换取条目下氩的电离率小，工质愚弄效率偏低。氩气的电离能为15.7eV，氙气的电离能为12.1eV，氩气电离能比氙气大3.6eV；氩气的电离截面小，在电子能量为50eV时的电离截面只好氙气的一半；工质的电离率与电离截面正相干，与电离能负相干，氩气的电离率小，电离难度更大，见表1。（2）氩气贮存压力大、贮存密度小。在常温（25℃）条目下，氩气在20MPa压力下的贮存密度为0.34kg/L，而氙气在15MPa压力下的贮存密度就达到2.0kg/L，氩气的贮存效益彰着低于氙气。

表1 氩和氙主要物性参数

二、国表里应用及辩论近况

目下，国表里只好好意思国天际探索技能公司（SpaceX）的“星链”卫星终了氩工质霍尔电鞭策的空间应用。此外，一些国度和地区的辩论机构已开展了相干辩论责任，主要有俄罗斯中央机械制造辩论院、英国南开普敦大学、日本筑波大学、好意思国密歇根大学等。在我国，北京易动宇航科技有限公司（简称“易动宇航”）、哈尔滨工业大学、上海空间鞭策辩论所等单元正在进行相干辩论。表2给出洋表里典型的霍尔推力器氩工质性能测试统计情况。

表2 国表里典型的霍尔推力器氩工质实测性能统计

2023年2月27日，SpaceX“星链”2.0 mini版首批21颗卫星胜利辐照，终了氩工质霍尔电鞭策国外上初次在轨应用。收尾2025年12月12日，共计辐照97批次共计2381颗卫星，其中，2023年辐照8批次共计177颗卫星，2024年辐照12批次共计271颗卫星，2025年在12月12日前辐照77批次共计1933颗卫星，见图1。“星链”2.0 mini版卫星质地575~790kg，建树氩工质霍尔电鞭策系统主能源，用于推论轨谈进步、轨谈看护等任务。据公开贵府自大，其推力器功率4.2kW，推力170mN，比冲2500s，效率50%，质地仅有2.1kg。

图1 “星链”2.0mini卫星积年辐照次数及数目

在“星链”2.0 mini版卫星首批星辐照不久，2025年7月，易动宇航对外发布该公司研制的宽功率范围转变氩工质霍尔推力器胜利燃烧，推力器实测功率0.2~1.2kW，推力6~46mN，比冲700~1900s，这是国内首款公开报谈的氩工质霍尔推力器居品。同庚，哈尔滨工业大学公开宣传其研制了氩工质永磁体霍尔推力器，并终了300~1350W功率燃烧。

俄罗斯中央机械制造辩论院在氙工质霍尔推力器（D-100）基础上测试了氩工质在6~15kW功率范围的输出性能，见图2。氙工质比冲2500~4250s、效率67%~75%；氩工质比冲3000~4400s、效率32%~44%；氩工质比冲比氙工质高150~500s，但氩工质效率比氙工质低32%~35%。

图2 俄罗斯的D-100霍尔推力器

日本筑波大学在氙工质霍尔推力器基础上开展了氩工质顺应性优化遐想，主要将放电通谈长度由蓝本的3mm增大到9mm。推力器放电功率700W，开云体育转换前氩工质的比冲为973~2227s，阳极效率为9%~22.3%，转换后氩工质与氙工质的效率差距缩小了5%~15%。

英国南安普敦大学也在100W氙工质霍尔推力器（HEKT-100）基础上进行了氩工质的性能测试。测试功率30~810W，氙工质的最大推力12.6mN，最高比冲2160s，最高效率26.3%；氩工质的最大推力6.7mN，最高比冲1390s，最高效率9.6%。表3给出HEKT-100推力器氙氩工质性能对比情况，氩工质的推力、比冲、效率等性能均低于氙工质，其中，氩工质的效率只好氙工质的36.5%。

表3 英国HEKT-100霍尔推力器氙氩工质性能对比

好意思国密歇根大学的学生团队基于氙工质霍尔推力器遐想行径，通过对比分析的表面行径遐想200W永磁体氩工质霍尔推力器，接收钐钴永磁体，磁感应强度为330G，最终终了氩工质安稳责任，累计燃烧时长达到5h。

上海空间鞭策辩论所于2023年开展了氩工质霍尔电鞭策关节技能辩论，明确霍尔推力器氩工质运转参数与经由，终显著推力器氩工质安稳责任，测试氩工质在3~5kW功率范围的输出推力60~170mN，比冲1700~2500s，最高效率在45%控制。

三、氩工质霍尔发展认识

针对霍尔推力器接收氩工质出现的电离难度大、比冲和效率偏低，贮存密度小、贮存压力高级问题，可采用的技能道路主要有夹杂工质增强电离、结构顺应性优化遐想、多级辅助电离遐想、低温液态高密度贮存等。

（一）夹杂工质增强电离

霍尔推力器工质电离主要通过电子与工质粒子间的电离碰撞响应，而响应概率与工质（中性）粒子的密度、高能电子数目过火能量漫衍、碰撞截面等关系。在氩工质中增多小数的氙气或氪气等会影响氩工质的电离效率，氙氪工质的添加会转折提高电子温度，从而增多工质的电离效率。

日本筑波大学在开展氩氙夹杂工质霍尔推力器辩论中发现：在纯氩气中增多5%的氙气，推力器的性能有彰着进步；在纯氙气中增多不跳动10%的氩气，推力器性能变化较小；在氩氙夹杂工质中，跟着氙气含量的增多，推力器效率同步增多，纯氩气推力器效率最低，平日不跳动5%。此外，法国奥尔良大学的辩论也发现氩工质中增多小数的氙气有意于电离：在24mL/min氩气中添加0.5mL/min氙气，夹杂气体电离效率高于纯氩气。

好意思国乔治亚理工学院的辩论发现：在氪工质中添加小数的氩工质有意于氪工质的电离，霍尔推力器的性能也会随之提高。在氪氩夹杂工质中，当氩气体积流量占比由0%增大到26%时：在2.6kW功率，推力由76mN增大到78mN，比冲由1600s增大到1650s，效率由23.5%增多到25%；在4.2kW功率，推力由103mN减小到102mN，比冲由2100s增大到2300s，效率由26%增多到27%。在氪工质中加入不跳动26%的氩气，推力器的推力基本不发生变化，而推力器的比冲、效率会有彰着提高（见表4）。

表4 2.6kW和4.2kW霍尔推力器氩氙夹杂工质性能变化

（二）结构顺应性优化遐想

现存霍尔推力器遐想表面或行径多适用于氙工质，接收氙工质推力器输出性能高、责任安稳性好；为顺应变工质的需求，需开展霍尔推力器结构的转换遐想，主要包括推力器特征尺寸优化，气体分拨器、磁路等结构转换等。

霍尔推力器的特征尺寸（见图3）主要包括放电通谈宽度h、放电通谈深度L、放电通谈中直径D。不同类型的工质，相对原子质地或原子质地越小，工质电离碰撞驰豫时候越短，增大放电通谈长度L不错延伸电离碰撞的驰豫时候，进而不错提高工质的电离效率。但是，需要精通的是霍尔推力器的工质流量或放电通谈内中性粒子的密度有上限值，当密度达到上限值后，磁场对电子的阻挡会被经常的电离碰撞松开，电势的轴向梯度（决定电离、加速成果）减小，最终导致在较高中性粒子密度下推力器性能责备。比较氙工质，氩工质对应的霍尔推力器放电通谈允洽加长，电离碰撞概率增大，在一定进程上可提高氩工质的电离率，密歇根大学研制的200W氩工质永磁体霍尔推力器，其放电通谈长度是氙工质的3.5倍。

图3 霍尔推力器特征尺寸暗示图

霍尔推力器气体分拨器的作用是将工质粒子均匀漫衍在放电通谈里面，尤其是在放电出口近邻的电离与加速区，要点磋议中性粒子密度径向漫衍均匀性及轴向速率大小，当径向密度越大，且漫衍越均匀，而轴向速率偏小时，不错终了较高的电离效率。日本东京大学团队通过改变放电通谈内工质气体的注入姿首来提高中性粒子密度，通过将旧例的轴向注入姿首改为旋转注入，在放电通谈出口处，中性粒子平均密度提高7.8%，推力器的阳极效率提高1.8%。

磁场强度及构型是霍尔推力器遐想的中枢，不同工质对应的最好磁场不同，不错通过优化磁场强度及构型遐想或增多辅助励磁，提高工质的电离效率。英国帝国理工学院辩论氩或氙工质霍尔推力器磁场曲率对径向-轴向能源学脾气及输出性能的影响，辩论发现：当表征磁场曲率的角度为-60°时，氩、氙工质的电离效率最高；当表征磁场曲率的角渡过大或过小时，两种工质的电离效率均会下落。

（三）多级辅助电离遐想

氩工质霍尔推力器接收旧例的电离姿首难以取得更高的电离效率，故而不错通过基于能量和电压合理分拨的原则增多辅助电离或将电离与加速分开的多级遐想达到提高工质电离率或离子加速效率的目的，终了推力器电离效率、比冲等性能的进步。

好意思国密歇根大学为提高霍尔推力器的电离成果，在放电通谈底部增多射频天线，起增强电离的作用，进而提高霍尔推力器的电离效率（见图4）。氩、氙工质的电离效率和推力均跟着射频功率的增多而安适增多，但由于射频功率的耦合效率偏低，导致推力器全体的效率下落；为处分射频功率耦合效率较低的问题，德国航空航天中心建议接收线性场矢量激励网罗产生线偏振电磁场的姿首改变射频功率与等离子体耦合机制，提高射频能量的耦合效率。俄罗斯中央机械制造辩论院接收双阳极遐想终了工质电离与离子加速的零丁轮番、工质电离与离子加速能量的合理分拨，进而提高霍尔推力器的比冲；霍尔推力器通过双阳极遐想将氩工质的比冲提高到4400s，高于氙气的4250s和氪气的3900s的比冲。

图4 好意思国密歇根大学的螺旋波霍尔推力器

（四）低温液态高密度贮存

氩工质在常温下的贮存密度远小于氙气，且其贮存压力远高于氙气，导致氩工质的贮供单元质地是氙工质的1.5~2.5倍。关于小鸿沟空间任务，氩气加注量平日在100kg以内，不错接收高压气态贮存姿首，增多的系统质地是不错经受的；但关于大鸿沟空间任务，氩气加注量在数吨级，旧例的高压气态贮存姿首代价过高，需接收87K以下的低温液体贮存行径，氩工质液态贮存的密度达到1.3kg/L，比较气态贮存，密度增多4倍（见表5）。低温液态贮存技能处于攻关阶段，需攻克低温贮箱多层绝热、微重力液体工质经管、零挥发主动制冷等关节技能。

表5 不同类型工质的沸点及液态密度

好意思国国度航空航天局（NASA）觉得，低温鞭策剂是参加空间及轨谈升沉最经济、效率最高的化学鞭策剂。好意思、欧在90K以上温区的低温液体贮存技能锻练度如故达到6级，具备航行演示检修才能；好意思国的热力学排气低温贮存技能锻练度达到5~6级，同步开展零挥发主动制冷低温贮存技能攻关。目下，我国兰州空间技能物理辩论所正在开展氪工质的遥远低温液态贮存关节技能辩论，贪图是终了液氪工质遥远在轨零挥发贮存；上海空间鞭策辩论所等单元正在开展液氧甲烷低温工质的遥远在轨贮存技能辩论，上述辩论均为氩工质遥远在轨低温液态贮存奠定基础。

四、将来应用瞻望

氩工质霍尔最大的上风是资本低，其在巨型星座、生意航天等对资本管控严格的领域上风最为彰着。针对工质加注量鸿沟较大的空间任务，氩工质低温液态贮存具有显耀的技能和资本上风。此外，氩工质的高比冲上风在20kW以上功率级的霍尔推力器中将得以终了，适用于大鸿沟、远距离的空间探伤等任务。

（一）巨型星座与生意航天

频年来，我国生意航天产业繁华发展，促进了霍尔电鞭策技能的快速鞭策。好意思国“星链”策划的胜利有劲促进生意航天能源向低资本电鞭策认识转变，霍尔电鞭策基本已成为低轨星座卫星能源系统的标配，低资本成为垂危的发展认识。现存的氙工质霍尔电鞭策技能不错繁荣低轨组网卫星对鞭策系统性能的需求，但氙工质产量低、价钱高、波动大的问题使其无法从根柢上繁荣大齐量卫星组网对低资本的需求，低资本的氩工质成为势必的发展认识。

（二）工质需求量大的大功率空间任务

目下，低轨组网卫星任务中，氙气的加注量一般不跳动10kg，地球静止轨谈卫星氙气加注量平日在200~500kg，氙气高资本、低产量等问题并不超过；但跟着载东谈主探月轨谈空间站、在轨作事大范围升沉航行器、空间核能源飞船等电鞭策系统功率达到50千瓦级及以上的大鸿沟空间任务的论证及蓄意，工质加注量达到数吨以致更多，氙气的应用会受到极大的轮番，开展低资本低温液态氩工质霍尔电鞭策技能辩论显得尤为垂危。

（三）大鸿沟远距离的深空探伤任务

目下，小功率氩工质霍尔推力器的比冲上风并不彰着，跟着推力器功率的增大，氩工质的电离效率提高，推力器的比冲、效率随之增长。关于50千瓦级霍尔推力器来说，氩、氙工质的效率格外，而氩工质的比冲可到6000~6500s，高于氙工质4000s控制的比冲。氩工质高比冲的特质适用于将来大鸿沟、远距离的深空探伤任务，可显耀责备工质的消费量，扩展深空探伤范围。

本文刊登于《中国航天》2025年第12期开云体育官网

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