霍尔推力器是航天实践中方兴未艾的离子推力器,能够提供高比冲,长寿命,高燃料利用率的空间推进手段。

常见的离子推力器(ion thruster)有格栅离子推力器(gridded thruster),霍尔效应推力器(Hall Effect Thrusters,HET)和螺旋推进器(Helicon thrusters)。离子推力器原理近似:电子撞击喷射剂形成等离子体,带正电的离子在电场作用下加速远离推力器,并在推力器尾部接受中和电子枪电子中和为中性粒子。

最早在1959年NASA的哈罗德·考夫曼(Harold Kaifman)成功实现离子推力器原型机。之后工质逐步由碱金属、汞发展到无污染的稀有气体。加速方案改进也催生离子推力器的不同分类。但作为粒子加速器的小型化版本,离子推力器的电离方式大部分仍采用电子束轰击电离原子的方式。

格栅离子推力器

离子推力器的结构,从宏观上来说,是前级的电离室+后端的稳态静电场来实现的,其主要的加速作用靠末端的静电场来实现。

作为电推进装置的一员,离子推力器首先需要强大的电能——静电场仅能够对带电粒子进行加速,因此工质需要带电,而储存的推进剂是电中性的。因此,需要预先让推进剂带电。

同时,由于排出去的气体也同样需要是电中性的,否则其会被推力器吸引。那么,如果加速的工质携带负电,那么在排气口附近需要将电子剥夺;反之,则只需要把电子补回来即可。显然,是补充一个电子要来得方便。因此我们就能得到这样的推力器的构造:前级是一个强大的电离室,将电中性的工质解离出一个电子,让其带正电;后接一个静电加速器,使之加速;最后的喷口附近添加一个放电极,将电子补回来。

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格栅离子推力器的优点在于简单地获得离子推力器的大部分优势:高比冲,高推重比,高燃料利用率,高可调精准度,较长的使用寿命和可靠度。作为初代思路,格栅离子推力器的工作寿命严重受限于栅极板耐离子腐蚀能力;稀有气体而非低温燃料作为工质也迫使工程师为其单独设计工质相关设备。

霍尔推力器Hall Effect Thrusters

霍尔推力器相较于格栅离子推力器,其改进在于利用霍尔效应将电离和离子电场加速集成在电离室同一空间下,规避了栅极腐蚀的问题。

不同于霍尔磁力计依赖的半导体的霍尔效应,霍尔推力器涉及的霍尔效应是指正交电磁场中带电粒子以电场方向为轴的螺旋线运动。

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如图,电场方向平行于推力器对称轴反向于推力方向,由永磁体或者电磁体产生的磁场垂直于电场并指向轴线方向。电子由阴极电子枪发出并受电场沿电场反向加速,获得速度后受磁场偏转在圆柱形放电室内运动。能量达到工质第一激发态的电子电离工质,正离子沿推进方向反向加速称为“喷气”,电子继续它在正交电磁场中的旅程,并最终在阴极与推力器内的阳极构成的回路中循环。