综述：用于吸气式电动推进任务的等离子推进器技术发展综述

《Acta Astronautica》：Review of Plasma Thruster Technology Development for Air-Breathing Electric Propulsion Missions

空气呼吸式电推进（ABEP）技术利用低地球轨道（VLEO）稀薄大气作为推进剂，可突破传统电推进的燃料限制，实现长期在轨运行。当前面临低气压放电效率低、氮氧等离子体电离困难及加速性能不足等核心挑战，需通过混合推进系统（结合低气压放电与高效加速技术）提升轨道维持能力。

　　

曾明|刘慧|金旭红|于达伦|孙兆伟

哈尔滨工业大学等离子体推进实验室，中国哈尔滨150006

摘要

吸气式电推进（ABEP）技术利用极低地球轨道（VLEO）中的气体作为推进剂，有望突破传统电推进航天器的推进剂携带限制，实现长期在轨驻留。然而，由于VLEO任务面临推进剂和能源供应的短缺，该技术在实际应用前还需解决若干问题。本文综述了吸气式电推进技术发展中的关键挑战和技术进展，特别是低压放电、氮氧推进剂电离以及高性能要求等核心问题。现有等离子体推进技术在VLEO推进剂供应条件下存在瓶颈，如放电压力较高、推进剂利用率低以及比冲和推力功率比不足。相比之下，混合电推进技术通过结合低压放电与高效加速方法，为满足这些任务的高性能要求提供了新的途径。

引言

随着近年来低地球轨道（LEO）卫星星座技术的快速发展¹，未来几年将有数万颗卫星被发射²，这将耗尽300公里以上高度的LEO空间资源³。从100到300公里的极低地球轨道（VLEO）⁴逐渐受到关注，其中250公里以下的区域也被称为超低地球轨道（ULEO）。由于该区域大气稀薄、飞机升力不足且残余阻力过大，VLEO被认为是高超音速飞行器（运行在20-100公里范围内）和卫星无法进入的轨道区域。1957年，第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”在215公里的高度运行了数周后因大气阻力而坠落⁵。2019年，日本的SLATS项目尝试通过其电推进系统在181公里高度补偿阻力，但卫星仅能在轨道上停留一周便脱离轨道^6,7。另一个著名例子是欧洲航天局（ESA）的“重力场与稳态海洋环流探测器”（GOCE）卫星，它通过电推进系统实现了阻力补偿。该卫星在最低255公里的高度运行，展示了对于高分辨率重力场测绘至关重要的精确轨道维持能力⁸。

为了解决VLEO卫星推进剂消耗过快的问题⁹，提出了吸气式电推进（ABEP）技术¹⁰，如图1所示。该技术利用VLEO中的稀薄大气作为推进剂，通过吸入、压缩、热化和电离过程生成等离子体，随后利用电磁方法加速等离子体，并以高速度排出推进剂以产生推力，从而平衡卫星的大气阻力¹²。一旦吸气式电推进技术取得重大突破，将从根本上消除推进剂对航天器在轨寿命的限制，带来航空航天技术的变革。

ABEP技术使卫星能够在VLEO实现长期驻留，带来显著优势，如降低卫星部署成本、减少通信延迟以及大幅提高光学观测分辨率。这项技术将极大推动军事侦察、灾害预报、太空通信、城市规划和空间科学实验等领域的科学和技术进步¹³。此外，VLEO利用方面的研究空白也将得到填补。值得注意的是，中国科学技术协会（CAST）第25届年会将“如何在高层大气中实现飞机的机动飞行”列为2023年的十大科学问题之一¹⁴。

在LEO资源即将耗尽的背景下，VLEO已成为全球主要航天大国争夺的战略领域^{15 16}。近年来，美国¹⁷、俄罗斯¹⁸、日本¹⁹、英国²⁰、德国²¹、奥地利、中国等国家的科研机构相继开展了ABEP技术研究，竞争格局日益激烈。例如，欧盟委员会的地平线计划（Horizon Programme）在2017年资助了DISCOVERER项目¹⁸，重点开发空气动力学材料、空气动力学姿态控制、ABEP技术和集成系统/商业模式，以应对关键挑战并实现VLEO卫星的商业化持续运行。2020年，AETHER吸气式电推进项目获得资助^{22 23}，旨在开发适用于VLEO长期运行的推进系统。2023年，欧洲研究理事会（ERC）资助了BREATHE项目，作为AETHER的延续，专注于开发适用于150-250公里高度飞行器的ABEP系统²⁴。2024年，美国国防高级研究计划局（DARPA）正式启动了Otter项目¹⁷，计划通过长期在轨飞行验证来开发ABEP系统。同期提出的和正在进行中的VLEO项目还包括泰雷兹阿莱尼亚空间公司的“SkimSat”²¹和T4i的REGULUS¹⁹；此外，美国空军和英国NewOrbit等机构也在进行相关研究^{。同时，使用大气气体的等离子体离子发动机已在太空中成功进行了飞行测试25。}

然而，ABEP的技术成熟度仍然很低。尽管全球许多研究机构已开始研究吸气式电推进装置，但现有实验数据表明，当前电推进器的性能与VLEO任务所需规格仍有较大差距。本文探讨了实现ABEP任务的关键问题，回顾了电推进器的电离和加速技术的现状，并评估了它们在这些任务中的适用性。

第2节讨论了ABEP任务实施的关键技术和挑战；第3节和第4节分别总结了各种电离和加速技术在ABEP任务中的适用性；第5节总结了为ABEP任务开发的混合推进技术；第6节提出了我们的结论。

节选内容

ABEP技术的关键问题

为了完全抵消作用在航天器上的阻力，ABEP系统必须将从轨道环境中收集的推进剂加速至远高于航天器轨道速度（VLEO卫星任务约为7.9公里/秒）的排气速度。这一过程需要电推进器通过注入电能来电离和加速推进剂。

ABEP的推进剂电离技术

因此，在ABEP场景中，氮氧推进剂的放电技术主要包括交叉场（E×B）直流放电、射频感应耦合放电（ICP）、螺旋波放电和微波电子回旋共振（ECR）放电等方法。为了在有限的电能下实现高效电离，必须评估不同电离技术在ABEP中的适用性。

ABEP的离子加速技术

由于需要高排气速度，国际上关于ABEP加速技术的研究主要集中在磁约束霍尔加速、栅格静电加速和磁喷嘴加速（一种电磁加速方式）等方案上。关键性能参数包括比冲和推力功率比，以及其在氧化环境中的适应性。

总结与结论

ABEP是一项实现VLEO航天器长期驻留的关键技术，但其发展面临诸多科学和工程挑战。首先，VLEO极其稀薄的大气环境要求ABEP系统具备高效的气体收集和低压放电能力。然而，现有进气装置的压缩比（<300）和电推进电离技术仍难以满足这些要求。

CRediT作者贡献声明

于达伦：验证、监督、项目管理、概念构思。金旭红：项目管理、资金获取。刘慧：项目管理、资金获取。曾明：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论研究、数据整理、概念构思。孙兆伟：验证、监督、资源协调

未引用参考文献

3; 6; 7; 15; 16; 22; 23; 25; 27; 28; 30; 42; 43; 44; 45; 46; 52; 53; 54; 57; 59; 64; 68; 75; 76; 84; 86; 87; 88; 89; 91; 92; 102.

资金来源

作者感谢国家自然科学基金（NFSC）、黑龙江博士后基金（LBH-Z24129）以及中国航天科技集团的横向项目（编号JH20240673）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。