據國資委網站1月14日報道 - 我國首款牛級推力霍爾推力器點火成功“ 航天科技集團六院801所研製的我國首款20千瓦大功率霍爾推力器成功完成點火試驗，點火時間累計達8小時，點火次數超過30次。該推力器的成功研發，實現了我國霍爾電推力器推力從毫牛級向牛級的跨越。試驗過程中，推力器點火可靠，執行平穩，工作引數穩定，實測推力1牛，比衝3068秒，效率大於70%，效能指標達到國際先進水平。”

大功率霍爾推力器 – 霍爾推力器是目前應用最普遍的一種航天電推力器，電推力器是是電推進系統的推力產生裝置。電推進指利用電能來加熱、電離並加速推進劑噴出，產生推力的一種空間推進技術，。透過電磁場的相互作用使推進劑被電離並由靜電場加速離子產生軸向加速度，最終高速噴出而形成推力。目前普遍使用的電推進劑是超高純度氙氣。

圖-電推力器結構原理圖

圖-電推力器在某衛星上的安裝位置示意圖，紅色處為電推力器

根據電推力器的功率大小，可將其分為微小功率、中功率和大功率電推進。一般將功率高於10kW的電推進稱為大功率電推進，大功率電推力器在航天任務中應用更加廣泛。同時對作為推進劑的超高純度氙氣的需求量也更大。

圖 - 20kW電推力器點火時噴發出高速藍色羽流

點火時間8小時和點火次數超過30次 - 從該資料可以看出，該型號推進器目前可能還處於原理樣機階段。在電推力器最常見的應用領域-衛星軌道和姿態控制中，如按衛星在軌時間15年計算，一般要求電推力器壽命達到10000小時以上，期間點火次數約8000次。我國目前進入實際應用的電推力器均經過至少8000小時以上壽命考核。

毫牛級和牛級-毫牛和牛是力學單位毫牛頓和牛頓的簡稱。1牛頓 =1000毫牛頓。目前航天電推進技術尚處在初級階段，尤其是推力太小。那麼推力究竟有多小呢 ？以長征5號火箭發射的實踐二十號衛星為例，SJ-20衛星有4套LIPS-300離子電推進系統。LIPS-300功率達到5kW；推力約200mN；一張80g的A4紙的質量約為4.99g。這張紙在咱們地球上所受的重力約為48.9mN。也就是說，一臺LIPS-300 離子推進器火力全開的時候，其推力也只能托起四張A4紙。

圖 – 中國航天部門公開發表的電推進系統樣機

圖 - LIPS-300電推力器實物

1牛 - 按國資委網站的報道801所研製的20kw推進器，實際推力達到1牛。1牛頓等於要使質量1千克物體的加速度為1 m/s2時所需要的力。1牛的推力在地球上估大概夠舉起兩個雞蛋。而與此相比衛星上使用的化學推進器的推力一般都可以達到10-100N甚至更大。我國嫦娥系統中的登月裝置主發動機推力為7500N。

比衝3068秒 -比衝是衡量空間推力器效能的一個重要指標，直觀的表述了推進劑的噴射速度。推進劑的噴射速度越大則產生相同速度增量的所消耗的推進劑質量就越小。

801所研製的這臺電推力器比衝為3068秒，這意味著這臺電推力器工作時噴射出的藍色氙離子流的平均速度高達30066米/秒。這個速度大約是音速的88倍。阿波羅登月工程所用的土星5號火箭上面的F1液氧煤油發動機，燃氣噴流的速度約為2500米/秒。我們常見的固體火箭發動機比衝大約在200-300秒，液體火箭發動機比衝大約180-460秒。

圖-F1液氧煤油發動機和他的設計者馮·布勞恩

圖-中國航天第二代490N軌道控制發動機

可以與航天801所研製的牛級霍爾推進器進行對標的是美國NASA的X3霍爾推進器。X3推進器直徑80cm，功率102千瓦，最大推力5.3牛，比衝3000秒。X3推進器同樣還處於設計定型階段。X3推進器的上一代產品X2推進器的最大推力為3.3牛頓。NASA希望X3成為太陽系內遠距離太空探索的短期解決方案，在未來二十年內運送人類登陸火星。

圖-美國X3推進器

航天器在太空中處於失重環境，也沒有大氣阻力，推力很小就能發揮較大的作用。只要噴射速度夠快，比衝就夠大，哪怕推力低，速度增量小，但是電推進劑消耗耗大大少於傳統的化學燃料，因此只要能多帶更多的工質，長時間的加速累計下來就航天器就可以達到很驚人的速度。

牛級電推力器較之前的毫牛級的電推力器推力大了數倍，使其在執行衛星變軌任務時，可以大幅縮短變軌時間，也可以作為大型航天器、深空探測器的主動力系統。科幻電影中那噴射著藍色火焰的宇宙飛船在現實中已經蹣跚起步，儘管現在它們的推力還只能在地球上托起幾個雞蛋。

國產電推進用氙氣產品的研發

中國的氣體工業從20世紀70年代開始研發稀有氣體提煉技術，至21世紀初產品基本達到5.0N純度水平。此時稀有氣體（XE，Kr，NE）基本作為一種電光源氣體使用。21世紀10年代LED照明開始大規模的替代傳統照明，導致稀有氣體市場需求低迷。自2013年起隨著國產電推進系統的逐步成熟，國內航天部門開始向國內的稀有氣體主要生產廠商下達了研製航天電推進用氙氣的技術指標。國內有寶鋼氣體，邯鋼氣體，首鋼氣體參加了航天部門組織的技術攻關研製。

航天推進級氙氣的主要技術難點在於要求氣體中的水分和氧組分均小於0.1PPM，而當時國內氙氣的這兩項指標的國家指標分別為1PPm 和 0.5PPm。各廠家先後解決了氣體容器預處理，超高潔淨度充裝，PPb級痕量組分分析等技術難題。至2018年三家大廠產品全部達到航天部門下達的指標要求。國內航天部門還與三大廠家聯合起草了航天推進劑用氙氣的國家軍用標準。

圖-電推力器陰極電子發射效能與推進劑氣體

圖 – 寶鋼氣體XE產品中水氧含量的關係，實際測試中水含量達到30PPb

近年來隨著半導體積體電路技術的發展，氙氣和氪氣在積體電路中的應用日益突出，市場需求量激增。氙氣被用於準分子鐳射光刻，離子注入，晶圓靜電中和等重要的半導體制程工藝中。氪氣在3D NAND Memory的通孔互聯製程中取代了氬氣成為重要的蝕刻工藝氣體。國內廠家在研發航天電推進氙氣中所應用和累積的技術都被很快的應用到了電子級稀有氣體產品的研發和生產中。目前國內重要主要稀有氣體廠家生產的產品已經開始進入國際半導體大廠的供應鏈。2019年電子級氙氣被作為重點國產化半導體材料列入國務院《工信部重點新材料應用示範指導目錄（2019版）》。縱觀積體電路製程中所需用到的幾十種電子氣體，不少目前還是依賴進口，有的雖然已有技術突破但產品質量的穩定性還有待於提高。中興事件後半導體器件和材料的“卡脖子”問題受到舉國上下的矚目，而稀有氣體是電子氣體中較早實現了國產化替代的產品。這是航天技術對國內其他產業產生的帶動作用的生動體現。

圖-積體電路離子注入工藝

圖- 3D NAND 的多層金屬互聯通孔結構

稀有氣體助力航天推進新時代（下篇）將主要介紹稀有氣體在航天電推進領域的應用前景和市場規模、典型的電推進航天器推進劑氙氣載入量、2019年中國航天GEO衛星發射情況、氪氣或將替代氙氣在星鏈計劃”（Satrlink）中發揮重大作用。