电磁推进

[外文]：electromagnetic propulsion

利用导电气体中电流和磁场间的相互作用力使气体高速喷射而产生推力的一种推进方法。使用的工作介质是电离的高温气体──等离子体，故又称等离子体推进。由于用电磁加速原理可以得到比用化学燃料高1～2个数量级的排气速度，所以电磁推进系统的比冲（单位质量推进剂产生的冲量）比化学燃料推进系统高得多。因此，电磁推进是人造地球卫星和行星际飞行器中的一种比较理想的推进方法。

50年代后期以来，曾探索过多种电磁推进方法。早期制成的简单电弧加热射流和磁流体动力加速器等，有比冲较低、重量大和电极损耗较严重等缺点。70年代采用的有磁等离子体动力电弧射流推进器（简称 MPD推进器）和脉冲等离子体推进器（简称PPT推进器）两类。

由简单电弧加热射流发展出来的。如图1所示，工作介质通过电弧时形成等离子体。在低气压下，电流遍及整个电极表面并在射流中形成一定分布。电流和磁场的相互作用使气体在轴向加速，产生很高的比冲。产生推力的机理是：

（1）电流和其自身磁场间的相互作用；

（2）电流和外加磁场间的相互作用；

（3）高温气体在喷管中的膨胀。在高性能MPD推进器中，第一项起主要作用，磁场力推动等离子体，使后者高速喷射而产生推力。由于推力和电流平方成正比，而热损耗和电流成正比，故应使电流和功率尽可能大，以提高推进器的效率，并用断续工作的方式达到所要求的推进器平均功率。此外，霍耳效应（见磁流体发电）也是产生推力的机理之一。磁场对电弧的磁约束作用使电弧离开喷管壁面，并使气体离开阴极表面。这可减少喷管受热并使阴极避免遭受大量离子的轰击，从而减少阴极材料的损耗，延长喷管和电极的寿命。

推进器产生的推力可按下式估算：

F＝2×106ηPe/I，式中F为推力(牛顿); η为总效率（排气动能与总耗电量之比）;Pe为总耗电功率（兆瓦）;I为比冲（米／秒）。大功率MPD推进器的总效率可以达到45％，比冲可以达到10000×9.81米／秒。由于气体保持电中性，没有空间电荷的影响，可以得到较高的推力密度(单位截面的推力)，其数值可比离子火箭高 1000倍。MPD推进器的研究方向是发展电源系统，增加功率，使电流的分布能更有效地产生推力，以及延长寿命和提高可靠性等。

有同轴电极(图2)和平行轨道电极两种类型。用引燃火花使电容器通过电极产生微秒级至毫秒级的大电流脉冲放电，使固体推进剂（一般用聚四氟乙烯）表面发生烧蚀和气化。气态产物在放电过程中形成等离子体。气体中的电流与其自身磁场之间的相互作用力使等离子体高速排出而产生推力。用外加磁场可使推力增加一倍。由于脉冲运行方式和推进过程不易做到像 MPD推进器那样有效，实际达到的平均比冲较低（1500×9.81米／秒，一般只有几百乘9.81米／秒）。但因为它的工作过程简单，固体推进剂的贮存和供给简便，推进器体积小、重量轻、可靠性好，脉冲工作方式便于控制推力，所以已应用于保持同步卫星的轨道位置和控制行星探测器的姿态，并准备用于控制卫星的三轴姿态和抵消阻力等方面。 PPT推进器的研究方向是提高比冲，改进电源系统和提高可靠性等。上页附表列出空间推进装置的性能参数对照表。

参考书目

R. G. Jahn，　Physics　of　Electric　Propulsion，McGraw-Hill，New York，1968.