0 引 言
当前，以低轨巨型星座为核心的全球太空基础设施建设浪潮席卷而来，商业航天领域成为大国竞争的新焦点。面对轨道与频谱资源的稀缺性，发展自主可控的星座系统对我国抢占战略高点至关重要。在此背景下，高效且可靠的推进技术成为星座规模化部署与长期运行的核心支撑。相较于传统的化学推进技术，电推进技术具有比冲高、成本低、可靠性强、易于批量生产等优势[1-4]，特别适用于星座卫星的轨道转移、编队保持、轨道维持及寿命末期离轨[5-8]等复杂任务，已成为低轨星座推进的优选方案。其中，霍尔推力器通过外加磁场对电子运动进行约束，在放电通道内形成轴向电场，从而有效引出并加速离子产生推力。磁场构型与强度作为影响推力器性能的核心设计参数，直接决定其放电特性与推进效率[9]。
当前，霍尔推力器的磁场生成主要存在电磁励磁和永磁体两种技术路线。励磁方案通过调控励磁电流实现磁场灵活调节，但在功耗、重量及热管理等方面存在挑战；永磁方案则凭借其零静态功耗、高可靠性及结构紧凑等优势，在对成本、集成度和批量生产要求较高的低轨星座应用中展现出显著潜力。尽管永磁方案存在磁场不可在线调节及高温退磁风险等固有局限性，但其综合优势仍使其逐渐成为中低功率推力器的主流选择。国际上包括太空探索技术公司（SpaceX）、Astra、Orbion等在内的超过13家推力器制造商采用了永磁技术，并实现了广泛在轨验证与应用[10]。
本文系统开展了永磁和励磁两种霍尔推力器方案的磁场特性与工程适用性对比研究，并重点针对国内某星座中首次应用的永磁霍尔推力器，结合地面测试与长期在轨遥测数据，评估其在真实空间环境下的工作稳定性、推力精度与任务适应能力，为我国低轨卫星星座推进系统的技术选型与后续发展提供了扎实的在轨数据支撑与工程参考。
1 霍尔推力器方案
霍尔推力器的核心在于其电磁场系统的协同作用：在正交电磁场的作用下，电子会形成周向的霍尔漂移，大量电子在放电通道内的漂移运动形成霍尔电流。工质气体与做霍尔漂移的电子碰撞电离为等离子体，其中离子在轴向电场的作用下加速射出通道，从而产生稳定推力。其中，磁场系统的性能、可靠性与效率直接决定了推力器的整体水平。根据磁场生成方式的不同，霍尔推力器主要分为永磁和励磁两种技术路线。第1节将深入剖析其原理、结构与设计，并基于材料特性与系统工程进行对比，为后续针对永磁推力器的实验研究奠定理论基础。
1.1 励磁霍尔推力器
1.1.1 原理与磁路设计
1.1.2 技术特点与局限性
励磁方案的主要优势在于其磁场灵活可调、热稳定性良好且技术成熟度高，其具体表现如下：
（1）能够通过精确控制励磁电流，来优化不同工况下的性能。
（2）该方案不存在永磁体固有的热退磁风险，只要热控系统有效，便允许推力器在更高温度环境下运行。
（3）作为最早发展的技术路线，其在多年的地面研究和早期空间任务中积累了深厚的技术积淀，可靠性得到充分验证。
然而，该方案的局限性也较为突出：其系统复杂度高，不仅存在持续的励磁损耗，降低了系统整体效率，还因包含线圈、独立励磁电源及冷却子系统，导致质量与体积相对较大。同时，线圈绝缘材料的耐温上限限制了其在更高功率密度下的应用。
1.2 永磁霍尔推力器
1.2.1 工作原理与磁路设计
1.2.2 技术特点与局限性
永磁霍尔推力器方案凭借其材料特性与简化的结构设计，展现出多重显著优势。其核心优势体现在以下几个方面：
（1）在效率提升方面，永磁体依靠材料剩磁产生磁场，无须持续消耗电能，不仅消除了励磁线圈的损耗，还将推进系统的整体效率提升10%~15%[17]。
（2）在体积与重量方面，省去励磁线圈、稳流电源及附属冷却系统，使得永磁推进系统比同等推力的励磁方案质量减轻40%~60%，体积更为紧凑。
然而，该方案也存在一些固有的技术挑战。最主要的问题是，其磁场强度与分布在制造完成后便无法调节，不像励磁方案那样可以通过电流进行在轨调节。此外，为实现高性能，永磁材料的制备与充磁工艺要求极高，且存在热退磁风险，即若工作温度超过材料临界点，可能导致磁性能发生不可逆的衰减，这对其热管理与磁路设计提出了严格要求。
1.3 两种方案对比总结
为系统把握励磁和永磁两种技术路线的核心特点，并明确其使用边界，下文将前述分析提炼整合，从工作原理、磁场可控性、系统效率、重量体积等多方面进行结构化对比。如表1 所示。
表 1 两种方案对比总结[6, 15, 20-24]Table 1 Comparative summary of electromagnetic and permanent magnet solutions[6, 15, 20-24] |
| 序号 | 特性/方面 | 永磁霍尔推力器 | 励磁霍尔推力器 |
| 1 | 工作原理 | 利用永磁体产生固定径向磁场 | 通过通电线圈产生可调径向磁场 |
| 2 | 核心结构 | 永磁体、极靴、磁轭 | 励磁线圈、铁芯、极靴、磁轭、独立励磁电源 |
| 3 | 磁场可控性 | 固定 | 实时、精确、灵活调节 |
| 4 | 系统效率 | 较高（无励磁损耗） | 较低（存在励磁线圈欧姆损耗） |
| 5 | 系统复杂度 | 低（部件少，无励磁电源） | 高（部件多，需励磁电源与控制） |
| 6 | 体积/重量 | 小/轻 | 大/重 |
| 7 | 可靠性 | 高（部件少，无单点故障） | 相对低（部件多，线圈可能失效） |
| 8 | 热管理 | 退磁风险 | 过热烧毁 |
| 9 | 运行灵活性 | 工况适应性固定 | 可通过调磁优化不同工况性能 |
| 10 | 预计寿命 | 长（＞10 000 h） | 中等 |
| 11 | 成本与成熟度 | 技术成熟，成本低 | 设计、控制和成本相对较高 |
| 12 | 适用功率范围 | 低至中功率（＜10 kW） | 全功率 |
2 永磁推力器地面试验验证
2.1 环境试验验证
为验证系统可靠性，在地面针对产品进行了全面的环境试验验证，其环境试验矩阵如表2 所示。系统顺利通过了全部环境试验项目。试验结果表明，产品功能性能参数均符合设计要求，结构完整性和电气连接可靠性得到有效验证。
表 2 推进系统环境试验矩阵Table 2 Propulsion system environmental test matrix |
| 试验 | 正弦振动 | 随机振动 | 热真空 | 热循环 | 压力试验 | 检漏试验 | 磁试验 | 电磁兼容 | 老炼 | 环境应力筛选 | 寿命试验 | |
| 温度筛选 | 随机振动 | |||||||||||
| 推力器 | √ | √ | √ | √ | × | √ | √ | × | × | × | × | √ |
| PPU | √ | √ | × | × | √ | √ | √ | √ | √ | |||
| 管路模块 | √ | √ | √ | √ | × | × | × | √ | √ | |||
| 气瓶 | √ | √ | √ | √ | × | × | × | × | × | |||
注：√为已做试验；×为未做试验 |
2.2 寿命试验
为全面验证永磁推力器寿命与可靠性，开展了点火寿命试验。霍尔电推进寿命试验开关机方案如表3 所示：试验分10个阶段进行，累计开关机次数大于6 000次，总开机时间大于5 000 h，充分覆盖了任务寿命预期。其中，单次最长连续工作时间达到24 h，有效考核了推力器的长期稳态运行能力。具体而言，前五个阶段使用氙气，累计开机507 h，后5个阶段采用氪气，累计开机时间4 498 h，总开机时间5 005 h。
表 3 寿命试验开关机方案Table 3 Life test power cycling schedule |
| 编号 | 开机时间/h | 关机时间/h | 热循环次数 | 开机时间/h | 试验时间/h | 累计时间/h | 工质/h |
| 阶段1 | 3.00 | 0.50 | 15 | 45 | 52.5 | 507 | 氙气 |
| 阶段2 | 6.00 | 0.50 | 15 | 90 | 97.5 | ||
| 阶段3 | 12.00 | 0.50 | 4 | 48 | 50.0 | ||
| 阶段4 | 24.00 | 0 | 1 | 24 | 24.0 | ||
| 阶段5 | 3.00 | 0.50 | 100 | 300 | 350.0 | ||
| 阶段6 | 3.00 | 0.50 | 300 | 900 | 1 050.0 | 4 498 | 氪气 |
| 阶段7 | 6.00 | 0.50 | 450 | 2 700 | 2 925.0 | ||
| 阶段8 | 12.00 | 0.50 | 39 | 468 | 487.5 | ||
| 阶段9 | 24.00 | 0.50 | 1 | 24 | 25.0 | ||
| 阶段10 | 0.08 | 0.25 | 5 080 | 406 | 1 676.0 | ||
| 合计 | — | — | 6 005 | 5 005 | 6 737.0 | 5 005 |
在整个寿命考核期间，对推力器的关键性能参数，包括阴阳极电压/电流，进行了持续监测。所有参数均表现稳定，总功率变化在15 W以内，工作范围正常，未出现任何性能衰退或故障异常波动。图3 展示了点火5 000 h后的陶瓷形貌，可以清晰地看到陶瓷通道光滑完成，无毛刺，无开裂现象，进一步印证了其优异的性能。
2.3 永磁铁热循环试验情况
为考核永磁霍尔推力器在轨运行期间磁体性能的长期稳定性，模拟空间环境中的高低温循环效应，针对推力器阳极核心磁组件开展了专项热循环试验。试验旨在验证永磁体在反复热应力作用下的磁场强度衰减情况，为推力器全生命周期的磁场可靠性提供数据支撑。
试验条件依据推力器实际工作状态设定：在阳极功率328 W的典型点火工况下，推力器各位置的磁铁温度均低于300 ℃。因此，选定300 ℃作为热循环的上限温度，以确保试验既覆盖极端工况又具备工程代表性。
试验流程如下：首先将装配永磁铁的推力器整体放置于温循箱内，按照预设程序执行热循环：在0.5 h内温度由室温上升至300 ℃，高温保持2.0 h，随后在1.0 h内下降至室温，并在室温下保持2.0 h，构成一个完整温度热循环（温度曲线见图4 ）。每完成1.0次热循环，采用如图5 所示的磁通量密度检验工装，在图6 所示的测试平面位置，对1~8号测试点进行磁感应强度测试并记录。本文试验累计进行25.5次热循环，以考察其长期性能演变趋势。
试验结果（见图7 ）显示，在25.5次热循环过程中，各测试点磁通量密度变化均不超过5%。该数据表明，永磁体在经历初始阶段的温度冲击后，磁性能保持高度稳定，未出现显著衰减，初步验证了其在推力器工作温度区间内具备良好的热循环耐受性，满足工程应用对磁体稳定性的严格要求。
2.4 长时间点火、舱板级点火
为全面评估永磁霍尔推力器的综合性能与工作可靠性，在地面模拟环境中开展了长时间点火试验和舱板级点火试验。长时间点火试验旨在考核永磁推力器在模拟真空环境工况下的性能衰减与寿命指标；舱板级点火试验重点验证永磁推力器在与卫星平台真实连接状态下，其电磁兼容性、热平衡以及与电源处理单元（Power Processing Unit，PPU）的协同工作能力，图8 、图9 分别为霍尔电推进组件舱板点火现场图和舱板级点火图。
地面点火过程中的阳极电压和电流数据如图10 、图11 所示。在24 h长时间点火过程中，各参数保持稳定，放电功率维持稳定，平均波动率为1.65%，最大波动范围不超过5.00%。
舱板级点火过程中，各电气参数同样表现出良好的稳定性，系统工作可靠性较高。具体而言，在整个点火过程中，电流和电压波动范围较小，阳极电流的最大波动范围为1.75%，平均波动率为0.58%；阳极电压保持稳定，最大波动值为0.30%。两项测试所获得的数据均表明，该永磁霍尔推力器工作状态稳定。在整个测试周期内，各电气参数表现稳定，均始终保持在预设的正常工作范围之内，且波动幅度微小，远低于设计冗余，其放电过程高度稳定，以下所有数据均进行归一化处理，以下U/U0为电压值/最大电压值，I/I0为电流值/最大电流值。
3 永磁推力器飞行验证情况
3.1 总体情况
永磁霍尔推力器已应用于国内某星座，并于2024年11月开始批量投入使用。在轨运行期间，霍尔电推进系统经历了开机自检、管路除气、阴极激活等一系列准备流程，顺利完成所有预处理操作。系统启动后，所有卫星均按计划执行轨道抬升任务，推进系统累计点火2 245次，各星平均点火时长达到315 h，最大轨道抬升高度为266 km。其中，单次最长连续点火时长为12 h，充分展现出优异的持续工作能力和稳定性。整个飞行验证结果表明，永磁霍尔电推进系统在轨工作正常，性能指标符合设计预期。经过长期考核，该系统表现优异，为后续批次组网应用奠定了坚实技术基础。
3.2 点火过程遥测分析
3.2.1 单次点火
加热电压、电流以阶梯式上升，阳极电流的最大波动为2%，阴阳极电压电流的平均波动率分别为3.57%、0.22%、0.14%和2.42%。图12 为某星座在升轨过程中点火时在轨遥测的变化曲线。
3.2.2 单次长时间点火
霍尔推力器在轨工作期间稳定可靠。在长期在轨点火试验中，单次最长点火12 h，成功完成既定任务，推力器具备长期轨道维持与转移任务的能力。图13 、图14 分别展示了11 h和12 h连续点火过程中阳极电压和电流的时序曲线。
在关键电气参数方面，在长达11~12 h的连续工作中，阳极电压参数较为平稳，其最大波动值与平均波动率均处于极低水平，最大波动值在6.00%，平均波动率小于0.60%，推进系统功率供给高度稳定，阴极电子供应能力持续均衡；相比之下，阳极电流存在低频波动，最大波动达6.21%，平均波动率最大为1.25%，推力器内部放电平稳，其波动范围处于同类推力器的正常预期内，未对推力器的持续稳定运行造成影响，保证了推力输出的精确与稳定。
长时间12 h点火气瓶、管路、PPU和推力器头的温升曲线如图15 所示，在点火过程中，气瓶温度在20 ℃±3 ℃，管路温度在13 ℃上下波动，PPU初始温度为−5 ℃，在点火过程中温度逐渐上升，上升至约为11 ℃，随后逐步下降至约为7 ℃，温度以1 h 40 min为一周期变化，即卫星沿轨道旋转一周所需时间，点火结束后温度下降至约为−5 ℃；推力器头的上升趋势同PPU，推力器头附近的温度上升区间更大，其最高温度约为40 ℃。
3.2.3 长期在轨表现
入轨初期，阴极维持所需电压较高，随着使用次数或时长的增加，该电压逐渐降低约10%，随后进入稳定平台期。这一变化过程符合空心阴极入轨初期活化和老炼的正常特性，表明阴极已经进入稳定发射状态。统计数据显示，阴极电压平均波动率为1.67%，工作过程中电压波动范围较小，电压稳定性良好。阴极电流平均波动率为0.09%，进一步验证了系统放电电流的高度稳定性。
综合分析可知，在长期在轨表现中，该系统在轨工作期间放电功率稳定、控制精准，阴阳极之间的协同工作有效保障了放电过程的全周期稳定，展现出优良的稳态性能与可靠性。
3.2.4 在轨一致性
搭载永磁霍尔电推进系统的卫星顺利进入预定轨道。在轨遥测数据表明，各星推进系统工作稳定，其推力与电推进功率之间的拟合度良好，产品工作特性与设计预期高度吻合。
为量化评估永磁推力器的稳定性与一致性，对所有推力器在轨爬升阶段的功率与推力数据进行统计分析（数据已归一化处理），如图17 ~图20 所示。结果表明，系统在推力和功率方面均表现出了高度一致性：（1）在推力一致性方面，推力平均波动率为0.85%，归一化推力(μ−3σ，μ+3σ)取值范围为（0.939 9，0.990 9），所有在轨推力值均在此范围内，展现了极高的推力稳定性。（2）在功率一致性方面，其表现同样出色。功率平均波动率为1.52%。根据正态分布，归一化功率（μ−3σ，μ+3σ）的取值范围为（0.905 9，0.997 1），所有在轨实测功率值均在此范围内，充分满足了批次一致性的要求。
该永磁霍尔电推进系统在轨表现验证了其在多星部署场景下具备良好的运行一致性与参数稳定性，为星座化任务的规模化应用提供了重要依据。
4 结 语
本文围绕永磁霍尔电推进系统的技术路线、地面试验验证、在轨性能以及工程应用开展了系统性研究。通过与传统励磁方案的对比分析，明确了永磁技术在系统简化、效率提升及可靠性方面的显著优势；并重点针对推力器地面试验与在轨过程中的工作性能参数特性进行了深入剖析。
本文研究以国内某星座应用的永磁霍尔推力器在轨数据为实证，系统性地对比分析了该批次产品在不同任务阶段的关键工作参数。长期在轨监测数据表明，在整个轨控期间，永磁霍尔电推进系统各单机工作状态稳定，性能参数符合预期，圆满完成了卫星轨道抬升任务。
本文充分验证了永磁霍尔电推进系统在轨表现的可靠性、稳定性以及批次产品的一致性，为我国大规模组网卫星提供了一种高性能、高可靠、低成本的轨道控制解决方案，为后续大规模组网应用奠定了坚实的数据基础与实践经验，对推动我国电推进技术的发展和空间应用能力的提升具有重要的工程实践意义。