磁等离子体动力学推进器

磁等离子体动力学推进器

磁等离子体动力学推进器（MPD）是一种先进的航天推进技术，通过磁场与电流的相互作用产生推力。本文将详细介绍其工作原理、分类、性能参数及其发展历程。

根据磁场产生的方式，磁等离子体动力学推进器可以分为电流自身感应磁场推进器和外加磁场推进器。对于低功率磁等离子体动力学推进器，工作电流及自感磁场较低，可以采用外加磁场方式提高洛伦兹力对推力的贡献。通常情况下，磁等离子体动力学推进器运行的功率范围为100～500千瓦，排气速度可以达到15～60千米/秒，推力范围为2.5～25牛，效率为40%～60%。推力器可以采用氢、氖、氩、氙，肼和锂作为推进剂。选择锂作为推进剂主要有两方面的原因，一方面是因为锂的第一电离能（5.4电子伏）远低于其他常用推进剂，可以减少推力器排气中的冻结损失；另一方面可以降低阴极功函数，使阴极工作在较低的温度区间，减少阴极烧蚀。相对于其他电推进系统，磁等离子体动力学推进器可以产生较大的推力、推力密度和速度增量，因而有可能成为载人、货运飞船星际航行的主推进系统。

磁等离子体动力学推进器工作原理简图

磁等离子体动力学推进器是在早期电弧加热发动机的研究中发现的。20世纪60年代初，美国学者报道了高功率氢电弧加热发动机实验研究中的一个重要发现：随着推进剂流量的大幅降低，电弧逐渐扩散到整个阴极表面甚至延伸到羽流区，电流增加到3000安后，推进器仍然能够稳定运行且整个装置都没有明显的结构损坏，推进器的效率接近50%，比冲达到10000秒。如果单纯按照电弧加热发动机内的电弧加热、膨胀加速原理达不到这一性能，因此学者们推测是电流和其感应磁场相互作用的洛伦兹力起到了加速作用，并在此基础上逐渐发展出了利用洛伦兹力加速原理的磁等离子体动力学推进器。

德国斯图加特大学在20世纪60年代开始磁等离子体动力学推进器的研究，主要侧重加速机理和能量转化机理的研究，实验用磁等离子体动力学推进器的功率为100千瓦，氩和氦作为推进剂，电流最高达1.2千安，附加磁场最高达0.25特，推进剂流量最高达220毫克/秒。80年代末期，美国国家航空航天局刘易斯研究中心重点开展附加磁场磁等离子体动力学推进器的推力和效率方面的研究，采用的推力器功率为70千瓦，推进剂主要采用氩，工作电流最高达2000安，附加磁场最高达0.4特，推进剂流量最高达160毫克/秒。日本东北大学主要关注附加磁场磁等离子体动力学推进器内磁场、电流密度等参数分布，采用氦作为推进剂，工作电流最高达到10千安，附加磁场最高达到0.1特，推进剂流量最高达到100毫克/秒，推力器的脉冲功率最高能达到2兆瓦。在90年代莫斯科航空学院对锂作为推进剂的MPD进行了系统深入的研究，研制了30、130和200千瓦级的推进器，采用多通道空心阴极供给推进剂，工作电流最高达3000安，附加磁场最高达0.112特，推进剂流量最高达120毫克/秒。在功率为130千瓦的情形下，推力器比冲达到3460秒，稳定运行时间长达1000小时。美国普林斯顿大学是开展磁等离子体动力学推进器研究历史最长，最为系统深入的研究机构，内容涉及磁等离子体动力学推进器的基本理论、实验参数测量、数值模拟等方面，在磁等离子体动力学推进器的能量分配原理、推力产生与作用机制、不稳定机制、电极烧蚀、推力器效率等方面获得了大量的基础性认识。

日本在1995年进行过磁等离子体动力学推进器的空间测试，到21世纪初，大部分机构的研究还处于实验室阶段，距离真正的实际应用还有一定的距离。由于缺乏空间任务支持以及磁等离子体动力学需求的空间大功率电源无法短期实现，当前关于磁等离子体动力学的实验研究基本处于停滞状态。一旦空间大功率能源供给装置取得突破，会极大地推动磁等离子体动力学，甚至整个电推进技术的迅速发展。

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