2024年4月23日发(作者：门玄穆)
氙气在空间电推进的应用
从上世纪60年代，美国和苏联就开始了电推进技术的相关研究，并于上世纪80年代完成了电推
力器工程样机的研制及飞行实验。到上世纪90年代末，电推力器开始在卫星上广泛应用。如今，电推
进技术越来越成熟，向更高性能方向发展。
传统的航天推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要
是指液体和固体化学推进。从1926年美国人戈达德(Goddard R. H.）研制成以液氧/汽油为推进剂的
液体火箭发动机至今，化学推进已经有近80年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发
射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力，一直以来是航天领
域使用最多的推进技术，而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。
随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，各国竞相出台新太空政策，人类又掀起了新
一轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测
的需要。
新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推
进的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电
推进就是目前各国开发的重点之一。
目前，国际上广泛采用的电推进技术主要有两种。一种是离子发动机技术，其比冲约为
3000~4100s；另一种是霍尔发动机技术，其比冲约为1500~1600s。在电推进系统中，需要一种能
将电能和机械能相互转化的媒介物质，学名为工质。氙气则是公认的工质。
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实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得
功，而做功通过工质才能传递热．
在日常生活中，人们对于氙气的认识恐怕只停留在某些汽车品牌使用的氙气大灯上，白色的灯光似
乎代表着高端大气，不过这仅仅是对氙气较为浅显的认识。鲜为人知的是，在航天领域，离子电推进与
传统的化学推进相比，比冲要大10倍。
在宇航推进中，表征其性能优劣的主要指标就是推进技术的比冲，也就是消耗单位质量推进剂所能
产生的冲量大小。比冲越大，推进技术性能越高。对于同样的宇航任务，电推进携带的推进剂约为化学
推进的十分之一，甚至更少。这样对于深空探测任务来说，电推进比化学推进更具优势。
在加注氙气中，最棘手的就是如何保证氙气的纯度，不论是购买的氙气源纯度还是加注过程中的氙
气纯度都需要保证。卫星推进系统中氙气浓度要求最低也要达到99.995%，其中的水氧含量均不能超
过2ppm。
ppm是百万分比浓度单位，也就是说1升氙气中，水或氧的含量不能超过0.002毫升。一旦超过
这个限值，容易造成电推力器阴极氧化，导致其寿命受损。在保证氙气源纯度的同时，还要保证加注前
卫星电推进系统、地面加注系统的纯度满足要求。
地面氙气源的压力在6Mpa左右，首先可以在自由压力的状态下将氙气源落压填充到卫星中，但
当氙气源和卫星压力平衡后，我们就需要想办法将氙气源增压。氙气的物理特性非常特殊，在加注过程
中要避免固态氙的出现；要保证整个加注过程中氙气的纯度；如果使用传统的增压泵机械加注方式，氙
气会将机械做功产生的动能转化为热能，令温度迅速上升。但是，卫星上氙气瓶的温度要求不超过45℃。
不仅是温度会超标，温度迅速攀升会造成加注过程中氙气压力的不断增加，可能在氙气加注完成之前卫
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2024年4月23日发(作者：门玄穆)
氙气在空间电推进的应用
从上世纪60年代，美国和苏联就开始了电推进技术的相关研究，并于上世纪80年代完成了电推
力器工程样机的研制及飞行实验。到上世纪90年代末，电推力器开始在卫星上广泛应用。如今，电推
进技术越来越成熟，向更高性能方向发展。
传统的航天推进技术是利用化学能将运载器送入预定空间轨道和实现航天器在轨机动的技术，主要
是指液体和固体化学推进。从1926年美国人戈达德(Goddard R. H.）研制成以液氧/汽油为推进剂的
液体火箭发动机至今，化学推进已经有近80年的发展历史，目前其理论体系和应用技术基本成熟，发
射基地和地面测控系统等配套设施健全。化学推进最突出的特点是可以提供大推力，一直以来是航天领
域使用最多的推进技术，而且在可预见的将来仍是重要的航天推进技术。
随着人类利用和探索宇宙空间的范围和深度大大拓展，各国竞相出台新太空政策，人类又掀起了新
一轮以深空探测为标志的太空探索热潮，而传统的化学推进已经无法满足未来空间探索特别是深空探测
的需要。
新型推进技术是相对传统的化学推进技术而言的，是指航天推进基本原理或能源方式不同于化学推
进的非化学推进。目前，世界各国正在竞相研究各种新型推进技术，以满足未来太空探索的需要，而电
推进就是目前各国开发的重点之一。
目前，国际上广泛采用的电推进技术主要有两种。一种是离子发动机技术，其比冲约为
3000~4100s；另一种是霍尔发动机技术，其比冲约为1500~1600s。在电推进系统中，需要一种能
将电能和机械能相互转化的媒介物质，学名为工质。氙气则是公认的工质。
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实现热能和机械能相互转化的媒介物质称为工质，依靠它在热机中的状态变化（如膨胀）才能获得
功，而做功通过工质才能传递热．
在日常生活中，人们对于氙气的认识恐怕只停留在某些汽车品牌使用的氙气大灯上，白色的灯光似
乎代表着高端大气，不过这仅仅是对氙气较为浅显的认识。鲜为人知的是，在航天领域，离子电推进与
传统的化学推进相比，比冲要大10倍。
在宇航推进中，表征其性能优劣的主要指标就是推进技术的比冲，也就是消耗单位质量推进剂所能
产生的冲量大小。比冲越大，推进技术性能越高。对于同样的宇航任务，电推进携带的推进剂约为化学
推进的十分之一，甚至更少。这样对于深空探测任务来说，电推进比化学推进更具优势。
在加注氙气中，最棘手的就是如何保证氙气的纯度，不论是购买的氙气源纯度还是加注过程中的氙
气纯度都需要保证。卫星推进系统中氙气浓度要求最低也要达到99.995%，其中的水氧含量均不能超
过2ppm。
ppm是百万分比浓度单位，也就是说1升氙气中，水或氧的含量不能超过0.002毫升。一旦超过
这个限值，容易造成电推力器阴极氧化，导致其寿命受损。在保证氙气源纯度的同时，还要保证加注前
卫星电推进系统、地面加注系统的纯度满足要求。
地面氙气源的压力在6Mpa左右，首先可以在自由压力的状态下将氙气源落压填充到卫星中，但
当氙气源和卫星压力平衡后，我们就需要想办法将氙气源增压。氙气的物理特性非常特殊，在加注过程
中要避免固态氙的出现；要保证整个加注过程中氙气的纯度；如果使用传统的增压泵机械加注方式，氙
气会将机械做功产生的动能转化为热能，令温度迅速上升。但是，卫星上氙气瓶的温度要求不超过45℃。
不仅是温度会超标，温度迅速攀升会造成加注过程中氙气压力的不断增加，可能在氙气加注完成之前卫
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