2025年全球电力推进卫星市场估值503亿美元，预计到2035年将增至1797亿美元......
卫星市场起来了，电推进技术就不再是航天领域的小众技术，而是指向千亿美元的大市场。
3D科学谷获悉，国际商业航天企业Rocket Lab（火箭实验室）近日发布了名为Gauss的霍尔电推进系统，并宣布已建成年产能超200台的生产线。CEO彼得·贝克直言：“大规模星座已是常态，但推进系统长期无法可靠地规模化供应——这是整个行业的瓶颈。”
电推进系统，简单说就是用电能把氙气、氪气这类推进剂电离成等离子体，再通过电场或磁场加速喷出产生推力。NASA的数据显示，电力推进可以省掉高达90%的推进剂质量，卫星更轻，发射成本也更低。业界常把电推进系统比作卫星的“心脏”。
国际权威市场研究机构Global Market Insights的报告指出，2025年全球电力推进卫星市场估值503亿美元，预计到2035年将增至1797亿美元，年复合增长率14%。报告还指出，增长动力来自市场对更高效、更具成本效益的卫星长期燃料方案的需求。
再看国内。政策支持加上技术突破，我国低轨卫星星座建设已经进入快车道。据3D科学谷的市场观察，我国向国际电联申请的低轨卫星数量已达5.13万颗。
“3D科学谷白皮书解析
卫星市场起来了，电推进技术就不再是航天领域的小众技术，而是指向千亿美元的大市场。
3D科学谷注意到，Rocket Lab在官方新闻中谈到其霍尔电推进器的制造能力时，特殊项目首席工程师强调了他们在火箭发动机上积累的3D打印批量生产经验。虽然官方没有明说电推进器的量产能力与3D打印技术相关，但这透露出用于火箭发动机制造的3D打印技术，与电推进器的规模化制造之间，存在着可迁移的关联。
如今在航天制造领域，“3D打印是否有价值”早已是行业共识，大家更关心的是具体用在哪些部件、实现什么效益。电推进系统制造方面已有公开案例：我国五院510所的EP-1A型霍尔电推进产品，其贮供单元采用3D打印一体化设计后，体积缩小70%、重量减轻35%；电源处理单元制造周期缩短了60%。
挑战仍在，深度技术突破亟待关注
电推进要批量生产、广泛应用，依然面临不少难题。比如氙气工质每千克数万元，价格波动剧烈、成本高，制造效率与一致性难以保证，氩气这样的新型工质电离效率偏低等。其中，工质替代是降低星座运营成本的关键路径。SpaceX星链2.0已经大规模应用氩工质霍尔电推进，而国内在这一领域的研究尚处于追赶阶段。
本期谷·专栏将分享《中国航天》期刊刊登的《氩工质霍尔电推进技术研究综述》一文。文章系统梳理了氩工质的物性特点、国内外应用现状、技术难点以及未来发展方向。
我们希望借此引发谷友们对一件事的思考：新工质带来新工况对推力器结构件、贮供单元的材料和制造工艺提出了新要求，3D打印在其中可以做些什么，3D打印能够为电推进系统规模化生产及不断迭代做些什么。了解电推进的技术前沿与产业痛点，才能更精准地定位增材制造在航天动力供应链中的价值坐标。
以下为《氩工质霍尔电推进技术研究现状与展望》正文。
刘佳1,2,3 丁明浩1,2,3 黄浩1,2,3 丁永杰4 张岩1,2,3
1.上海空间推进研究所；
2.空间高效能推进技术及应用全国重点实验室；
3.上海空间发动机工程技术研究中心；
4.哈尔滨工业大学
低轨星座已经成为我国航天产业的重要增长点，我国现阶段规划的星座卫星规模在5万~6万颗，且还在不断增长，未来的市场竞争将异常激烈，低成本成为决定成败的关键因素。氩工质具有成本低、产量大、理论比冲高等突出优势，未来应用前景广阔。
一、氩工质霍尔特性分析
霍尔电推进已经成为空间推进重要组成部分，据统计，每100颗配置电推进的航天器中就有96颗配置霍尔电推进。现阶段，霍尔电推进的主流工质是氙气，相比其他工质，氙工质的综合性能最好，主要体现在：（1）相对原子量大，相同条件下输出推力最大；（2）电离率高，易形成高密度等离子体；（3）易实现微小流量的高精度控制；（4）贮存压力相对较低、贮存密度大；（5）与绝大多数材料兼容。
但是，氙气也存在明显的价格高、产量小的问题。氙气主要通过空分技术从空气中提炼，氙气在空气中的体积分数不到1/107，全球氙气的年产量约为60t，其中40%用于半导体产业，可用于空间电推进行业的氙气只有10%~30%；通常，低轨星座卫星的氙气加注量约为数千克至数十千克，随着低轨卫星年发射数量达到数百颗且不断增长，氙工质供应问题逐渐显现。氙气价格昂贵，每千克价格通常为数万元，且价格波动较大，近5年的波动幅度超过20倍，最高价格达到10万元每千克，为低轨星座等航天产业的发展带来不稳定因素。
早期，卫星的发射数量少、附加值高，氙工质的问题并不突出。但自2019年以来，低轨卫星星座及商业航天的兴起与快速发展，带动空间电推进应用范围急剧扩张，对氙工质的需求量明显上升，对低成本的要求越来越苛刻，氙气的替代工质逐步成为空间推进研究的热点和重点方向。
在诸多的替代工质中，氩工质是最重要的发展方向之一，尤其是在美国配置氩工质霍尔的“星链”2.0mini版卫星大规模成功应用的背景下，氩工质产品研发速度明显加快。相比氙工质，氩工质的优势体现在：（1）储量大、产量高。在空气中氩气含量是氙气的10万倍，年产量可观。（2）价格低。氩气的价格只有氙气价格的1/5000左右，每千克氩气的价格不到10元。（3）原子量小，理论比冲高。在相同加速电压下，氩气理论比冲比氙气高80%。但对于小功率霍尔推力器，氩气实际比冲往往比氙工质低，主要原因是氩气的电离率小、工质利用效率低，导致实际比冲偏低。随着霍尔推力器放电功率的增大，氩气的实际比冲会增加，当放电功率达到5千瓦级时，氩工质的比冲会超过氙工质，且随着霍尔推力器放电功率的增加，氩工质效率也增加，当功率达到20千瓦级，氩工质效率与氙基本相当。
然而，氩工质也存在系列的问题，主要体现在：（1）相同条件下氩的电离率小，工质利用效率偏低。氩气的电离能为15.7eV，氙气的电离能为12.1eV，氩气电离能比氙气大3.6eV；氩气的电离截面小，在电子能量为50eV时的电离截面只有氙气的一半；工质的电离率与电离截面正相关，与电离能负相关，氩气的电离率小，电离难度更大，见表1。（2）氩气贮存压力大、贮存密度小。在常温（25℃）条件下，氩气在20MPa压力下的贮存密度为0.34kg/L，而氙气在15MPa压力下的贮存密度就达到2.0kg/L，氩气的贮存效益明显低于氙气。
表1 氩和氙主要物性参数
二、国内外应用及研究现状
目前，国内外只有美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”卫星实现氩工质霍尔电推进的空间应用。此外，一些国家和地区的研究机构已开展了相关研究工作，主要有俄罗斯中央机械制造研究院、英国南开普敦大学、日本筑波大学、美国密歇根大学等。在我国，北京易动宇航科技有限公司（简称“易动宇航”）、哈尔滨工业大学、上海空间推进研究所等单位正在进行相关研究。表2给出国内外典型的霍尔推力器氩工质性能测试统计情况。
表2 国内外典型的霍尔推力器氩工质实测性能统计
2023年2月27日，SpaceX“星链”2.0 mini版首批21颗卫星成功发射，实现氩工质霍尔电推进国际上首次在轨应用。截至2025年12月12日，共计发射97批次合计2381颗卫星，其中，2023年发射8批次合计177颗卫星，2024年发射12批次合计271颗卫星，2025年在12月12日前发射77批次合计1933颗卫星，见图1。“星链”2.0 mini版卫星质量575~790kg，配置氩工质霍尔电推进系统主动力，用于执行轨道提升、轨道维持等任务。据公开资料显示，其推力器功率4.2kW，推力170mN，比冲2500s，效率50%，质量仅有2.1kg。
图1 “星链”2.0mini卫星历年发射次数及数量
在“星链”2.0 mini版卫星首批星发射不久，2025年7月，易动宇航对外发布该公司研制的宽功率范围调节氩工质霍尔推力器成功点火，推力器实测功率0.2~1.2kW，推力6~46mN，比冲700~1900s，这是国内首款公开报道的氩工质霍尔推力器产品。同年，哈尔滨工业大学公开宣传其研制了氩工质永磁体霍尔推力器，并实现300~1350W功率点火。
俄罗斯中央机械制造研究院在氙工质霍尔推力器（D-100）基础上测试了氩工质在6~15kW功率范围的输出性能，见图2。氙工质比冲2500~4250s、效率67%~75%；氩工质比冲3000~4400s、效率32%~44%；氩工质比冲比氙工质高150~500s，但氩工质效率比氙工质低32%~35%。
图2 俄罗斯的D-100霍尔推力器
日本筑波大学在氙工质霍尔推力器基础上开展了氩工质适应性优化设计，主要将放电通道长度由原来的3mm增大到9mm。推力器放电功率700W，改进前氩工质的比冲为973~2227s，阳极效率为9%~22.3%，改进后氩工质与氙工质的效率差距缩小了5%~15%。
英国南安普敦大学也在100W氙工质霍尔推力器（HEKT-100）基础上进行了氩工质的性能测试。测试功率30~810W，氙工质的最大推力12.6mN，最高比冲2160s，最高效率26.3%；氩工质的最大推力6.7mN，最高比冲1390s，最高效率9.6%。表3给出HEKT-100推力器氙氩工质性能对比情况，氩工质的推力、比冲、效率等性能均低于氙工质，其中，氩工质的效率只有氙工质的36.5%。
表3 英国HEKT-100霍尔推力器氙氩工质性能对比
美国密歇根大学的学生团队基于氙工质霍尔推力器设计方法，通过对比分析的理论方法设计200W永磁体氩工质霍尔推力器，采用钐钴永磁体，磁感应强度为330G，最终实现氩工质稳定工作，累计点火时长达到5h。
上海空间推进研究所于2023年开展了氩工质霍尔电推进关键技术研究，明确霍尔推力器氩工质启动参数与流程，实现了推力器氩工质稳定工作，测试氩工质在3~5kW功率范围的输出推力60~170mN，比冲1700~2500s，最高效率在45%左右。
三、氩工质霍尔发展方向
针对霍尔推力器采用氩工质出现的电离难度大、比冲和效率偏低，贮存密度小、贮存压力高等问题，可采取的技术途径主要有混合工质增强电离、结构适应性优化设计、多级辅助电离设计、低温液态高密度贮存等。 （一）混合工质增强电离
霍尔推力器工质电离主要通过电子与工质粒子间的电离碰撞反应，而反应概率与工质（中性）粒子的密度、高能电子数量及其能量分布、碰撞截面等有关。在氩工质中增加少量的氙气或氪气等会影响氩工质的电离效率，氙氪工质的添加会间接提高电子温度，从而增加工质的电离效率。
日本筑波大学在开展氩氙混合工质霍尔推力器研究中发现：在纯氩气中增加5%的氙气，推力器的性能有明显提升；在纯氙气中增加不超过10%的氩气，推力器性能变化较小；在氩氙混合工质中，随着氙气含量的增加，推力器效率同步增加，纯氩气推力器效率最低，通常不超过5%。此外，法国奥尔良大学的研究也发现氩工质中增加少量的氙气有利于电离：在24mL/min氩气中添加0.5mL/min氙气，混合气体电离效率高于纯氩气。
美国乔治亚理工学院的研究发现：在氪工质中添加少量的氩工质有利于氪工质的电离，霍尔推力器的性能也会随之提高。在氪氩混合工质中，当氩气体积流量占比由0%增大到26%时：在2.6kW功率，推力由76mN增大到78mN，比冲由1600s增大到1650s，效率由23.5%增加到25%；在4.2kW功率，推力由103mN减小到102mN，比冲由2100s增大到2300s，效率由26%增加到27%。在氪工质中加入不超过26%的氩气，推力器的推力基本不发生变化，而推力器的比冲、效率会有明显提高（见表4）。
表4 2.6kW和4.2kW霍尔推力器氩氙混合工质性能变化
（二）结构适应性优化设计
现有霍尔推力器设计理论或方法多适用于氙工质，采用氙工质推力器输出性能高、工作稳定性好；为适应变工质的需求，需开展霍尔推力器结构的改进设计，主要包括推力器特征尺寸优化，气体分配器、磁路等结构改进等。
霍尔推力器的特征尺寸（见图3）主要包括放电通道宽度h、放电通道深度L、放电通道中直径D。不同类型的工质，相对原子质量或原子质量越小，工质电离碰撞驰豫时间越短，增大放电通道长度L可以延长电离碰撞的驰豫时间，进而可以提高工质的电离效率。但是，需要注意的是霍尔推力器的工质流量或放电通道内中性粒子的密度有上限值，当密度达到上限值后，磁场对电子的约束会被频繁的电离碰撞削弱，电势的轴向梯度（决定电离、加速效果）减小，最终导致在较高中性粒子密度下推力器性能降低。相比氙工质，氩工质对应的霍尔推力器放电通道适当加长，电离碰撞概率增大，在一定程度上可提高氩工质的电离率，密歇根大学研制的200W氩工质永磁体霍尔推力器，其放电通道长度是氙工质的3.5倍。
图3 霍尔推力器特征尺寸示意图
霍尔推力器气体分配器的作用是将工质粒子均匀分布在放电通道内部，尤其是在放电出口附近的电离与加速区，重点考虑中性粒子密度径向分布均匀性及轴向速度大小，当径向密度越大，且分布越均匀，而轴向速度偏小时，可以实现较高的电离效率。日本东京大学团队通过改变放电通道内工质气体的注入方式来提高中性粒子密度，通过将常规的轴向注入方式改为旋转注入，在放电通道出口处，中性粒子平均密度提高7.8%，推力器的阳极效率提高1.8%。
磁场强度及构型是霍尔推力器设计的核心，不同工质对应的最佳磁场不同，可以通过优化磁场强度及构型设计或增加辅助励磁，提高工质的电离效率。英国帝国理工学院研究氩或氙工质霍尔推力器磁场曲率对径向-轴向动力学特性及输出性能的影响，研究发现：当表征磁场曲率的角度为-60°时，氩、氙工质的电离效率最高；当表征磁场曲率的角度过大或过小时，两种工质的电离效率均会下降。
（三）多级辅助电离设计
氩工质霍尔推力器采用常规的电离方式难以获得更高的电离效率，故而可以通过基于能量和电压合理分配的原则增加辅助电离或将电离与加速分开的多级设计达到提高工质电离率或离子加速效率的目的，实现推力器电离效率、比冲等性能的提升。
美国密歇根大学为提高霍尔推力器的电离效果，在放电通道底部增加射频天线，起增强电离的作用，进而提高霍尔推力器的电离效率（见图4）。氩、氙工质的电离效率和推力均随着射频功率的增加而缓慢增加，但由于射频功率的耦合效率偏低，导致推力器整体的效率下降；为解决射频功率耦合效率较低的问题，德国航空航天中心提出采用线性场矢量激励网络产生线偏振电磁场的方式改变射频功率与等离子体耦合机制，提高射频能量的耦合效率。俄罗斯中央机械制造研究院采用双阳极设计实现工质电离与离子加速的独立控制、工质电离与离子加速能量的合理分配，进而提高霍尔推力器的比冲；霍尔推力器通过双阳极设计将氩工质的比冲提高到4400s，高于氙气的4250s和氪气的3900s的比冲。
图4 美国密歇根大学的螺旋波霍尔推力器
（四）低温液态高密度贮存
氩工质在常温下的贮存密度远小于氙气，且其贮存压力远高于氙气，导致氩工质的贮供单元质量是氙工质的1.5~2.5倍。对于小规模空间任务，氩气加注量通常在100kg以内，可以采用高压气态贮存方式，增加的系统质量是可以接受的；但对于大规模空间任务，氩气加注量在数吨级，常规的高压气态贮存方式代价过高，需采用87K以下的低温液体贮存方法，氩工质液态贮存的密度达到1.3kg/L，相比气态贮存，密度增加4倍（见表5）。低温液态贮存技术处于攻关阶段，需攻克低温贮箱多层绝热、微重力液体工质管理、零蒸发主动制冷等关键技术。
表5 不同类型工质的沸点及液态密度
美国国家航空航天局（NASA）认为，低温推进剂是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂。美、欧在90K以上温区的低温液体贮存技术成熟度已经达到6级，具备飞行演示试验能力；美国的热力学排气低温贮存技术成熟度达到5~6级，同步开展零蒸发主动制冷低温贮存技术攻关。目前，我国兰州空间技术物理研究所正在开展氪工质的长期低温液态贮存关键技术研究，目标是实现液氪工质长期在轨零蒸发贮存；上海空间推进研究所等单位正在开展液氧甲烷低温工质的长期在轨贮存技术研究，上述研究均为氩工质长期在轨低温液态贮存奠定基础。
四、未来应用展望
氩工质霍尔最大的优势是成本低，其在巨型星座、商业航天等对成本管控严格的领域优势最为明显。针对工质加注量规模较大的空间任务，氩工质低温液态贮存具有显著的技术和成本优势。此外，氩工质的高比冲优势在20kW以上功率级的霍尔推力器中将得以实现，适用于大规模、远距离的空间探测等任务。 （一）巨型星座与商业航天
近年来，我国商业航天产业蓬勃发展，促进了霍尔电推进技术的快速推进。美国“星链”计划的成功有力促进商业航天动力向低成本电推进方向转变，霍尔电推进基本已成为低轨星座卫星动力系统的标配，低成本成为重要的发展方向。现有的氙工质霍尔电推进技术可以满足低轨组网卫星对推进系统性能的需求，但氙工质产量低、价格高、波动大的问题使其无法从根本上满足大批量卫星组网对低成本的需求，低成本的氩工质成为必然的发展方向。
（二）工质需求量大的大功率空间任务
目前，低轨组网卫星任务中，氙气的加注量一般不超过10kg，地球静止轨道卫星氙气加注量通常在200~500kg，氙气高成本、低产量等问题并不突出；但随着载人探月轨道空间站、在轨服务大范围转移飞行器、空间核动力飞船等电推进系统功率达到50千瓦级及以上的大规模空间任务的论证及规划，工质加注量达到数吨甚至更多，氙气的应用会受到极大的限制，开展低成本低温液态氩工质霍尔电推进技术研究显得尤为重要。
（三）大规模远距离的深空探测任务
目前，小功率氩工质霍尔推力器的比冲优势并不明显，随着推力器功率的增大，氩工质的电离效率提高，推力器的比冲、效率随之增长。对于50千瓦级霍尔推力器来说，氩、氙工质的效率相当，而氩工质的比冲可到6000~6500s，高于氙工质4000s左右的比冲。氩工质高比冲的特点适用于未来大规模、远距离的深空探测任务，可显著降低工质的消耗量，扩展深空探测范围。
本文刊登于《中国航天》2025年第12期
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投稿 丨daisylinzhu 微信
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