来源：中国航天

丁明浩1,2,3 李林1,2,3 刘佳1,2,3 黄翼1,3

（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）

随着电推进技术的广泛应用，航天任务对推进系统工质的需求量与日剧增。目前，电推进两大主流推进类型为霍尔电推进和离子电推进，都采用氙气作为工质，但是氙气在地球上总量较少、提纯难度高、价格昂贵，并且贮供系统依赖于较大体积的高压气瓶，增加了系统复杂性。因此，探索新的替代性工质是推动电推进技术长远发展的一个重要研究方向。

自电推力器成功实现在轨点火至今，大量针对电推进工质选择的研究相继开展。除传统氙等惰性气体外，液态工质（水、液氨、汞等）和固体工质（碘和铯、铋等）也可作为电推进的替代性工质。碘因其合适的物性，成为一种新的工质应用于电推进，并进行了在轨验证和应用。

碘工质电推进技术具有降低推进系统复杂程度、成本和航天器质量，提高推进系统整体性能等优势。碘价格便宜、贮存密度高、无需高压贮箱，航天器采用碘工质的电推力器后，能提高有效载荷输送能力，大大降低了航天器的包络及质量限制。碘工质电推进技术在微小卫星、商业卫星、轨道转移飞行器、深空探测等领域具有广阔的应用前景。

一、

碘工质特性分析

碘是紫黑色晶体，具有金属光泽（见图1），性脆，易升华，有毒性和腐蚀性。碘和氙的相对原子质量相近，分别为126.9和131；理论上，相同质量流量下碘工质和氙工质的放电性能相近。常温状态下，碘以固态形式存在，密度为4.9g/cm3，是氙气密度的3倍，是氪气的近10倍，在贮存体积上，碘工质具有明显的优势。

图1 碘晶体实物图

蒸气压是设计固态工质贮存温度和表征工质在航天器表面沉积的重要依据。图2给出了不同工质的蒸气压随着温度的变化情况，碘的饱和蒸气压在100℃的升华温度时为6000Pa左右，远远高于汞和铯；越高的蒸气压意味着碘可以在较低的温度下实现蒸发，贮箱的热控温度越低，假如碘工质采用低压比例阀进行流量控制，贮箱的热控温度可在90℃左右，可以使碘以蒸气状态在管路中流动输运至推力器。并且，越高的蒸气压表征碘在航天器表面沉积的难度越大，在典型的航天器表面温度条件下，碘工质在对航天器表面的沉积效应会更弱。Busek公司估算表明，临界离子电流为0.05mA/cm2放电条件下，碘工质在-75℃以上可避免沉积。

图2 不同工质的饱和蒸气压随温度的变化

（二）化学特性

碘作为卤族元素，可与多种金属、非金属物质发生反应。虽然碘的化学性质不如氟、氯、溴等同族元素活泼，但是，碘在贮供系统中被加热至100℃左右时，需要考虑其活泼程度及其与不同材料之间的化学反应。常见金属材料与碘工质的反应强度调研结果显示：铜合金、铸铁钢和纯铝在100℃均可以与碘工质发生反应，不能用作贮供系统的材料。但是，镍合金、贵金属（如纯铂、纯金）、难熔金属（如纯钨、钼、钽）和不锈钢（304型）在100℃下均表现出了较好的耐腐蚀性。碘工质羽流对铁和镍两种材料的腐蚀情况如图3所示，碘工质羽流对铁的腐蚀程度明显强于镍，镍材料受到的侵蚀程度很小。

图3 碘工质羽流下铁（左）和镍（右）两种材料的腐蚀情况

（三）放电特性

一般情况下，碘以分子形式存在，转变为碘原子所需的解离能为1.54eV；碘原子和碘分子的电离能分别为10.4eV和9.4eV，Xe的电离能为12.1eV；综合来看，碘分子和碘原子电离成为离子所需要的电离能低于氙。图4中可以看出，当电子能量处于20~70eV范围时，碘原子、碘分子和氙的最大电离碰撞横截面积分别为6.0×10-20m2、12.3×10-20m2和5.0×10-20m2，碘的电离碰撞截面要明显大于氙。理论上，碘原子和碘分子比氙更容易发生电离。

图4 不同工质的电离碰撞截面

在电推力器电离、加速过程中，存在解离、电离、电荷交换碰撞、粒子复合等过程，粒子间相互作用复杂，因此，在碘的电离、加速过程中，放电通道内会存在I2、I、I+、I2+、I2+、I22+等多种成分的粒子。Busek公司采用E×B探针分析了碘工质BHT-200霍尔推力器羽流组分，结果显示，离子束流中存在多种粒子，包括I2+、I+、I2+和I3+。其中，I2⁺的数密度约占粒子总数密度的3%，是I2+含量的2倍。同时，推力器工况参数的改变也会造成各粒子数密度的变化。对于不同类型粒子及组分，电离区位置及加速效应都会有差别，需要对放电结构设计优化和等离子体流动控制进行研究，以实现良好的电离、束流聚焦，以及性能和寿命。

二、

研究历程及应用现状

目前，应用碘工质的电推进技术主要类型包括离子电推进、霍尔电推进、无电极电推进等。开展碘工质电推进技术研究的国家主要有美国、俄罗斯、法国、意大利及中国等。

（一）碘工质离子电推进

1.美国

美国Busek公司开发了世界上第一款碘工质射频离子推力器BIT-3（见图5），并开展了氙、碘工质的性能对比试验。在42μg/s的相同质量流量下，BIT-3在氙、碘两种工质状态下的推力分别为1.4mN和1.35mN，比冲分别为3500s和3200s，效率分别为40%和35.3%。考虑到压力传感器的精度造成的碘气体流量15%的差异，BIT-3氙、碘工质状态下的推力和比冲近似，表明碘与氙在物性上的相似性和可替代性。

图5 美国Busek公司研制的BIT-3碘工质射频离子推力器

美国国家航空航天局（NASA）的SLS EM-1探索任务中的“月球冰立方”（Lunar Ice Cube）计划的主要任务是搜寻月球表面上的水和冰，其卫星LunaH-Map采用BIT-3碘射频离子电推进系统，系统功率56~80W，比冲1400~2640s，推力0.66~1.24mN。2021年1月，BIT-3碘射频离子推力器完成了3500h寿命试验，2022年11月16日，随SLS登月火箭发射升空。但是，由于推进系统出现故障，推力器未能按预期点火，分析原因可能是推进系统阀门堵塞导致的碘工质不能正常供给。

2.欧洲

法国ThrustMe公司研制的碘工质射频离子推力器NPT30-I2如图6所示，其总功率40~75W，推力0.4~1.2mN，最高比冲可达2400s。NPT30-I2通过改变等离子体产生的射频功率值矩阵实现双模式：（1）大推力模式：功率65W，推力最大可达1.2mN，比冲Isp<1000s；（2）高比冲模式：功率65W，推力0.7mN，比冲Isp>1500s。NPT30-I2配套的热阴极寿命试验结果显示，单个阴极寿命可达1260±210h，双阴极模式下总寿命超过了推进系统贮箱中碘工质携带量的寿命限制（1000~2200h）。

图6 NPT30-I2推力器原理图（上）和实物图（下）

为了适配卫星的批量化生产，NPT30-I2碘射频离子电推进系统采用了模块化设计。系统根据工质贮箱大小分为具有1U（尺寸96mm×96mm×113mm，湿质量1.2kg，总冲5500N•s）和1.5U（93mm×93mm×155mm，湿质量1.7kg，总冲9500N•s）两种规格。在系统交付前已完成工质预装填；并根据任务需要采用不同贮箱，系统设计具有灵活性。

2020年11月6日，NPT30-I2电推进系统搭载“北航空事”一号卫星发射升空。2020年12月28日，NPT30-I2首次在轨点火成功，证明了碘作为电推进系统工质的可行性。2023年4月，挪威航天局的NorSat-TD卫星发射升空，该卫星配备了NPT30-I2电推进系统，用于卫星防碰撞、延寿和离轨等操作。

德国利用RIT-10射频离子推力器开展了碘、氙工质对比试验。测试结果发现：当质量流量较小时，碘工质更省功率；质量流量较大时，碘工质会消耗掉更多的能量，这可能是由于碘分子态解离形式造成的能量损耗。

3.中国

中国代表性研究机构包括上海空间推进研究所、哈尔滨工业大学、上海交通大学、苏州纳飞卫星动力科技有限公司（简称“苏州纳飞”）等。

苏州纳飞开发了一款碘工质射频电推力器IRIT-4（见图7）。碘工质状态下推力器功率40.6~128.8W，推力0.88~3.13mN，比冲893~3190s；碘在较高的射频功率下推力略高于氙。目前，苏州纳飞形成了第一代、第二代2mN碘工质电推进系统，第一代10mN碘工质射频离子电推进系统（见表1）；其中，第一代2mN碘工质电推进系统累积考核时间约3000h，并于2022年2月27日在轨飞行。

表1 苏州纳飞碘工质电推进产品性能参数

图7 IRIT-4推力器

哈尔滨工业大学开展了碘工质微波离子推力器的研制工作，其结构及羽流分布如图8所示。在微波输入功率为1.41W、频率2.45GHz条件下，成功实现了碘工质微波离子推力器的点火；并在推力器屏栅电压1600V、加速栅电压200V、微波输入功率2.5W的工况下，实现了束流的有效引出，但由于缺乏中和器，束流离子间因为静电力相互排斥，束流聚焦效果较差。

图8 哈尔滨工业大学微波离子推力器结构图（左）、实物图（中）及羽流状态（右）

兰州空间技术物理研究所开展了碘工质射频离子推力器与贮供单元的首次联试点火（见图9），在射频功率26W、碘工质流量50μg/s的条件下达到推力1mN、比冲2050s的性能。

图9 兰州空间技术物理研究所射频离子推力器点火照片

（二）碘工质霍尔电推进

1.美国

2011年，美国Busek公司基于BHT-200霍尔推力器成功验证了碘工质用于电推进的可行性。2015年，Busek联合NASA马歇尔空间飞行中心、格伦研究中心提出了碘卫星（iSAT）计划，用来验证碘工质霍尔推力器BHT-200-I（见图10），并开展碘工质电推进系统研制。

图10 BHT-200-I碘工质霍尔推力器

BHT-200-I是基于BHT-200的改进型，针对性地改进了结构材料，采用耐碘材料制作了阳极、气管、绝缘器等结构，并增加了耐碘涂层，优化了阳极结构。BHT-200-I的性能包络测试和碘、氙性能对比测试结果显示，碘工质有着足以与氙气工质媲美的稳定性和性能，在150~250V的低放电电压条件下，碘工质性能与氙类似。后续，Busek公司陆续开展了BHT-600-I、BHT-1000-I、BHT-8000-I等多款中大功率碘工质霍尔推力器研制和测试工作。

2.法国

法国ThrustMe公司开发了一款低功率碘工质霍尔电推进器系统JPT150（见图11），实验表明JPT150放电功率范围50~250W，最大推力约13mN，最高比冲约2000s，推功比可达50mN/kW，阳极效率可达45%。

图11 JPT150原理样机碘工质状态下放电图片

法国空客公司在Horizon 2020项目中基于会切磁场霍尔推力器开发多款不同功率等级的碘工质先进会切磁场推力器iFACT（见图12）。作为iFACT项目的一部分，空客公司开发了微型Alberich推进器，尺寸为32mm×34mm×50mm，在功率20W时，推力630μN，比冲900s，推功比30W/mN，携带2个碘工质贮箱，可以实现总冲5000N•s以上。目前，空客公司在iFACT的基础上进一步开发先进尖峰磁场推力器（ACFT）。采用碘工质时，ACFT在500V阳极电压、2.24sccm阳极流量、107.1W功率下，达到最大推力3.16mN、最大比冲1467s，总效率21.2%，最大效率出现在400V阳极电压条件下，达到30.4%；空客公司基于ACFT开发了一款2U的等离子体推进系统，并计划在2026年发射的EnduroSat平台上进行在轨飞行验证。

图12 微型iFACT碘工质推力器

3.中国

哈尔滨工业大学开展了碘工质会切场霍尔推力器的研究，提出了3种碘工质贮供系统的设计方法，并基于热节流法对碘蒸气的流量进行了控制；并建立了由PID温控仪控制管路温度的碘工质输送系统。研究人员建立了碘工质会切场霍尔推力器的一维流体模型，研究了放电通道内的等离子体参数的典型低频振荡；模拟结果显示，I2+密度与I+相似，I-的密度比I+低2个量级。利用热发射的钨丝阴极，实现了碘工质会切场推力器的点火（见图13）。

图13 会切场推力器及点火照片

上海交通大学和上海空间推进研究所联合开展了碘工质霍尔电推进技术研究（见图14），研制的碘贮供系统通过节流器和温度的闭环反馈控制为推力器提供恒定的流量，碘推力器点火试验（阴极采用氙）结果显示，当阳极电压为200V时，放电电流1.13~1.18A，推力约为8.2~8.9mN，比冲约为908s。

图14 上海交通大学研制的碘霍尔推力器实物（左）及点火照片（右）

上海空间推进研究所基于自研的10mN氙工质霍尔推力器开展了碘工质放电试验。在阳极采用碘工质、阴极采用氙气的状态下，推力器实现了点火并稳定工作（见图15），推力器功率200W，推力10mN，流量0.91mg/s，比冲1125s。

图15 碘工质霍尔推力器放电羽流照片

（三）碘工质无电极推进

意大利T4i公司研制了磁增强型等离子体推力器（MEPT），用于立方星的推进系统。MEPT在碘工质下最大推力为0.77mN，比冲为770s，功率为51W。在同等功率条件下，碘工质性能大约比氙低10%~20%。

REGULUS是一个微小卫星推进系统（见图16），将MEPT与电子、流体线路和结构集成在一个1.5U的包络内。当使用碘推进剂时，可实现0.6mN的推力和600s的比冲，总冲量可达3000N•s，如果扩展到2U，可达11000N•s。2021年3月，REGULUS搭载在意大利GAUSS公司的UNISAT-7立方星上发射，成为第二个在轨验证的碘工质电推进系统。

图16 REGULUS碘工质微小卫星推进系统单元

二、

技术挑战

碘以固态的形式贮存，升华为气态形式输运至放电室，参与电离过程。升华和输运过程需要适宜、稳定的环境温度（100摄氏度级），防止碘蒸气凝结为固态，堵塞输运管路。但是，较高的温度还会加速碘气体对输运管路结构的侵蚀，因此，整个输运管路需要选用防腐蚀的材料。同时，为了实现稳定放电，还需要考虑温度和流量的稳定，避免温度的变化造成碘气体流量的波动。因此，碘工质贮供技术、相变热控、微流量控制是碘工质推进的基础性关键技术，需要开展针对性的研究。目前，相变热控可以通过电加热器作为热辐射源，并结合温控器实现相变温度的调节；微流量控制的方法主要有储罐温度控制法、热节流法及比例调节阀控制法。

（二）新型碘工质阴极技术

阴极是霍尔、离子推力器关键部件之一，为推力器正常、稳定工作提供电子。若直接将碘作为工质应用在原有的氙工质空心阴极上，会表现出更复杂的等离子体化学过程，在较高压力下形成负离子（I-），影响阴极综合性能，甚至无法工作，不能满足推力器工作的需求。同时，碘工质的沉积污染、与金属材料的兼容性等都会影响阴极的性能及可靠性，并造成寿命缩短。有必要开展新型发射体阴极材料研究、碘工质射频阴极研究等工作，研制兼容性良好、性能优越的碘阴极成为碘工质电推进系统工程应用的关键。

（三）碘工质先进试验技术

当前的试验设备和试验技术主要针对氙气等性能稳定的气体，碘工质的特殊性质使其在试验过程中存在诸多难题，主要体现在：（1）碘工质相变温度较高，极易在真空系统中凝结，进而对真空泵、阀门等造成腐蚀；（2）碘工质的凝结附着和腐蚀作用可能对小推力测量装置造成影响，导致测量误差过大；（3）温度和压降的变化会影响碘工质的供给不稳定，需要精确流量测试技术评估系统供给碘工质的流量大小及稳定性。因此，应开展面向碘工质环境的先进试验技术研究，涵盖真空试验系统防污染技术、精确流量测试技术等。

三、

结束语

目前，碘工质电推进技术已经得到大量研究和在轨应用，具有广阔的市场应用前景。碘工质可以实现对氙工质的替代，满足霍尔电推进和离子电推进的工质需求。当前，碘工质电推进系统的研究主要面临碘工质相变热控及微流量供给技术、新型碘工质阴极技术、碘工质先进试验技术3个技术难点。通过进一步的技术完善，碘工质电推进系统将更好地满足不同航天任务的需求，以拓展电推进系统的应用场景。