基础篇
　　第1章 绪论
　　2012年10月14日，SJ9A卫星在太原卫星发射中心成功发射，揭开了我国霍尔电推进进入空间应用的序幕［1］，随后的空间站核心舱、多媒体贝塔卫星及多个卫星星座等采用霍尔电推进的航天器相继发射入轨，令霍尔电推进工程应用驶入了快车道，目前，中等功率（百瓦至五千瓦）的霍尔电推进已经全面进入工程研制和应用阶段。
　　1.1 霍尔电推进工程内涵
　　宽泛地讲，“工程”就是指由一群人（或某个人）为达到某种目的，在一段时间内进行协作（或单独）活动的过程。描述得再具体些，“工程”则是指以某组（或某个）设想的目标为依据，应用相关的科学知识和技术手段，在预定的时间周期内，通过有组织的一群人（或某个人）将某些（或某个）现有实体（自然的或人造的）转化为具有预期使用价值的人造产品的过程。
　　工程的主要依据是数学、物理学、化学，以及由此产生的材料科学、结构力学、固体力学、流体力学、热力学、输运过程和系统分析等。工程的主要职能通常包括如下几方面。
　　（1）研究：应用数学和自然科学概念、原理、实验技术等，探求新的工作原理和方法；
　　（2）开发：解决把研究成果应用于实际过程中所遇到的各种问题；
　　（3）设计：选择不同的方法、特定的材料，并确定符合技术要求和性能规格的设计方案，以满足结构或产品的要求；
　　（4）实施：包括准备场地、材料存放、选定既经济又安全并能达到质量要求的工作步骤，以及人员组织和设备利用等；
　　（5）生产：在考虑人和经济因素的情况下，选择场地布局、生产设备、工具、原材料、元器件和工艺流程，进行产品的制造、试验和检查；
　　（6）操作：管理机器、设备以及能源动力和流体供应、运输和通信，使各类设备经济可靠地运行；
　　（7）工程管理及其他职能。
　　一般而言，工程可以大致分为三大类： 第一类就是将自然科学的理论应用到人类实践活动中而形成的工程门类，如化学工程、水利工程、生物工程、海洋工程、航天工程等，通常这些工程门类对应的就是相应的专业，如化学工程专业、水利工程专业、生物工程专业、航天工程专业等；第二类就是在上述专业门类里细分出来的工程类别，尚没有达到学科专业的级别，这类工程的内涵与第一类相近，也是自然科学的理论应用到人类实践活动中而形成的工程门类。如化学工程专业的化工系统工程、化学反应工程、化工分离工程、化工安全工程等。航天工程专业的载人航天工程、运载火箭工程、深空探测工程、航天器（卫星）工程等，以及由其再细分出的各种具体的工程科目，如航天员生保工程、在轨推进工程、卫星环境工程、卫星姿态动力学工程等。通常，第二类工程是作为第一类工程专业的具体专业课程出现的。随着应用领域的扩展和技术的不断深化细化，第二类工程可以转化为第一类工程；第三类是指具体的工程项目，也就是第一、二类工程的具体实践活动，如京九铁路工程、某某卫星工程、某某大厦电梯改造工程、某某设备研制工程等。工程门类和工程项目有大有小，有复杂有简单，但其内涵和职能都遵循上述定义。
　　霍尔电推进工程是上面描述的第二类工程，它属于航天工程专业中航天器工程的子类。作为一项相对专业的工程科目，霍尔电推进工程以航天器的在轨推进任务为目标，将航天器总体提供的技术任务书作为工程研制依据，应用该领域预先研究的成果和已有技术经验，按照航天产品工程研制的相关规范和流程，通过有组织地开展方案论证、工程设计、生产制造、试验验证、迭代优化等各项活动，最终形成可满足航天器在轨推进任务需求的霍尔电推进系统工程产品。
　　从航天产品工程的角度，霍尔电推进工程就是对霍尔电推进产品开发、生产、质量管理、产品定型和应用等过程进行优化，以满足霍尔电推进产品高性能、高可靠、高质量要求的一项系统工程。因此，广义地讲，霍尔电推进工程应该涉及霍尔电推进工程技术和工程管理两个层面的内容。本书的霍尔电推进工程是一个相对狭义的概念，介绍霍尔电推进工程研制中技术层面的内容，主要包括霍尔电推进工程研制方法、工程实践和工程应用等，不涉及与人员相关的工程管理方面的内容。
　　1.2 霍尔电推进工程发展历程
　　霍尔电推进概念是由苏联库尔恰托夫原子能研究所的莫罗佐夫教授于20世纪60年代提出的。虽然在1970年至1980年间，苏联开展了一些霍尔电推进的空间飞行试验，但还远未达到成熟工程应用的技术状态。
　　随着20世纪90年代初苏联解体，霍尔电推进技术逐渐传播到西方和国际社会，再加上随后的航天器电源技术迅猛发展，使得霍尔电推进技术具备了工程应用的条件。目前中小功率霍尔电推进已经作为成熟技术，在各国的航天器上得到了大量的工程应用。大功率和超大功率的霍尔电推进技术也在积极研发，朝着工程应用的方向迈进。从工程研制的角度，霍尔电推进工程发展可以大致划分为两个主要阶段第一个阶段是20世纪90年代之前的技术发展和工程培育阶段；第二个阶段就是20世纪90年代之后的工程研制和空间应用阶段［2-5］。
　　1.2.1 技术发展和工程培育阶段
　　20世纪70～80年代，正是美苏冷战的巅峰时期，围绕航天器空间推进的竞争也在悄然进行。虽然当时的航天电源技术尚处于比较低的技术水平，但基于电推进技术不可估量的未来前景，美苏两国都在不遗余力地加紧发展。美国重点以机理清晰而结构复杂的离子电推进技术作为发展方向，而苏联则瞄准机理复杂而结构简单的霍尔电推进技术开展研究。当时苏联投入了大量的人力、物力和财力发展霍尔电推进技术，仅莫斯科航空学院的一个教研室专职从事霍尔推力器基础研究的就超过了200多人，哈尔科夫航空学院（苏联时期布局在乌克兰的著名航空学院之一）从事空心阴极基础研究的专职人员近百人，可见研究规模之巨。苏联霍尔电推进研究工作主要涉及两个方向：磁层霍尔推力器，也称稳态等离子体推力器（stationary plasma thruster，SPT）和阳极层霍尔推力器（thruster with anode layer，TAL）。
　　磁层霍尔推力器是当时苏联电推进发展的重点，早期的研究工作表明，其非常适合放电电压在几百伏范围间工作。基于当时卫星电源水平的考虑，磁层霍尔推力器研究主要集中在放电电压为200～300V的中小功率领域。磁层霍尔推力器的主要工程研制单位是位于加里宁格勒地区的火炬设计制造局Fakel EDB，开发了系列的霍尔推力器工程产品。1971年12月29日，苏联发射了第一颗搭载霍尔推力器的Meteor卫星［6］（图1-1），初步验证了霍尔电推进技术的性能优势及其在空间环境的工作效果，图1-2是当时Meteor卫星上的霍尔推力器及其系统产品照片。此后磁层霍尔推力器得到不断改进和优化，至20世纪90年代，中小功率磁层霍尔推力器达到了工程应用的状态。基于苏联在磁层霍尔电推进领域的辉煌成果，该技术也成了国际上霍尔电推进发展和应用的主流。在没有特别注明的情况下，业界普遍所说的霍尔推力器通常就是指磁层霍尔推力器。
　　图1-1 Meteor卫星
　　图1-2 Meteor卫星上的霍尔推力器及其系统产品
　　阳极层霍尔推力器作为苏联电推进的储备技术，早期的研究尝试表明，其非常适合于在放电电压为几千伏的工况下以双级模式工作。1960～1985年，中央机械制造研究院（TsNIIMash）开展了以铋为工质的阳极层霍尔推力器研究，演示的功率水平超过100kW，比冲在3000～8000s，效率接近80％［7］。基于当时的航天技术水平，空间任务使用大功率电推进仍十分遥远，导致该技术的发展缺乏明确的工程需求牵引。而在低功率领域，千瓦量级的阳极层霍尔推力器相对于磁层霍尔推力器而言，又不存在明显的技术优势。正是上述两大原因，至20世纪90年代阳极层霍尔电推进技术的发展几乎处于停滞状态。
　　1.2.2 工程研制和应用阶段
　　冷战结束后，苏联的霍尔电推进技术对国际社会公开，西方国家意识到该技术的综合优势，通过技术引进与合作，逐渐掌握了霍尔电推进技术。早期引入的霍尔推力器功率基本上处于千瓦量级，典型的产品型号主要有：火炬设计局的SPT-100、中央机械制造研究院的D-55、克尔德什研究中心的T-100等。随着霍尔电推进技术逐渐获得西方航天界的认可，在国际上掀起了霍尔电推进研究的小热潮，也加快了该技术工程研制和空间应用的步伐。特别是美国和欧洲的一些卫星研制厂商，通过直接采购俄罗斯生产的霍尔推力器用于卫星的在轨推进任务，极大地推动了霍尔电推进的工程化进程。典型的例子就是美国劳拉公司，其研制的LS-1300高轨卫星平台（图1-3），将俄罗斯火炬设计制造局研制生产的SPT-100霍尔推力器（图1-4）作为该卫星平台的标准配置，一直应用至今。
　　图1-3美国劳拉公司LS-1300卫星
　　图1-4SPT-100霍尔推力器

目录
丛书序
前言
基础篇
第1章绪论
1.1霍尔电推进工程内涵003
1.2霍尔电推进工程发展历程004
1.2.1技术发展和工程培育阶段005
1.2.2工程研制和应用阶段006
1.3霍尔电推进工程研制阶段划分008
1.3.1方案阶段008
1.3.2初样阶段008
1.3.3正样阶段008
1.4霍尔电推进工程研制发展趋势009
1.4.1霍尔电推进货架产品化009
1.4.2霍尔电推进产业化009
1.4.3大功率霍尔电推进的工程化010
参考文献010
第2章霍尔电推进工程任务
2.1霍尔电推进任务分析012
2.1.1航天任务选择霍尔电推进的主要指标012
2.1.2*佳比冲016
2.1.3国际上典型霍尔推力器指标017
2.1.4霍尔电推进适合的推进任务类型分析018
2.2低轨航天器推进任务020
2.2.1低轨卫星021
2.2.2超低轨航天器023
2.3高轨航天器推进任务026
2.3.1轨道控制任务028
2.3.2姿态控制任务039
2.4深空探测航天器推进任务039
2.5其他任务042
2.5.1编队飞行航天器042
2.5.2火箭上面级042
2.5.3人工空间等离子体043
参考文献044
第3章霍尔电推进工程研制基础
3.1霍尔推力器基本原理048
3.2霍尔电推进系统050
3.2.1系统基本组成050
3.2.2系统主要单元功能052
3.3霍尔电推进预研及其成果056
3.3.1霍尔电推进预研056
3.3.2霍尔电推进预研成果058
3.4霍尔电推进工程研制进程节点表征058
3.4.1技术成熟度059
3.4.2产品成熟度062
3.5霍尔电推进技术成熟度提升065
参考文献066
方法论
第4章霍尔电推进工程研制要求
4.1霍尔电推进的主要功能要求071
4.1.1任务剖面071
4.1.2功能要求072
4.1.3性能要求073
4.2霍尔电推进对航天器的影响077
4.2.1热流效应077
4.2.2羽流效应078
4.2.3高频电流环效应079
4.2.4电磁兼容效应079
4.2.5航天器充放电问题079
4.3霍尔电推进接口要求080
4.3.1霍尔电推进系统与航天器的接口080
4.3.2霍尔电推进系统与平台电源母线的接口081
4.4霍尔电推进系统设计要求081
4.4.1一般要求081
4.4.2主要参数的选择和确定083
4.4.3设计研发要求084
4.4.4污染控制084
4.4.5推进剂贮存供给单元085
4.4.6霍尔推力器086
4.4.7推力向量控制088
4.4.8功率处理单元088
4.4.9电气设计089
4.4.10故障检测090
4.4.11地面支持设备090
4.5霍尔电推进验证要求091
4.5.1一般要求091
4.5.2分析验证091
4.5.3试验验证092
4.6霍尔电推进质量保证要求093
4.6.1设计阶段093
4.6.2生产和制造阶段093
4.6.3操作和处置层面094
参考文献094
第5章霍尔电推进系统方案阶段研制
5.1方案阶段目标和要求096
5.2方案阶段工作基础098
5.2.1预先研究的技术成果098
5.2.2项目总体输入099
5.2.3其他设计开发输入条件099
5.3方案阶段主要工作内容099
5.3.1霍尔电推进系统方案论证099
5.3.2霍尔电推进系统方案设计110
5.3.3霍尔电推进系统方案研制121
5.4方案阶段重点及完成标志127
5.4.1方案阶段重点关注内容127
5.4.2方案阶段完成标志129
参考文献129
第6章霍尔电推进系统初样研制
6.1初样研制阶段的目标与要求131
6.2初样研制阶段工作基础132
6.2.1方案研制阶段的技术成果132
6.2.2初样研制技术要求133
6.2.3其他设计开发输入条件133
6.3初样研制阶段工作内容134
6.3.1霍尔电推进系统初样产品设计136
6.3.2霍尔电推进系统初样产品实现与集成141
6.3.3霍尔电推进系统初样产品验证143
6.3.4霍尔电推进系统软件工程化150
6.3.5霍尔电推进系统初样研制总结150
6.3.6霍尔电推进系统初样数据包策划151
6.4霍尔电推进系统初样研制工作重点与完成标志153
6.4.1研制工作重点153
6.4.2研制工作完成标志154
参考文献154
第7章霍尔电推进正样研制与在轨飞行
7.1正样研制阶段的目标和要求156
7.2正样研制阶段的工作基础157
7.2.1初样研制阶段的研制成果157
7.2.2正样研制技术要求157
7.3正样研制阶段工作内容157
7.3.1霍尔电推进系统正样产品设计159
7.3.2霍尔电推进系统正样产品实现与集成160
7.3.3霍尔电推进系统正样产品验证160
7.3.4霍尔电推进系统正样产品的数据包策划163
7.3.5霍尔电推进系统正样研制阶段工作重点与完成标志165
7.4霍尔电推进测发和在轨应用167
7.4.1在轨飞行应用任务类型167
7.4.2测发和在轨应用工作内容169
7.4.3霍尔电推进系统在轨飞行控制策略170
7.4.4测发和在轨应用工作重点与完成标志175
参考文献176
实践篇
第8章霍尔推力器工程研制
8.1霍尔推力器研制特点及基本要求179
8.1.1研制特点179
8.1.2霍尔推力器产品基本要求180
8.2霍尔推力器原理样机研制184
8.2.1原理样机研制目标184
8.2.2技术指标确定184
8.2.3性能影响因素185
8.2.4霍尔加速器设计185
8.2.5关键技术203
8.3霍尔推力器工程样机研制209
8.3.1研制目标209
8.3.2工程样机研制210
8.3.3工程样机测试和试验验证220
8.4霍尔推力器飞行产品研制与应用234
8.4.1飞行产品研制目标234
8.4.2飞行产品研制基本流程234
8.4.3验证项目和产品交付236
8.4.4霍尔推力器在轨应用236
参考文献239
第9章空心阴极工程研制
9.1空心阴极研制特点及要求242
9.1.1研制特点242
9.1.2基本要求243
9.2空心阴极原理样机研制245
9.2.1原理样机研制目标245
9.2.2技术指标确定245
9.2.3空心阴极性能影响因素245
9.2.4空心阴极设计246
9.2.5原理样机试验验证262
9.2.6原理样机完成标志262
9.3空心阴极工程样机研制263
9.3.1工程样机研制目标263
9.3.2工程样机研制的基本流程263
9.3.3工程样机设计265
9.3.4工程样机试验验证271
9.3.5工程样机完成标志282
9.4空心阴极飞行样机研制与应用283
9.4.1飞行产品研制目标283
9.4.2飞行产品研制基本流程283
9.4.3飞行产品完成标志284
9.4.4空心阴极飞行应用285
参考文献289
第10章推进剂贮存供给单元工程研制
10.1贮供单元工程研制要求291
10.1.1贮供单元组成291
10.1.2主要技术指标293
10.1.3贮供单元产品研制要求296
10.2贮供单元方案设计297
10.2.1研制目标297
10.2.2方案设计过程297
10.2.3原理样机研制基本流程313
10.2.4原理样机设计314
10.2.5原理样机实现和验证326
10.3贮供单元工程样机研制327
10.3.1工程样机研制目标327
10.3.2工程样机设计328
10.3.3工程样机验证329
10.4贮供单元飞行产品研制335
10.4.1飞行产品研制目标335
10.4.2飞行产品研制基本流程335
10.4.3飞行产品验证336
10.4.4产品交付336
10.4.5在轨应用337
参考文献341
第11章功率处理单元产品工程研制
11.1功率处理单元工程研制特点和要求344
11.1.1PPU工程研制特点344
11.1.2PPU工程研制总体要求345
11.1.3PPU功能模块要求346
11.1.4其他要求347
11.2功率处理单元方案设计354
11.2.1研制目标354
11.2.2研制流程354
11.2.3关键技术攻关355
11.2.4方案设计357
11.2.5性能测试361
11.2.6验证和转阶段361
11.3功率处理单元工程样机研制362
11.3.1研制目标362
11.3.2研制流程362
11.3.3关键技术365
11.3.4详细设计368
11.3.5性能测试371
11.3.6验证和转阶段372
11.4功率处理单元飞行产品研制与应用372
11.4.1研制目标372
11.4.2研制流程372
11.4.3详细设计375
11.4.4性能测试377
11.4.5验证和产品交付377
11.4.6功率处理单元在轨飞行应用378
参考文献380
第12章霍尔电推进系统产品工程研制
12.1霍尔电推进系统工程研制特点和要求382
12.1.1霍尔电推进系统工程研制特点382
12.1.2霍尔电推进系统工程的要求384
12.2霍尔电推进系统方案研制389
12.2.1方案研制主要内容和流程389
12.2.2霍尔电推进方案设计391
12.2.3主要单机原理样机研制和匹配试验393
12.3霍尔电推进系统初样研制397
12.3.1初样研制主要内容和流程397
12.3.2霍尔电推进初样设计及试验策划400
12.3.3霍尔电推进系统内外部接口验证405
12.3.4霍尔电推进系统单机研制408
12.3.5霍尔电推进系统联试411
12.3.6霍尔电推进系统可靠性试验418
12.3.7航天器主要载荷电磁兼容点火测试418
12.3.8霍尔电推进系统试验项目及配套设备422
12.3.9霍尔电推进系统软件研制426
12.4霍尔电推进系统正样研制429
12.4.1正样研制主要内容和流程429
12.4.2霍尔电推进系统正样单机研制432
12.4.3系统级联试434
12.4.4氙气加注437
12.4.5软件研制439
12.4.6交付整星后试验项目440
12.4.7在轨飞行情况440<