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霍尔推进器是一种稳定成熟的等离子体推进装置[1]，相比于化学推进装置，其结构更加紧凑，拥有更高的比冲性能，使航天器有效载荷能力显著提高，同时还有工作寿命长，推力小，推力调节精度高等优点。因此，等离子体推进装置（尤其是霍尔推进器）的主要优点是节约推进剂质量，降低发射成本且增大航天器搭载的科学仪器数量[2]。霍尔推进器广泛应用于各种低推力的太空任务中，如卫星轨道控制、重新定位以及轻型航天器的主推进等。以往设计的先进霍尔推进器可以在亚千瓦至数十千瓦的输出功率范围内运行，效率为50%~60%[3]。Dan Leva等[4]统计，在1981年至2018年间，总共发射了340颗采用电推进系统的GEO卫星，迄今为止使用最多的是霍尔推进器，约38%的电推力动力卫星使用霍尔推进器。
然而，霍尔推进器尺寸（输入功率）的缩小会导致推力性能显著下降[5]。根据霍尔推进器设计的比例定律，为保持电子磁化，放电通道中的磁通量必须与通道尺寸成反比增加，为保持电离效率，通道中的中性原子密度也必须与推进器尺寸成反比增加。由于磁芯的小型化，内部部件存在磁饱和，在减小推进器尺寸的同时增大磁场具有挑战性。磁路的线性缩小使中心磁极过热导致磁性能下降，从而难以实现最佳磁场。非最佳磁场分布会导致功率和离子损失增加、推进器部件发热和腐蚀，特别是同轴通道和磁路的关键内部部件，进而影响推进器寿命。
通道直径在2~4 cm的低功率霍尔推进器实验室原型机在100~200 W功率水平下运行，效率在10%~40%范围内[6-8]。然而将经典几何结构的霍尔推进器进一步缩小到亚厘米尺寸会导致效率更低，在约100 W的功率水平下效率为6%。效率低下可能是由于较大的轴向电子电流引起的，该电流由于推进器磁体过热导致磁场退化或者是由于电子与通道壁碰撞而增强。因此，寻常环形霍尔推进器的小型化并不容易。普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的Raitses和Fisch提出了圆柱形霍尔推进器（CHT），克服了这些小型化问题，开发了直径为9 cm的圆柱形霍尔推进器，其陶瓷放电通道中具有较短同轴和相对较长的圆柱形区域。与经典几何结构的霍尔推进器（SPT）不同，CHT由于较长的圆柱型区域具有更大的体积于表面比。因此，CHT通道中的功率或离子损失较小，也就是说，CHT可能具有更长的工作寿命。9 cm CHT作为实验室样机并未像最先进的SPT那样进行优化，但推力效率接近 40%，表明圆柱形方法对于低功率应用非常有前景。Smirnov等开发了直径2.6 cm的CHT与相同直径的SPT比较推进器性能，以检验圆柱形方法对低功率霍尔推进器缩放的可行性。在50~300 W功率范围内，CHT实现了15%~32%的推力效率，这表明CHT的推力效率不仅与2.6 cm的SPT相当，而且与现有的其他低功率霍尔推进器相当，如BHT200-XB （功率在100~300 W时，效率为20%~45%）和SPT-30 （功率在100~260 W时，效率为16%~34%）[9]。
本文在圆柱形方法的基础上，选择阳极层霍尔推进器技术变种设计[10-12]低功率圆柱形霍尔推进器，开展放电实验，研究在高电压、小气量、低电流工况下低功率霍尔推进器的工作特性，为进一步发展高效率、长寿命的低功率霍尔推进器优化设计提供技术支撑。
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低功率圆柱形霍尔推进器结构如图1所示，从阳极到推进器出口的总通道长度为5.24 mm，通道外径为25.4 mm，内径为12.7 mm。推进器总长度为25.4 mm，总直径为31.75 mm。推进器使用由钐钴合金制成的轴向磁化永磁环，径向磁场在阳极附近最大约为1000 Gs。
实验在一个直径约为1 m、长3 m的非磁性不锈钢室组成的测试平台内进行，该真空室采用3台涡轮分子泵（中科科仪FD-250/1400B型）抽气，并由一台机械泵和罗茨泵提供支持，总抽速约为4570 L/s。使用商用流量控制器（0~20 mL/min）在0~4 mL/min范围内进行体积校准，向阳极提供实验用Ar气体，运行时的基本压力维持在3.75×10−5 Torr左右，操作压力不超过1.13×10−4 Torr。低功率圆柱形霍尔推进器在等离子体综合调试平台上放电状况如图2所示，该推进器羽流具有较好的准直性。
实验中通过搭建平板接收离子的方式[13]测量推进器出口平面100 mm处的离子束电流，平板上加有50 V的负偏压。测量方法示意图如图3所示。
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低功率圆柱形霍尔推进器的电离区域和加速区域是重合的，由于放电室长度短、壁的导电性质导致等离子体鞘层电压大且二次发射相应较低，电子在流向阳极时保留了大部分能量，从而实现陡峭的电子温度梯度和高电子温度。在阳极附近，由于磁场与电场方向近乎正交，交叉的电磁场捕获电子，使电子在封闭的
$ \overrightarrow{E}\times \overrightarrow{B} $ 场中延磁力线做角向漂移运动形成霍尔电流。由于通道圆柱形部分磁场的磁镜效应，电子难以进入通道环形区域而限制于“混合陷阱”中。在阳极附近中性气体分子与电子的碰撞截面增大，电离形成的离子在阳极与阴极电势差以及空间电荷鞘层中加速，从而产生推力。本文的所有测量中，放电均为在电压限制模式下进行的。在同轴通道周围，放电发出的辉光相当均匀。
低功率圆柱形霍尔推进器的电压与电流特性曲线如图4所示。气体流量一定时，随着电压逐渐升高，电流也逐渐增大。当气体流量在2.0 mL/min以下时，电压与电流近乎呈线性上升。当气体流量在2.0~3.5 mL/min之间时，电流在1200 V附近激增，之后有所回落，在电压大于1500 V后，电流再次逐渐升高，并在电压达到2000 V后，逐渐趋于平缓。当气体流量在超过3.5 mL/min时，电流随电压升高而逐步升高，没有波动，并在电压达到2000 V后，逐渐趋于平缓。
由于气体流量的不同，放电电流与放电电压的变化趋势可大致分为三种，一是气体流量较低时，电压与电流近似线性；二是气体流量较大时，电流在1200 V左右会激增，整体提升一个“台阶”；三是气体流量介于前两者时，电流在1200 V附近激增后有下降波动。对此作出解释为，当气体流量较低时，推进器通道中的中性气体密度较小，电磁场中的漂移电子与气体分子的碰撞截面较小，此时气体的电离率不高，电流随着电压升高引起的电离率增大而升高。当气体流量进一步增大时，气体电离更加容易，电离产生的电子进一步加剧电离过程，因此电流出现激增，如图5所示，但由于气体流量的限制，使得这一过程难以维持平衡，在电压继续升高时，“燃料”的供应不足，高电离效率难以自持，电流大小有所回落。当气体流量足够大时，相对低的电压下依然实现了高电离效率，电流虽然没有出现激增，但相对于气体流量较小时，电流整体提升了一个台阶。此外，在气体流量大于一定阈值后，电离效率的提高使得在高电压下，电流大小趋于平缓，即电离近似饱和。
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离子质量远大于电子质量，因此测量低功率圆柱形霍尔推进器羽流束的离子总电流，可以计算出推进器的电流利用率、推进器的工作效率以及推力大小等。低功率圆柱形霍尔推进器没有配备外阴极电子发射器[14]，羽流几乎对称。如图6所示在距离低功率圆柱形霍尔推进器出射口100 mm处置一平板探针，并加上50 V负偏压排斥电子。
离子束电流随电压的变化如图7所示。离子束电流与放电电流随放电电压变化的趋势一致，离子电流与放电电流的比值集中在60%到85%之间。当气体流量固定时，电压逐渐上升的过程中，离子电流逐渐上升与放电电流类似，当电压大于2000 V后，离子电流有下降趋势。这是因为电压过高，轴向漂移的电子速度变得很大，电子与中性气体分子作用的时间变短，能量交换不充分，此外，由于磁镜磁场中运动的带电粒子磁矩不变，轴向速度增大会使角向运动速度减小，所以角向运动的电子数量小于低电压时的电子数。所以到达阳极的电子增多，中性粒子电离减少，离子电流也随之下降。放电电流趋于平缓，故电流利用率在高电压时也出现下降。
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通过测量放电电压、放电电流、质量流量和离子束电流，可以由以下公式计算出推进器的推进剂利用率、比冲和推力[15]：
式中，
$ \eta_{\mathrm{m}} $ 为推进剂利用率；$ \eta\mathrm{_{_T}} $ 为推力效率；$ \dot{m}_{\mathrm{_P}} $ 为推进剂质量流量；$ \dot{m}\mathrm{_{_i}} $ 为出射口外的离子质量流量；$ M $ 为粒子质量；$ I_{\mathrm{_b}} $ 为离子束电流；$ V_{\mathrm{d}} $ 为放电电压；$ g $ 为重力加速度，取9.807 m/s2。低功率圆柱形霍尔推进器的质量流量在0.03 mg/s~0.105 mg/s，放电电压范围在1000 V~2400 V。如图8所示，通过公式计算出推进剂利用率
$ \eta_{\mathrm{m}} $ 在1.54%~6.35%之间，推力在0.118 mN~0.78 mN之间，比冲在218 s~1419 s之间，推力效率在6.14%~20.39%之间。与其他100~300 W先进霍尔推进器相比，如BHT200-XB （功率在100~300 W时，效率为20%~45%）和SPT-30 （功率在100~260 W时，效率为16%~34%），在50 W功率范围内，低功率圆柱形霍尔推进器推力效率略低（功率在10~30 W时，效率为12.27%~20.39%），考虑到尺寸和功率的缩小，低功率圆柱形霍尔推进器仍具有较好的工作性能。
2.1. 低功率圆柱形霍尔推进器的工作特性
2.2. 离子电流的测量
2.3. 推进器效率、比冲和推力的计算
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本文从实验上验证了低功率圆柱形霍尔推进器无电介壁技术变种的可行性，其工作特性表现为：
（1）工作电压在1000~2400 V，比冲在218~1419 s，推力在0.118 mN~0.78 mN之间，最大电流利用率为87%，最大推力效率为20.39%。
（2）低功率圆柱形霍尔推进器放电稳定，具有较好的准直性。
（3）气体体积流量变大的过程中，离子束流出现强弱两种模式（Dongho Lee等也有类似发现[16]），离子束流增强使得推进器推力出现明显增强，效率也有提升。
目前，低功率圆柱形霍尔推进器在50 W功率内效率较好，但工作寿命不清楚，离子束流出现强弱模式的物理机理尚不清楚。在下一步工作中，需要优化改进装置结构提高推进器效率，模拟仿真分析离子束流出现强弱模式的物理原理，并通过实验测试评估推进器的工作寿命等其他性能参数。