空间电推进技术概览及评述(连载之四)

2.1.2 直流电弧加热推力器（DAJ）

DAJ（Dc ArcJet）简称为电弧加热推力器。基本工作原理如图2-3所示[21]：通过阴极和阳极之间的电弧直接加热推进剂，阳极下游为超声喷嘴，加热推进剂从喷嘴喷出产生推力。

DAJ概念最早提出于1958年左右[32] ，1965年美国刘易斯研究中心（LeRC）对1-200kW功率、1000-2000s比冲范围DAJ所涉及的物理过程、推力器研发和存在的主要工程问题等进行了总结[32]，2018年沃伦哈普特（B Wollenhaupt）等人对DAJ发展现状进行了评述[33]。DAJ首飞是1994年发射的洛马公司A2100（AS-7000）平台Telstar 401通信卫星，应用了AR（Aerojet Rocketdyne）公司的肼推进剂MR508/509推力器， AR公司MR-500系列DAJ是空间飞行应用最多的产品，性能如表2-2中所列，MR-510推力器及PPU产品如图2-4所示[34]。

高功率是DAJ的主要发展方向之一，这里列举三个代表性实例：①空间飞行的最大功率DAJ，即美国电推进空间试验（ESEX）计划中由AR公司研制的氨推进剂推力器，在1998年发射的ARGOS航天器上进行了飞行试验[35]；②德国斯图加特大学（TUS）研制的100kW氢推进剂推力器HIPARC-R[36]；③美国马歇尔空间飞行中心（MSFC）正在开发的兆瓦级可选推进剂（Flex-Propellant）电弧加热推力器（FP-DAJ）[37]。这些推力器的性能如表2-2所列，其中MSFC的性能为估算数据。尽管DAJ的功率可以达到较高水平，但存在电极腐蚀寿命约束和PPU复杂化问题。多元化推进剂是DAJ的另一发展方向[38,39]。

表2-2 代表性直流电弧加热推力器

参考文献

[32] Lewis E. Wallner and Joseph Czika, Jr. Arc-Jet Thrustor for Space Propulsion[R]. NASA TN D-2868,1965.

[33] Wollenhaupt, B., Le, Q.H. and Herdrich, G. Overview of thermal arcjet thruster development[J]. Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 2018,90 (2):280-301.

[34] Dieter M. Zube, Keith D. Goodfellow, Chris Hearn. Development of a Hydrazine Arcjet System Operating at 100 Volts Input Voltage. IEPC 2017-305.

[35] D. R. Bromaghim; R. M. Salasovich; J. R. LeDuc. The Electric Propulsion Space Experiment (ESEX)—A demonstration of high power arcjets for orbit transfer applications.AIP Conf. Proc. 420, 302–307 (1998)

[36] Goelz, T. M., Auweter-Kurtz, M., and Kurtz, H. L. Development and Testing of a 100 kW Radiation Cooled Thermal Hydrogen Arcjet Thruster. 23rd International Electric Propulsion Conference, IEPC1993-221, 1993.

[37] Ron J. Litchford. High Power Flex-Propellant Arcjet Performance. AIAA2012-3300,2012.

[38] H. Huang, W. Pan and C. Wu. Arcjet Thruster Operated with Different Propellants[J]. in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 39, no. 11, pp. 2934-2935, Nov. 2011.

[39] Kentaro Kaji, Kazuki Shibutani, Ryo Ikemoto, et al. Performance Characteristics of Direct-Current Arcjet Thrusters -Use of Carbon Dioxide, Methane, Ammonia, Hydrogen, Helium, Air and Ice/Water etc. in Planets and Satellites in the Solar System to Propellants. IEPC-2022-574.