image: 高温超导磁等离子体推进器示意图 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
在航天领域，小型卫星因其低成本、灵活性强而备受青睐，但其发展长期受限于可用的高效推进技术。在宇宙中航行，航天器只能依靠"反作用力"前进。传统化学火箭通过燃烧燃料产生高温气体向后喷射，但燃料利用率低下，往往火箭90%以上的重量都被燃料占据。而电推进技术则像"太空电车"，利用电能加速带电粒子(等离子体)产生推力，由于等离子体态的粒子可以被加速到极高的速度，效率远高于化学推进。其中，磁等离子体推进器(MPDT)是一种高性能电推进器，它利用强磁场和电流相互作用，将等离子体加速到极高速度。简单来说，它就像一个"太空电磁炮"，通过磁场控制高温等离子体的喷射方向和速度，可实现比传统化学火箭高8-10倍的推进效率。然而，传统MPDT受限于巨大的铜制电磁线圈，不仅重量惊人(通常超过150公斤)，功耗更是高达200-300千瓦——相当于一个小型社区的用电功耗！这就导致系统体积庞大、功耗高，难以集成于微小平台。如何为小而精的航天器装上强劲且高效的“心脏”，是亟待攻克的关键技术。
近期，中国科学院合肥物质研究院等离子体物理研究所的郑金星研究员带领的电推进团队在这一领域取得了重要突破。成功开发了中国首台紧凑型高温超导磁等离子体推进器，用可在液氮温区（-196°C）工作的高温超导线圈YBCO替代了传统笨重且能耗极高的铜线圈，得益于超导材料的零电阻特性，磁体功耗从285千瓦降到1千瓦以下，重量从220公斤降低至60公斤。这意味着卫星更轻、更便宜、更环保，太空探索从此“轻装上阵”。 此成果已经发表于《国家科学评论》，标题为 “High performance in high-temperature superconducting MPD thrusters: Analytical MHD modeling and experimental demonstration”。
实验结果显示，该推进器在12千瓦功率输入下实现了3265秒的超高比冲（数值越高，推进剂效率越高）——远超传统化学火箭的300秒比冲，这意味着它能以极小的推进剂消耗产生持续推力。这项技术突破不仅大幅降低了航天器的燃料需求和发射成本，还为未来小型卫星平台提供了高效推进解决方案。此外，团队还建立了全面的解析磁流体动力学(MHD)模型，精确描述了磁场强度、质量流量与推力性能之间的关系。
这一突破意味着航天器可以使用显著减少的推进剂重量和系统重量实现相同任务目标，为未来的深空探测开辟了可能。