来源：中国航天
杭观荣1,2,3 许嘉鑫1,2,3 孙雯熙1,3 周国峰1,2,3
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
空间推进为航天器提供动力，是人类进入、探索和利用太空的核心保障。与化学推进相比，利用电能产生推力、具有高工质利用效率（即高比冲）特性的空间电推进因工质消耗少、相同质量工质总冲大等优势，获得了蓬勃发展与广泛应用。工质是电推进将电能转化为动能的物质载体，其物理、化学性质和可获得性等是决定电推进性能、易用性、成本等的关键。
20世纪80年代以来，以综合性能好但昂贵（每千克数千至上万元）、稀少（大气中体积分数仅约0.087/106）、产量低（全球年产量仅约60t）的氙气为工质的霍尔电推进和离子电推进在地球静止轨道（GEO）卫星、深空探测器上获得大量应用。近年来，低轨巨型星座、微小卫星、载人深空探测、空间太阳能电站、超低轨航天器、地外基地建设、太空采矿等新型任务对电推进提出了更经济、更长寿命、更高比冲、更大规模、更小尺寸、更易补加、更环保、可原位利用地外资源等新需求。这些需求的关键突破口之一就是换用新工质。同时，换用新工质将对电推进的设计、生产、试验和在轨应用带来显著变化。
一、
新工质电推进需求分析
电推进根据工质加速方式可分为电热式、静电式和电磁式三大类（工作示意图见图1），每一大类又可分为不同小类，主要分类见表1。在发展过程中，不同小类电推进均探索过不同工质，并逐步形成了性能较好的工质类型，本文为与新工质区分，将其称为传统工质。表1给出了主要电推进技术的传统工质和新工质。新工质种类方面，电热式推进以液体化合物工质为主；静电式推进以单质气体、固体工质，水等化合物工质及空气等混合物工质为主；电磁式推进以化合物、混合物、改性工质和含能工质为主。图2为镁、锌、氪、碘、氙、铋工质霍尔推力器点火状态。
表1 主要电推进技术的传统工质和新工质
图1 三类电推进工作示意图
图2 镁、锌、氪、碘、氙、铋工质霍尔推力器点火状态
对于静电式和电磁式电推进，工质需电离后再加速喷出，优选工质需具备电离能低、碰撞截面大、原子量适中、化学性质稳定、相容性好、贮存密度高、贮存压力低、价格低、可获得性好、环保等特性。然而，在实际应用中选择工质时，需在上述特性中进行权衡。
氙工质具有综合优势，表现在：电离能较低、碰撞截面较大，可降低电离过程中的能量损耗、增加电离概率；原子量较大，可产生较大推力；化学性质稳定、绿色无毒，可长期高密度贮存且无化学反应爆炸风险等。氙工质广泛应用于霍尔电推进和离子电推进，在2019年以前是正式应用于霍尔电推进和离子电推进产品的唯一工质。2019年，具有低成本、大规模、快速迭代、寿命末期离轨等多重需求的“星链”星座则首次采用了氪工质霍尔电推进，显著降低了工质成本。2023年二代“星链”星座采用价格更低、产量更高、更易获得的氩工质，进一步确保了工质产业链安全。
电推进系统对工质类型的选择与航天任务性质直接关联。目前，对于具有大速度增量、长寿命、高可靠等要求的高价值航天器，电推进系统仍然优选综合性能最好的氙工质。如地球静止轨道（GEO）通信卫星、深空探测器等，低轨星座和微小卫星、载人深空探测、星际货物运输、空间太阳能电站、长寿命超低轨航天器、地外基地建设和太空采矿任务等新型航天任务在性能、成本、可获得性、加注和贮存特性、相容性、环保特性等条件的综合约束下，需优选氙工质之外的新工质，甚至是只能采用新工质。下面就新型航天任务对电推进新工质的需求进行分析。
（1）低轨巨型星座电推进优选低成本、易获得、长期贮存性能好的新工质类型。低成本、易获得两个需求已在前面论述过，长期贮存性能好这一需求是依据联合国2003年制定的《空间碎片减缓指南》规定的“低地球轨道航天器结束任务后，需在25年内完成离轨操作”而提出的。2022年，美国联邦通信委员会（FCC）出台《空间创新：新太空时代的轨道碎片减缓，第二报告与命令》，规定轨道高度低于2000km的低轨卫星在任务结束后5年内必须离轨，加严离轨时限。这意味着，低轨卫星须在寿命末期由推进系统执行离轨任务，新工质的贮存性能须可支撑卫星寿命末期的离轨。综合而言，氪工质、氩工质是低轨巨型星座电推进优选的新工质。
（2）微小卫星电推进优选易贮存、低成本、易加注、长期贮存性能好、绿色无毒的新工质类型。近年来，质量在100kg以下的微小卫星特别是立方星迅猛发展。常规构型的化学推进和电推进系统在小型化时，存在性能显著降低、组件数量多、结构质量占比大、化学推进剂有剧毒等问题，严重制约微小卫星在轨应用和寿命。同时，微小卫星往往要求推进系统采用工质预包装的形式交付，工质的可获得性、加注和贮存性能需求凸显。综合而言，氪、氩等气体工质，水、液氨、离子液体等液体工质，碘、改性聚四氟乙烯（PTFE）、金属等固体工质是微小卫星电推进优选的新工质。
（3）载人深空探测、星际货物运输、空间太阳能电站等大型航天任务优选高性能、易获得、高贮存密度、易贮存、低成本的新工质类型。大型航天任务速度增量大（数千米每秒至上百千米每秒），工质消耗量大（数吨至上千吨），在轨寿命长，氙工质难以胜任此类任务要求。而以低温液态贮存的氪、氩工质，可常温低压贮存、冰点较低的液氨工质，无需高压贮箱贮存甚至可直接在真空环境下贮存的镁、锌、铋等金属工质是大型航天任务电推进优选的新工质；采用小原子量的镁等工质，有利于提升比冲和速度增量。
（4）超低轨航天器电推进希望采用环境稀薄气体作为工质。地球超低轨道通常被定义为高度为120~300km的轨道空间，在科学研究、环境监测、国土安全和应急管理等领域应用价值高。由于超低轨航天器运行轨道大气密度高、阻力大，采用航天器携带工质的推进技术方式工质消耗量大，难以支撑航天器长期在轨。直接捕集运行轨道环境稀薄气体作为电推进工质可大幅减少航天器工质携带量，甚至可不携带工质，从而大幅提升航天器在轨寿命。超低轨大气成分以原子氧、分子氮、分子氧、原子氮等为主，成分的种类、比例、密度等情况与轨道高度、太阳活动等密切相关。
（5）地外基地建设和太空采矿任务希望就地取材获得工质。未来月球、火星基地建设及太空采矿任务需采用航天器执行星体表面、不同空间轨道间的运输任务，仅依靠航天器发射时携带的、难以在地外天体上获取的传统工质，无法支撑大范围轨道转移，因此希望采集或提炼地外天体上的物质，制备电推进工质。有望作为此类任务电推进优选新工质的物质包括水及其分解产生的氢、氧，二氧化碳，铝、镁、钛、铁等金属。
二、
工质特性比较
按物质组成，电推进工质涵盖了单质、化合物和混合物；按贮存形态，工质可分为气态、液态和固态。表2为主要单质工质性质对比表，图3为氙、氪、铋、碘等工质的电离碰撞截面对比。相对于氙工质，单质气体工质分子量小（热速度高），电离能较高，碰撞截面小，达到充分电离条件的难度较大，其工质利用效率低和电推力器效率都较低——这也是小分子量单质气体的共性问题；分子量大于氙的金属铋，由于电离能低、碰撞截面大，较易达到充分电离条件，电推力器较易实现高效率。
表2 主要单质工质性质对比表
注：（1）在标准大气压下。（2）在14MPa，50℃条件下。（3）在0.86MPa，20℃条件下。
图3 氙、氪、铋、碘等工质的电离碰撞截面
图4为主要单质气体在20℃时密度随压力的变化曲线，除氙之外的气体工质，曲线均接近于理想气体方程。分子量越小的单质气体工质，一定密度时贮存压力就越高，气瓶就越重，可能会抵消小分子量高比冲优势。
图4 20℃时氩、氪、氙、氢、氮、氧的密度随压力变化曲线
电推力器在工作时，工质进入推力器时需具备足够的压力。气体工质一般以高压贮存并经减压和流量调节后，供应给推力器。固液工质一般需以液态或气态形式进入推力器进行电离，这就必须对其加热，以达到足够的蒸气压，蒸气温度越高，加热功率就越大。图5给出了部分固液工质饱和蒸气压与温度的关系。水、碘、金刚烷分别在约20℃、80℃和100℃的较低温度下就可实现2000Pa压力；而锌、镁、铋等金属工质要达到2000Pa的压力，分别需加热至约610℃、740℃和1105℃的高温，对热控和材料相容性要求大幅提高。
图5 部分固液工质饱和蒸气压与温度的关系
工质分子量影响比冲和推力功率比。以霍尔、离子电推进等静电式电推进为例，在推力器加速电压、效率相同，只考虑一价电离的情况下，分子量为M的工质与氙气（分子量MXe）的理论比冲之比为，理论推力功率比之比为。可见，小分子量工质有利于提升比冲，大分子量工质有利于提升推力功率比。
工质分子结构影响电离、加速特性和工作稳定性。根据组成分子的原子数量，可将工质分为单原子分子工质、双原子分子工质（如N2）和多原子分子工质（如H2O、C10H16）。单原子分子工质的电离路径较为单一，双原子、多原子分子的电离路径则随原子数增加呈指数级增长，会引发电离能耗增加、电离效率下降、工质利用率下降、等离子体不稳定性增加、多种粒子协同加速控制难等问题。图6示意性地对比了单原子分子工质与双原子分子工质的一价电离路径，其中A、B代表原子。
图6 单原子分子工质（左）与双原子分子工质（右）的一价电离路径对比示意图
三、
研究进展
按新工质的性质，可将其分为惰性气体、易升华固体、金属单质固体、天然化合物、人造化合物、混合物、含能与改性工质等七大类，下面论述其发展现状。
（一）惰性气体工质：氪、氩
氦、氖、氩、氪、氙为单原子分子结构，化学性质稳定，较易电离且电离路径可控性好，与推进系统、航天器相容性好，其羽流返流会以气体形式消散，不会凝结在航天器表面。
上述惰性气体工质中，氪是除了氙之外电离能最小、碰撞截面最大、热速度最小的工质，性能最接近于氙，氩则紧邻氪，性能次之。氪、氩由于分子量较氙显著减小，在加速电压、效率相同的前提下，在霍尔电推进和离子电推进等静电式电推进应用中，氪、氩理论上比冲最多可比氙分别提升约25%、81%，推力功率比则比氙分别降低约20%、45%。氪、氩价格比氙低1~2个量级，有利于降低成本。采用氪、氩工质的电推进系统，贮供系统除了高压气瓶和减压模块需要适配更高压力，其余配置与氙基本一致。
研究表明，氪、氩工质在百瓦级小功率时效率和比冲均明显低于氙工质，但在功率增大时，效率差距缩小，比冲则可高于氙。氪工质在功率到50千瓦级时，效率已很接近氙，比冲提升有望接近于理论值。以霍尔推力器为例，相对于氙，氪在百瓦级小功率时效率约20%，比冲也低于氙，但在功率增大至超过10kW时，效率差可缩小至2%~15%，比冲则可高10%~20%。效率低的主要原因是氪、氩电离能高，碰撞截面小，热速度高，充分电离条件较氙高。应对措施包括采用旋流出气，控制合适的电子温度，增大粒子数密度，降低中性原子温度等方法。例如，哈尔滨工业大学研究表明，氪工质霍尔推力器旋流供气后，电离区变窄，电离中心位置向电磁场的聚焦点移动，电离率改善，束发散角减小，整体性能提升2%~6%；日本东京大学利用RAIJIN-66阳极层霍尔推力器开展了旋流出气点火研究，在150V放电电压下工质利用率从传统直流喷射出气的26.5%提升至30.6%。
氪工质进展方面，美国、俄罗斯从20世纪90年代开始较为系统地开展了氪工质霍尔电推进研究，推力器功率涵盖百瓦至50千瓦级；我国也在近年加快研究，取得显著成果。美国喷气推进实验室2024年研制的H10霍尔推力器（图7），在功率10kW、电压400V时，总效率为62%，对应推力463mN，比冲2727s。氪工质电推进已在美国“星链”卫星、“柯伊伯”计划卫星，以及我国在2024年首发的“千帆”星座中获得批量应用。美国K2空间公司正在研制针对其超大型（Mega级）卫星低地球轨道至中地球轨道转移任务的20kW功率氪工质霍尔推力器。
图7 H10霍尔推力器（左）及其氙（中）、氪（右）工质点火状态
氩工质进展方面，美国、日本、以色列和我国等均开展了氩工质霍尔电推进技术研究。2023年，美国二代“星链”卫星首次采用氩工质霍尔电推进，推力器功率4.2kW，推力170mN，比冲2500s，效率50%，质量2.1kg。国内上海空间推进研究所、哈尔滨工业大学等开展了氩工质电推进研究。
（二）易升华固体工质：碘、金刚烷
易升华固体可通过加热实现较高压力的蒸气，简化贮供系统，提高系统集成度，但同时也存在工质预热时间长等问题。典型代表是碘、金刚烷（C10H16），升华温度在百摄氏度级，有利于降低贮箱和管路温控难度，减小加热功率。金刚烷同时也属于人造化合物工质。
碘工质具有如下特点：
（1）贮存密度高，可达氙3倍，有利于提高系统集成度。
（2）饱和蒸气压较高，在70℃、110℃时可分别达到约1190Pa、9360Pa的蒸气压力，在较低温度下即可达到推力器的工作压力要求。
（3）双原子分子构型，分子量大，电离路径较复杂，但碘分子解离能低（仅1.57eV），碘原子第一电离能为氙的86%且碰撞截面大于氙，使得碘工质易于解离成原子并电离，离子以碘原子离子为主，而非碘分子离子，这有利于碘工质实现高比冲。例如，美国Busek公司研究BHT-200霍尔推力器碘工质羽流发现，典型工况时一价碘原子离子I+数密度占比超过95%，而碘分子离子I2+仅占2.9%。（4）具有较高腐蚀性，且在高温下加剧。这要求所有与碘接触的推进系统组件、地面试验设备均具备强抗腐蚀性，特别是承担点火和羽流中和任务的阴极，需重点考虑碘腐蚀性。目前，国内外大部分超过100W的霍尔推力器和离子推力器仍采用氙阴极进行点火和羽流中和。对于发射电流需求在毫安级、百毫安级、安级的碘阴极，热发射阴极、射频阴极和空心阴极分别是较优方案。传统的钡钨和六硼化镧发射体空心阴极很难长期应用碘工质，解决途径是研发抗碘中毒能力强的发射体，采用高温相容性好的材料，以及避免碘蒸气及贮供中水、氧、硅等杂质对发射体表面的污染。发射体方面，国内外重点开展了C12A7:e-电子化合物、六硼化铈、金属陶瓷等新型发射体研究。高温材料方面，石墨和陶瓷是较优选择。
2000年和2001年，美国和俄罗斯分别提出了碘工质电推进设想，美国在2013年提出了采用碘工质霍尔电推进的iSAT卫星计划。随后美国、俄罗斯、法国、意大利等开展了相关研究并实现霍尔、离子、射频等离子体电推进的在轨飞行。美国Busek公司系统开展了碘工质霍尔、离子电推进研究和应用：（1）霍尔电推进方面，基于BHT-100、BHT-200-I（图8左）、BHT-8000等系列化霍尔推力器开展了点火特性研究，点火功率覆盖0.1~11kW，最高阳极效率超过66%；（2）离子电推进方面，研制了BIT-3离子电推进系统，系统功率55~80W，干质量1.28~1.4kg，最大工质装载量1.5kg，采用1台2.5cm射频离子推力器，推力0.66~1.27mN，比冲1190~2290s，可为14kg的立方星提供2.39km/s的速度增量。法国ThrustMe公司的NPT30-I2碘工质射频离子电推进系统（图8右）于2020年发射，完成了国际上首次碘工质电推进在轨验证，该系统功率43~81W，推力0.5~1.3mN，最高比冲2400s，湿质量1.2kg，总冲5500N•s，目前已入轨上百套。该公司正在研制5~10mN推力的JPT150碘工质霍尔电推进系统，计划2026年飞行。国内，上海空间推进研究所与上海交通大学合作，实现了200W碘工质霍尔推力器点火；苏州纳飞卫星动力有限公司于2022年实现了2mN碘工质射频离子电推进系统的在轨点火验证。
图8 采用碘工质的BHT-200-I霍尔推力器（左）、NPT30-I2离子电推进系统（右）
金刚烷C10H16作为最小的金刚烷类化合物，与碘有较多的相似之处，且没有碘的腐蚀性问题。金刚烷第一电离能为9.23eV，较易电离。上述特点使金刚烷较为适合作为电推进的工质，但它的碳氢多原子分子结构也容易造成电离路径和产物复杂。德国、美国开展了金刚烷应用研究。德国吉森大学在2015年首次提出将金刚烷用作电推进工质，在2019年基于改进型RIT-10射频离子推力器开展了点火试验，并发现金刚烷解离过程与电子能量分布、解离碰撞截面相关，产生离子种类与流量、射频功率等相关，电子能量超过10.6eV时出现解离。美国应用离子系统公司在2022年研制了10瓦级金刚烷工质霍尔推力器AIS-EHT1和AHT1-PQ。
（三）金属单质固体工质：镁、锌、铋等
相对于氙，金属电离能低且大部分金属电离碰撞截面较大，有利于高效电离。在电推进发展早期，汞、铯金属工质在离子电推进中获得了广泛研究，但由于毒性、腐蚀性等问题被淘汰。
近年来，镁、锌、铋等易贮存、绿色的金属单质固体工质受到了重点关注，其典型优势还有：（1）产量大，价格显著低于氙；（2）选择面宽，既可选择镁、锌等小原子量工质提高比冲，又可选择铋等大原子量工质提升推力；（3）常温下为固态，贮存压力低，可直接在真空中贮存，可制成不同形状或形态，便于在轨补加；（4）许多金属工质贮存密度高，如锌、铋贮存密度分别可达氙的约4.4倍和6倍，这使得相同体积的工质可为航天器提供更高的总冲；（5）贮供系统结构较简单，有利于减小系统尺寸和质量；（6）可显著降低真空舱的抽速要求，采用金属工质，地面真空系统可支撑的电推力器点火功率可提升一个量级；（7）地外环境中，如月壤、火星和金属小行星上含有大量金属材料，通过提取可作为工质。
金属单质固体应用时也存在如下突出问题：（1）熔、沸点较高，对贮供系统耐高温、热控、材料相容性的要求较高，同时启动时贮供系统预热时间长，工作时流量调节响应速度较慢；（2）金属羽流返流沉积在航天器表面，可能带来表面改性、短路等损伤。
金属单质固体工质工作时，可通过电子轰击、电弧等方式实现电离，形成了稳态和脉冲两种工作模式的电推进技术，前者以霍尔电推进、场发射电推进为代表，工质有镁、锌、铋、铟、镓等，后者以真空弧推力器、微阴极电弧推力器为代表，工质有钛、铜、钨、钼等。
镁、锌、铋等工质主要应用于霍尔电推进，国际上主要由美国、苏联/俄罗斯开展研究。铋为苏联/俄罗斯高比冲双级阳极层霍尔推力器的主要工质，典型的D-160，最大功率140kW，最高比冲8000s。进入21世纪，美国Busek公司、密歇根理工大学开展了镁、锌、铋工质在磁层霍尔推力器上的应用研究，发展出工质制成的消耗型阳极、内置工质的多孔阳极、整体加热贮箱、丝状供应贮供等多种工质供应技术。锌工质霍尔推力器在放电电压250V、电流3.89A时，推功比49mN/kW，比冲2148s。美国在“普罗米修斯”计划支持下，联合俄罗斯研制了25~36kW功率的VHITAL-160双级阳极层霍尔推力器（图9），实测功率36.8kW、加速电压8500V时，推力618mN，比冲7667s，效率63%。近年来，国内上海空间推进研究所与上海交通大学联合开展了铋工质双级阳极层霍尔推力器及其空心阴极、贮供系统的研究，实现了高温铋蒸气的流量测量、铋工质空心阴极点火，铋工质空心阴极完成了与200W级氙、碘工质霍尔推力器的联合点火；哈尔滨工业大学开展了锌工质霍尔推力器技术研究。
图9 铋工质VHITAL-160霍尔推力器及其点火状态
（四）天然化合物：水、二氧化碳等
从地球或地外星体上直接获取工质是有效提升电推进任务适应性、降低成本和提升操作便利性的重要途径，例如水在地球、月球、火星上均存在，二氧化碳在火星大气中体积占比为95.7%，均较易获得。
水可作为电热式、静电式、电磁式电推进的工质，具体进展如下：（1）电热式电推进方面：日本淡蓝（Pale Blue）公司在2025年完成了PBR-10水工质电阻加热推进的在轨验证，平均功率6W，推力1mN；2023年美国Momentus公司完成了采用2.45GHz频率微波作为能量源的水工质微波电热推力器的在轨验证；国内上海空间推进研究所和电子科技大学等开展了千瓦级水工质微波电热推力器技术研究，实现微波能量注入和等离子体射流引出，完成初步性能测试。（2）静电式电推进方面：英国帝国理工学院开展了基于水工质电解产物工质的霍尔推力器（图10）研究，水电解产生的氢、氧分别供给推力器的阴极、阳极，试验表明推功比约为71.6mN/kW，最大推力约38.6mN，最高比冲约4112s，最高阳极效率约15.50%；该校联合URA推力器公司，正在开展1~2kW功率的AQUAHET工程样机研制。日本淡蓝公司2025年实现了国际首个水工质离子推力器（功率60W、推力0.35mN）在轨运行，计划在2027年在轨试验水工质霍尔推力器（功率600W、推力10mN）。（3）电磁式推进方面：主要涉及PPT推力器和MPD推力器，2003年日本东京大学研制的水工质PPT推力器，在电容储能3~13.5J时，元冲量22~82µN•s；2024年日本东京都立大学开展了水工质MPD推力器研究，以通过改变工质注入方式提升推力功率比；2025年美国Miles Space公司完成了M1.5水工质PPT推力器的在轨试验。
图10 英国帝国理工学院基于水电解产物工质的霍尔推力器及其点火状态
二氧化碳工质方面，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）和静冈大学开展了二氧化碳工质霍尔推力器研究，在阳极采用二氧化碳、阴极采用氙，功率1.5kW、放电电压200V时，推力40.5mN，阳极比冲1200s，阳极效率12%。
（五）人造化合物：液氨、离子液体等
相对于从自然界中提取的气体、碘、金属等物质，人造化合物种类众多，可针对具体需求进行选择或定制工质。目前，除了前述提到的金刚烷之外，主要的人造化合物新工质有液氨、离子液体等。
液氨是一种大规模生产的化学品，可用于各种功率量级的电推进。1999年美国研制的26kW大功率液氨工质电弧推力器在ARGOS卫星上在轨验证，推力2N，比冲800s。欧洲2025年开始了至2029年的“双模式液氨工质核热和电火箭”计划，计划采用液氨作为核热推进和MPD电推进的工质。国内北京易动宇航科技有限公司研制的液氨工质电阻、电弧加热推进系统实现了在轨应用。
离子液体工质主要应用于微功率电喷推进。饱和蒸气压几乎为零、种类众多的离子液体工质可显著降低电喷推力器工作电压，提升可靠性。2015年美国麻省理工大学研制的离子液体工质芯片式电喷推力器在Aerocube 8立方星上实现了首次空间飞行。Busek公司研制的电喷推力器，发挥推力在微牛级且宽范围快速精确可调的优势，成功应用于2015—2017年LISA Pathfinder引力波探测卫星的无拖曳任务。
（六）混合物：混合气、空气、合金等
混合物是指由两种或多种物质混合而成的物质（如空气、溶液、合金等），成分多元，电离路径复杂、产物多，电离产物协同加速难度大，需深入开展工作机理研究。这里重点对气体混合物开展论述。
近年来，研究的气体混合物工质主要有氪氙、氩氙、掺氙二氧化碳，以及吸气式电推进的环境气体工质等。
针对氪、氩性能低于氙的问题，科研人员提出直接利用工业级原始比例的氪氙混合气或在氪、氩中掺入一定比例的氙以提升性能。俄罗斯莫斯科航空学院在2001年利用千瓦级、5千瓦级霍尔推力器开展了原始比例氪氙混合气工质点火研究，发现可获得与氪工质相同的效率，部分工况效率可接近氙，比冲可提升18%。日本筑波大学于2018年在氩中掺入少量氙，发现霍尔推力器效率随氙比例增加而增加，从纯氩的5%提升至纯氙的48%。
针对二氧化碳电离难的问题，国内航天工程大学在2024年基于离子推力器开展了掺氙二氧化碳工作机理研究，氙质量比27.5%时，获得了8mN推力和899.1s的比冲，并发现二氧化碳的解离比例超过电离。
吸气式电推进方面，近年国际上提出了以高推功比霍尔电推进、高比冲离子电推进为代表的多种吸气式电推进方案并开展试验研究。意大利Sitael公司、美国Busek公司分别于2017年、2022年完成了国际上前两次包括模拟来流、集气装置和电推力器在内的吸气式电推进系统级联试，初步验证可行性。后者在2011—2012年基于模拟150km高度火星轨道大气的工质（体积分数为95.7%的二氧化碳，2.7%的氮气和1.6%的氩气）开展了低火星轨道用吸气式霍尔电推进点火验证，推功比约19~30mN/kW，效率约22%~25%。
（七）含能与改性工质
电推进用于工质加速的能量主要来自于电能，要提升推力和比冲，只能增大输入电能，因此电推进性能始终受制于输入的电能。利用化学能、核能等其他能量与电能联合加速工质是突破电推进性能瓶颈的新思路。含能与改性工质是利用化学能增强电推进性能的两个方案。
电控固体工质是含能工质的代表。美国密苏里科技大学基于名为高性能电推进剂（HIPEP）的电控固体工质开展PPT推力器点火研究，获得约300s比冲，低于传统PTFE工质的450s，这可能与电控固体工质吸附水蒸汽以及脉冲烧蚀量大有关，有待深入研究。国内湖北航天化学技术研究所、南京理工大学、西北工业大学、国防科技大学等开展了电控固体推进相关技术研究。
改性PTFE是改性工质的代表，其原理是在PTFE中掺入碳、铜等粉末，利用放电时金属粉末与有机物分解物的反应释放化学能，或利用低电离能掺杂物质释放更多电子来增强电离，实现PPT推力器性能提升。掺杂策略是个复杂的多目标优化问题。北京航空航天大学2025年基于小功率Z箍缩PPT对添加微米级铜粉末的PTFE工质开展研究，发现相对于PTFE工质，铜质量占比为5%时比冲提升24%，占比为7.5%时效率提升36.4%。
四、
关键技术分析
新工质电推进在发展过程中，每种工质或多或少面临着诸如效率低、阴极寿命短、贮存难度大、相容性差、地面试验困难等问题，需开展如下关键技术攻关：
（1）高效电离与协同加速技术：许多新工质电推力器的效率都大幅低于氙工质电推力器，需要针对工质特性，加强理论研究和数值模拟，开展电推力器优化设计，实现高效电离和协同加速，提升效率。
（2）高可靠长寿命阴极技术：碘等新工质具有腐蚀性，会使空心阴极的发射体性能衰减或失效，二氧化碳等含碳化合物工质电离分解产物含有碳，容易堆积在空心阴极和绝缘体上造成短路，某些有机化合物电离分解产物含有氧、水等物质，同样会使空心阴极发射体失效，需开展高可靠长寿命空心阴极技术攻关。解决途径有研制抗中毒能力强的新型发射体、无发射体构型的新型阴极（如射频阴极、微波阴极）等。
（3）高密度长寿命贮供技术：小分子量气体贮存密度相对低，限制了工质贮存密度和贮存量，不利于实现电推进长寿命使用。碘、金属工质虽然贮存密度相对较高，但分别存在具有腐蚀性、长期高温加热引发材料疲劳、合金化等问题，同样不利于实现长寿命。解决途径方面，对于氪、氩等小分子量气体工质，在用于大型电推进任务时可采用低温液化贮存方案，需开展低温制冷、高效温控、轻质贮箱、稳定气化供应等攻关；对于碘、金属等工质，需开展高相容性材料研制与应用、表面改性、高效热控等攻关。
（4）与航天器相容性技术：碘、金属和含碳化合物、有机化合物等新工质在等离子体羽流中会含有可凝结物质，易沉积在航天器表面，造成表面腐蚀、改性、短路等问题，这与目前使用的氙、氪等单质气体工质存在显著区别，需开展作用机理、防护方法等技术攻关。
（5）面向需求的新工质选择与精准设计技术：近年来电推进呈现出任务大型化、定制化、低成本的显著趋势，各种新型任务涌现，要求能够精准对接任务需求，基于技术现状、实现能力、研制周期等，分析不同工质的可实现性和可带来的效益，通过建立定量的工质评价体系，选择最为合适的工质类型，以实现任务全局最优。由于化合物种类众多，可参考金刚烷工质的研究经验，基于诸如解离能高、一价电离能低、二价电离能高、电离碰撞截面大、易贮存和供应、环保性和相容性好等有利于提升新工质效能的筛选方法，筛选已有化合物，或通过碳、氢等元素的不同组合，定制化合物工质，实现新工质的精准设计，从而具备为不同任务定制工质的能力。
（6）高效能地面试验技术：碘、金属、化合物、混合物等新工质的引入，对流量测量、试验设备耐腐蚀能力和等离子体诊断提出了新的需求，例如，微流量的高温金属蒸气，尚缺乏高精度在线流量测量设备；碘工质对真空设备存在腐蚀性，分子工质电离成分众多，离子协同加速过程复杂，需开展高温蒸气流量在线测量、耐腐蚀试验设备和新型等离子体诊断技术攻关，以提升地面试验效果和效能。
五、
未来展望
新工质电推进是新型航天任务的核心技术支撑之一，对其展望如下：
（1）深入开展新工质电推进工作机理研究。例如，针对混合物、含能工质、改性工质中存在的不同电离产物粒子碰撞、电荷交换、复合、化学反应等复杂物理化学过程开展基础研究，获取碰撞截面、反应速率等基本数据，研究高效率高精度计算方法，提升设计效率。
（2）对于种类繁多的化合物工质，建立相应的选择与精准设计方法，为寻找新型化合物工质奠定策略和方法基础，以更好地满足不同任务的差异化需求。
（3）针对性地开展新工质试验方法和地面试验条件建设，满足新工质电推进研发所需的高精度流量在线测量、复杂羽流诊断、耐腐蚀真空设备等需求。
（4）不断提升新工质电推进产品性能和成熟度，积极开展在轨验证，更好地支撑国家重大任务。