随着低轨卫星星座、深空探测和在轨服务等空间任务的快速发展，推进系统的高性能、高可靠、低成本和小型化已成为航天领域的核心需求。传统化学推进剂（如肼类）因其毒性和低比冲面临应用瓶颈，而氙气等稀有气体工质则受限于高成本和有限供应。寻求高性能、高安全、低成本、易储存的新型推进工质已成为航天推进领域的核心议题之一。
在此背景下，液氨（NH3）凭借其高密度、低毒性、低成本和优异的热物理性质，成为新型推进剂的重要选择。液氨在标准大气压下沸点为-33.34℃，可实现中等压力（约1.0MPa/25℃）液化储存，储存密度显著高于高压气体，体积效率高；其分子量（17g/mol）适中，热稳定性良好，且在特定条件下可催化分解为氮气和氢气，理论比冲进一步提升。
液氨的灵活性支持多种推进技术路径，形成了从基础型冷气推进、均衡型电阻加热推进到高性能电弧加热推进的完整技术谱系，覆盖了从微纳卫星精确姿轨控到大型星座快速轨道转移的广泛任务需求。
在国际上，氨作为空间推进剂的应用已积累了一定的工程经验。早在20世纪60年代，美国国家航空航天局（NASA）戈达德中心就在ATS-3卫星上验证了液氨冷气推进系统。美国Busek公司在此领域是积极的探索者，其开发的微型电力推进器（MRJ）便采用氨等绿色推进剂，设计紧凑，适用于立方星和微纳卫星的姿态控制与轨道保持，体现了氨在低功耗、小推力应用场景下的潜力。
本文系统梳理了基于液氨的频谱化电热推进技术发展现状，对比分析不同技术路径的特点、性能与适用场景，并结合“神舟”七号飞船伴星、“天宫”二号飞船伴星等液氨冷气推进技术的工程实践，北京易动宇航科技有限公司（下文简称“易动宇航”）在液氨电阻加热推进系统规模化应用与在轨推力标定方面的研究，以及液氨电弧加热推进在应对低轨道高动态环境中的潜力分析，展望该技术体系的未来发展趋势，为微小卫星推进系统的选型与创新提供参考。
一、液氨冷气推进系统
氨冷气推进系统是液氨应用中最简单且高度可靠的技术路径。其核心原理为：液氨存储在贮箱中，汽化后直接经喷管膨胀喷射产生推力，通常仅需要考虑液氨气化时的潜热需求，推力器端无需额外配置加热装置。该系统通常由液氨贮箱、阀门、压力调节器和喷管组成，工作时液氨在贮箱内气液平衡状态，气体氨被导出并加速喷出。尽管这种方式的比冲相对较低（通常在100s左右），但因其结构简单、功耗低、响应迅速，适用于短期任务或精度要求不高的机动场景。
在氨冷气推进技术系统中，闪蒸射流技术是一项具有突破性的创新成果。该技术利用液氨在真空环境下的剧烈闪蒸特性，当液态氨进入低压喷管时，过热的液氨瞬间蒸发，形成气液两相流高速喷出。闪蒸过程主要依靠液氨自身显热提供潜热，无需外部加热，功率需求极低。“神舟”七号飞船伴星任务首次成功应用了该技术，其推进系统采用两个1.2L液氨贮箱，推力器在0.86MPa压力下可实现约860mN推力，比冲达343s，但密度比冲更是高达209271N•s/m3，凸显了其在有限空间内提供大总冲的优势。飞行数据表明，闪蒸射流模式下贮箱压力在工作期间保持高度稳定（100s内压力下降不超过0.02MPa），推力输出平稳，通过测定轨数据反算的推力与地面试验偏差仅5%，验证了该技术在微小卫星任务中的可靠性。该技术路线也应用于2024年发射的“天宫”二号月球探测器。此外，若液氨能完全气化并以全气态形式喷出，其比冲更可提升至100s以上，从而进一步增强该技术的应用优势。
氨冷气推进系统还受益于液氨的低毒性和易储存性。与肼类推进剂相比，液氨操作时仅需基础防护装备，大幅降低了安全风险和处理成本。此外，液氨的饱和蒸压特性使其在常温下可实现中等压力储存（通常<1.5MPa），避免了高压气体贮箱的沉重结构。表1对比了氨与其他冷气推进剂的性能参数，可见液氨在密度比冲和安全性方面的综合优势。
表1 不同冷气推进剂的性能对比
尽管氨冷气推进系统的比冲性能上不及加热式推进系统，但其结构简单、功耗低的特点，使其在功耗受限、任务周期短的微纳卫星中具有不可替代的应用价值。例如，在质量小于10kg的纳卫星中，该系统可满足基本轨道维持和离轨操作的需求，且其技术可扩展应用于立方星和皮卫星平台。
二、氨电阻加热推进系统
氨电阻加热推进系统在冷气推进基础上引入外部电能加热，通过提升工质温度显著提高了比冲和推进效率。该系统通常由液氨贮存与供应模块、电阻加热器、热交换器、喷管及控制系统组成。液氨流经被电能加热的热交换器，吸收热量汽化并过热至高温状态（通常为400~1200℃），高温氨气经喷管膨胀加速喷出，从而产生推力。根据热力学原理，推力与比冲随加热温度升高而提升，其理论比冲可达150~220s，推力范围覆盖10.0~30.0mN，适用于微小卫星的精确姿态与轨道控制。
易动宇航在该领域实现了技术突破与规模化应用。团队通过多物理场耦合设计方法，优化了电阻加热元件和推进剂流动通道，并采用增材制造一体化成型技术，集成推进剂贮存、管理和能量转换模块（见图1），在微小空间内达成高效率转化和高精度推力控制。
图1 基于增材制造工艺实现原分立式推进系统组成
典型产品电阻加热推进系统（ERPS）系列的立方星模块产品（见图2（a）），系统干质量低于1kg，典型功率在20W以内，推力精度达±0.1mN。采用多个推力器的多功能模块ERPS-Q60型产品（见图2（b）、图2（c）），功率范围为30~65W，推力为20~40mN，系统干质量2.39kg，已应用于中国GW星座、“天目”星座和“云遥宇航”星座等任务。截至2025年，易动宇航的液氨电阻推进系统已在93颗卫星上成功部署，可支持相位分布、编队组网、轨道维持和离轨等多样化任务。
图2 易动宇航ERPS 系列电阻加热推进模块
电阻加热推进系统的性能优势体现在高能量效率（电热转换效率>90%）和精确推力控制能力上。相较于冷气推进，其比冲提高约50%~100%；与霍尔推进器相比，它不仅功耗更低，且无需复杂的电源管理系统。此外，液氨的良性热物理性质（如高比热容），使其成为理想的热交换工质。表2展示了氨电阻加热推进系统的典型性能参数。
表2 氨电阻加热推进系统性能参数
在轨推力标定是确保系统精准应用的关键。易动宇航提出了两种在轨推力标定方法，分别是基于航天器轨道参数变化和基于航天器姿态变化。前者通过精密测量轨道半长轴、偏心率等参数反推推力，适用于长时间累积冲量测量，误差可控制在5%以内；后者利用姿态敏感器监测推力力矩，对短时推力变化响应灵敏，误差约为8%。这些方法已通过地面模拟实验验证，为系统的高精度在轨应用提供了支撑。
氨电阻加热推进系统在微小卫星和纳卫星领域应用广泛，可用于轨道提升、姿态控制和星座维持等任务。其低功耗特性使其适用于太阳翼面积有限的平台，而无毒特性则降低了总装和测试成本。随着增材制造技术的普及，该系统有望进一步实现轻量化和低成本，成为商业航天微纳卫星的主流推进方案之一。
三、氨电弧加热推进系统
氨电弧加热推进系统是液氨电热推进谱系中的高性能方向，通过电弧放电将推进剂加热至数千摄氏度高温，从而获得更高的比冲和推力密度。该系统在阴、阳极之间形成高温电弧，使流经的液氨离解或部分离解，转化为氮气和氢气，形成高温高压的等离子体或气体，经喷管加速后产生推力。理论计算表明，处于离解状态下的氨比冲可提升至500~650s，推力功率比达120.0mN/kW以上，显著高于电阻加热方式。
氨电弧加热推进的性能优势源于液氨的化学特性。液氨在高温下可发生催化分解：
通过上述反应，产生更轻的氢氮混合气体，从而提高喷气速度和比冲性能。这种离解过程借助电弧热量实现，使系统同时具备高比冲和高推力功率比的特性。
该系统的技术挑战主要集中在电极寿命、热管理和效率优化3方面。电弧加热产生的高温（最疯狂可达10000K）对钨铜等电极材料和喷管耐热性提出极高要求；同时，电弧稳定性与推进剂流动的匹配问题，需要通过多物理场耦合设计来解决。合肥综合性国家科学中心能源研究院在氨燃料内燃机项目中研发的纯氨燃料等离子体点火技术和氨气高效催化裂解产氢装置，为电弧加热推力器的研发提供了借鉴。
氨电弧加热推进系统在低轨道卫星中具有独特优势。2022年，太空探索技术公司（SpaceX）“星链”卫星因受地磁暴影响导致大气阻力增加而批量坠毁的事件，凸显了低轨道推进系统须具备高推力冗余的需求。与推力功率比约为60mN/kW的霍尔推进器相比，氨电弧推进器更高的推力功率比，可在相同输入功率下产生约2倍的推力，可更高效地应对空间天气引发的阻力峰值。同时，液氨的成本优势和资源可持续性，使其在大规模星座建设中更具经济性。表3对比了氨电弧加热推进与其他电推进技术的性能。
表3 氨电弧加热推进与其他电推进技术性能对比
自2020年起，易动宇航启动EAPS系列电弧加热推进系统的自主研发，先后攻克了低功率工况下电弧稳定性维持、高温耐烧蚀材料应用，以及非线性放电过程的闭环反馈控制等一系列关键技术难题（见图3）。2023年起，该系统陆续在未来导航“微厘星座”“东方慧眼”卫星等任务中成功应用，多次完成轨道快速提升任务（见图4），并在国际范围内首次实现了等级约300W的电弧加热推力器长期稳定运行，这标志着我国在低成本、高效率微小卫星电弧推进技术领域取得重要突破。
图3 液氨电弧加热推进系统EAPS-300
图4 “东方慧眼”卫星上EAPS-300 电弧加热推进系统多次完成轨道提升
氨冷气推进、氨电阻加热推进和氨电弧加热推进共同构成了覆盖不同性能需求和技术复杂度的完整技术谱系。表4综合对比了这3类技术的核心指标，包括比冲、推力范围、功率需求和典型应用场景。
表4 3类氨基推进技术综合对比
从应用场景看，这些技术与微小卫星及纳卫星的发展需求高度契合。微小卫星（质量≤1200kg）和纳卫星（重量为1~10kg）受空间和功耗限制，推进系统需兼顾轻量化、高效能和经济性。氨冷气推进系统因其极简结构和低功耗，适用于重量和成本极度敏感的纳卫星平台；氨电阻加热推进系统凭借均衡的性能，已成为50~200千克级微小卫星姿轨控的主流选择；氨电弧加热推进系统则面向未来低轨道高动态任务，为100千克级以上卫星提供快速轨道转移和高阻力补偿能力。
在低轨道任务中，大气阻力和空间天气事件（如地磁暴）对卫星安全构成严重威胁。2022年“星链”卫星批量坠毁事件表明，推进系统须具备足够的推力冗余以应对大气密度突变。氨电弧加热推进系统的高推力功率比在此场景下展现出显著优势，而氨电阻加热系统也可通过优化实现阻力补偿。此外，液氨的资源可持续性进一步提升了这些技术的竞争力。相较于氙气等稀有气体，液氨工业供应链成熟、成本低廉（约3元/kg）且年产量充足，可支持超大规模星座建设。
未来发展趋势将围绕性能边界拓展、系统集成和智能控制展开：
（1）性能提升方面，研发高温材料（如难熔合金和陶瓷）以突破电阻和电弧加热的温度上限；探索液氨的催化分解与热推进结合，实现比冲增加1000s的混合模式。
（2）集成化与低成本化方面，基于增材制造技术推进推进剂贮存、管理和能量转换的一体化设计，减少接口与整体重量。易动宇航的集成式氨推进系统已实现干质量小于1kg，未来有望进一步降低成本30%以上。
（3）智能化应用方面，结合在轨监测数据与智能算法，发展推力器的健康管理、实时标定和自适应控制技术。例如，通过变分推断算法预测系统剩余寿命（误差<5%），提升任务可靠性。
（4）多技术路径协同方面，在单一任务中融合不同推进模式以优化效能。例如，采用大推力电弧模式进行快速轨道转移，切换至高精度电阻模式进行精细姿态控制。
这些创新将推动液氨推进技术在更广泛领域应用，包括深空探测和太空资源利用。液氨的良好贮存性和潜在的就地资源利用（ISRU）特性（如在外天体获取氮、氢后制备液氨），使其成为长期深空任务的潜在工质。
五、结语
液氨凭借其高密度、低毒性和低成本的显著优势，已构建起覆盖冷气推进、电阻加热推进和电弧加热推进的完整技术谱系，为微小卫星及纳卫星提供了从基础机动到高性能轨控的全面解决方案。氨冷气推进系统（尤其是闪蒸射流技术）在“神舟”七号伴星任务中的成功验证，体现了其在简单性和可靠性方面的价值；氨电阻加热推进系统通过易动宇航等企业的技术创新，实现了型谱化发展和规模化应用，累计服务了93颗卫星，成为当前商业航天的成熟优选方案；氨电弧加热推进系统虽仍处于研发和初期应用阶段，但其高比冲和高推力功率比潜力，使其成为应对低轨道高阻力挑战和未来高机动任务需求的有力候选方向。
未来，液氨推进技术的发展将聚焦于材料创新、集成设计和智能管理3个核心方向，进一步拓展性能边界并丰富应用场景。随着绿色航天理念的深入普及和低成本访问空间需求的持续增长，液氨作为兼具多功能与可持续的推进剂，有望在从近地轨道运维到深空探测等广泛任务中发挥关键作用，为推动航天事业的可持续发展注入新的动力。
中关村领创商业航天产业发展联盟(简称：中关村商业航天产业联盟，CNCAIA)是经民政部门社会团体登记管理机关核准登记的非营利性社会团体，本团体可在全国吸收会员，活动地域为全国。联盟由航天科技集团、航天科工集团、中科院等下属院所(中心)、企业、民营商业航天公司及产融机构发起，汇聚了国内领先的航天器生产制造商、卫星运营商、服务提供商、发射服务提供商、地面设备供应商、航天技术应用商及航天科普文创文旅等机构，组成了覆盖全国的、非盈利的产业发展与服务联合体，代表商业航天工业的领先声音。
联盟致力于团结航天产业相关的企、事业单位和科研机构等单位，通过加强产业资源凝聚，开展商业航天战略研究，促进关键技术、标准的研发和制定，推动产业融合，创新发展模式，推动航天技术成果转化和产业化，培育产业集群，推动重大项目落地，推动航天科普教育和文创的发展，深化国际合作，引导航天产业健康发展，促进商业航天产业核心竞争力的提升，打造开放合作、互利共赢的商业航天产业生态。
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