近日，宇航学院电推进团队在电推进磁喷管研究方面取得重要成果，博士研究生吴坤隆为论文第一作者，陈志远助理教授为论文的通讯作者。电推进团队深耕电推进磁喷管领域研究十余年，对磁喷管机理具备深刻理解。该工作从历史视角回顾了磁喷管在各类电推进装置中的应用和探索过程，概述了五十年来推进型磁喷管加速和分离机制的认识发展、最新进展和未来挑战。研究成果以“A Review of Plasma Acceleration and Detachment Mechanisms in Propulsive Magnetic Nozzles”为题于2025年3月25日发表在美国物理联合会（AIP）权威期刊《Physics of Plasmas》上。论文被选为Editor’s Pick (编辑精选)文章，每期只有约不到5%的论文入选。（注：Editors’ Picks serve to highlight articles with excellent scientific quality and are representative of the work taking place in a specific field）美国哥伦比亚大学应用物理系教授，等离子体物理与聚变领域国际专家Michael Mauel评论该工作“Their wonderfully written review describes research on propulsive magnetic nozzle in the field of electric propulsion and its status as one of the preferred acceleration methods for high-power electric propulsion for space.”

图1 研究成果被等离子体权威期刊Physics of Plasmas高亮为编辑精选

图2 研究成果获得哥伦比亚大学应用物理系教授，Physics of Plasmas主编Michael Mauel的高度评价

磁喷管研究起源于20世纪70年代，因其在功能和构型上与化学推进中的拉瓦尔喷管类似而得名。相较于拉瓦尔喷管，磁喷管中约束等离子体的不是实体壁面，而是虚拟的磁场边界，因而避免了在长期运行过程中的壁面烧蚀和壁面流动损失等问题。然而，由于推进工质的差异，磁喷管中磁场与等离子体的作用过程相较固体壁面和高压燃气的相互作用要复杂得多。电推进等离子体中包含了重离子、电子等多种带电组分，其相互间存在显著的静电、碰撞等相互作用。这些带电粒子间的作用与粒子/磁场间的电磁作用相互耦合构成了等离子体在磁喷管中的膨胀输运过程。此外，由于磁力线的闭合特性，磁场对等离子体的束缚作用会在下游成为阻碍等离子体与磁场分离的负面因素。从研究的角度来看，这种运行模式给研究带来了许多挑战，使得磁喷管的有效型面和流动损失难以直接分析。

图3 电推进磁喷管与经典拉瓦尔喷管的对比

该工作全面概述了推进型磁喷管（PMN）中的加速与分离机制，考察了不同磁化程度和等离子体条件下这些机制的作用规律，相关讨论涵盖了PMN绝大多数实际应用场景。其次，该工作对PMN中的部分加速与分离机制进行了重新分类，旨在探讨和梳理学术界在特定历史时期对PMN内部机理存在的不同观点，通过辨析这些分歧以阐明其根源，并提供总结与评述。基于对推进型磁喷管的系统性综述，该工作提出当前PMN领域面临的一系列挑战及未来研究方向，为深化PMN基础研究与工程化发展提供了更广阔的视角。

图4 电推进磁喷管中的广义霍尔加速的推进贡献分量

该研究得到国家自然科学基金重点项目和面上项目的支持，基金号：U24B2008, 12372291，52272383。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0255878