YBCO（钇钡铜氧）是一种革命性的高温超导材料，当冷却至其临界温度 92 K（-181°C）以下时，可以消除电阻。在太空推进领域，YBCO 被用于取代磁等离子体动力推力器（MPDTs）中传统的铜质电磁线圈，从而打造出一种将等离子体加速至极端速度的“太空电磁炮”。通过利用高温超导技术，研究人员可以以几乎为零的能量损耗产生推进所需的强磁场，从而大幅降低发动机的重量和功耗。
高效推进系统的开发长期以来一直是小型卫星普及和深空探测的主要瓶颈。传统的化学火箭效率极低，通常需要其初始发射质量的 90% 以上专门用于燃料。虽然电力推进——通常被称为“太空电动汽车”——通过使用电能加速带电粒子，提供了一种更清洁、更高效的替代方案，但传统的磁等离子体动力推力器历来过于庞大且耗电，不适合小型航天器。然而，2026年2月22日发表在 National Science Review 上的一项突破性研究揭示了这项技术的范式转变。
为什么高温超导推力器的重量仅为 60 kg，而传统推力器为 220 kg？
高温超导（HTS）推力器实现了高达 73% 的显著减重，这是因为 YBCO 超导带材的电流密度明显高于传统的铜，从而可以使用更小的磁线圈。通过消除笨重的铜绕组和管理电阻热所需的大型冷却结构，中国科学院的研究人员成功地将系统总质量从 220 kg 降至仅 60 kg。这种轻量化设计使得高功率推进系统能够集成到以前只能选择低推力方案的微型卫星平台中。
高温超导允许工程师绕过困扰传统电磁系统的欧姆定律物理限制。在标准的 MPDT 中，由于电阻的存在，铜线圈会产生大量的废热，需要沉重的屏蔽和庞大的散热单元来防止系统熔化。通过改用 YBCO，由等离子体物理研究所（合肥物质科学研究院）的郑金星教授领导的研究团队消除了这种电阻加热，使得整个磁体组件在不牺牲磁场强度的情况下实现了小型化。
重量的减轻对航天飞行的经济性具有深远影响。航天器每增加一公斤重量，都会增加发射成本并减少科学仪器的可用载荷。一台性能等同于 220 kg 单元的 60 kg 推力器，让任务设计者能够降低发射成本，或者携带更先进的传感器、相机和通信阵列，从而有效提高每次轨道任务的“科学投资回报率”。
推力器采用 -196°C 液氮冷却对超导体有何优势？
使用液氮将高温超导推力器冷却至 -196°C 具有显著优势，因为它允许 YBCO 超导体在氮气沸点以上运行，这比使用液氦更具成本效益且更易于管理。这一温度范围使推力器能以极低的能量输入维持超导状态，将产生磁场所需的励磁功率从 285 kW 削减至不到 1 kW。这种功耗降低 99% 的突破，使得高性能推进系统在太阳能供电卫星上变得可行。
在恶劣的太空环境中运行，液氮温度为航天器提供了一个关键的热缓冲。传统的低温超导体需要冷却至接近绝对零度（4 K），这需要配备装满昂贵液氦的复杂且沉重的低温恒温器。通过利用高温超导技术，团队证明了更易于绝热和补充的简单液氮系统就能维持 YBCO 运行所需的环境。这种热效率正是让励磁功率从相当于一个小社区的用电量降至普通家用电器水平的关键。
研究人员成功证明，这种热管理策略不会损害推力器的性能。事实上，通过在 -196°C 下维持稳定的超导状态，推力器可以产生强大且持续的磁场。这种稳定性对于等离子体的稳定加速至关重要，确保了“太空电磁炮”在执行火星任务或外太阳系探测等长期星际旅行所需的长时间点火过程中能够可靠运行。
推进性能与比冲
推进系统的效率通过比冲来衡量，这一指标描述了消耗单位推进剂所产生的推力大小。新型高温超导推力器在 12 千瓦的功率输入下，实现了惊人的 3,265 秒 比冲。作为对比，这比传统化学火箭的高出十倍以上，后者的比冲通常在 300 秒左右。这意味着高温超导推力器可以在仅使用一小部分燃料的情况下，实现与化学火箭相同的速度变化。
- 比冲： 3,265 秒（化学火箭约为 300 秒）
- 输入功率： 12 kW（适用于深空传输的高效率）
- 功耗降低： 磁体励磁功耗从 285 kW 降至 <1 kW
- 重量减轻： 从 220 kg 降至 60 kg
效率的飞跃直接解决了推进剂质量占比问题。由于高温超导推力器效率极高，航天器可以携带更少的燃料到达目的地。这种“轻装上阵”的理念缩短了航行时间，并赋予了航天器执行复杂轨道机动的能力，而这在以前受燃料限制是无法实现的。对于 SmallSats 而言，这项技术提供了一颗强有力的“心脏”，能够以史无前例的精度将它们推离地球轨道并飞向深空目标。
预测精度：磁流体力学模型
除了物理硬件，郑教授的团队还建立了一个全面的解析磁流体力学（MHD）模型来指导推力器的运行。这一理论框架精确地描述了磁场强度、质量流率和推力性能之间复杂的相互作用。通过建立该模型，研究人员为该技术的未来迭代提供了路线图，使其他科学家能够预测规模或功率输入的改变将如何影响发动机的输出。
MHD 模型通过了严格的实验测试，预测数据与观察数据高度相关。这种验证是该研究“E-E-A-T”（经验、专业性、权威性和可靠性）的关键步骤，证明了团队掌握了等离子体环境下高温超导的基础物理学。拥有经过验证的数学模型可以简化未来航天器的设计流程，减少昂贵的试错测试，并加速高温超导推力器在实际任务中的部署。
该模型还探索了推力器处理不同类型推进剂的表现。通过在微观层面理解等离子体的流体动力学，团队可以优化气体喷射以确保最大加速度。高保真建模与成功硬件演示的结合，标志着这是过去十年中电力推进领域最重要的进展之一，有可能终结沉重、耗电的铜质磁等离子体动力系统的时代。
迈向未来：从小型卫星到深空
高温超导推力器进入航空航天工业，标志着高能效推进新纪元的开始。随着商业航天领域的持续增长，对 SmallSats 所需的高性价比、高性能发动机的需求将不断增加。这项来自中国的突破解决了关键的推进瓶颈，为可持续且负担得起的月球表面、小行星及更远地区的探测开辟了道路。一台性能优异的 60 kg 发动机足以匹敌重型推力器，这很可能重塑 2030 年代的任务架构。
展望未来，研究团队旨在进一步完善冷却系统，以延长推力器在多年期任务中的运行寿命。未来的迭代可能会探索更高温度的超导体，或者利用深空自然低温的更集成的深冷方案。随着高温超导技术的不断成熟，它有望成为所有高功率电力推进的标准，开启一个不再因发动机重量或燃料限制而让繁星遥不可及的时代。
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