Page 106 - 《真空与低温》2025年第4期

张天平等：离子电推进发展历史回顾与启示（下） 521

功率方向上栅极组件最大尺寸受到加工、组装、力 （3）德国 IOM 研究所正在开发基于创新射频
和热环境可靠性等方面的限制 [28，350] 。另一方面，霍 离子推力器的离子喷气（IonJet）推力器工程样机，
尔电推进的创新发展，使得离子推力器的高比冲和 该产品适用于小卫星应用，性能达到 50 W、1 mN、
长寿命优势正在被逐步削弱，例如俄罗斯开发的铋 1 000 s，中和器集成于推力器内部，其工作原理图
推进剂霍尔推力器 VHITAL-160 的比冲已经达到 及样机如图 45 所示 [359] 。
5 400～7 700 s、功率达到 25～36 kW [351] ，磁屏蔽霍
栅极组件 电子引出
尔的寿命能够达到几万小时 [352-353] 。因此各国都在 电源控制器 氙气贮供
供电单元
鼓励和支持技术创新，例如欧洲在地平线 2020 创
射频放电腔
新计划中有一个空间电推进策略研究群（SRC）项 流量控制阀
目，针对中期和长期电推进领域挑战考虑欧洲策略，
未雨绸缪，从策略到支持计划，制定的路线图包括 线圈 离子束 中和器
（a）工作原理图
增强技术线、颠覆技术线 [354] 。
通过创新技术，不仅能够突破或避开传统离子
电推进发展的制约因素，而且能够继续保持离子电
推进的性能优势，近年来离子推力器寿命验证和
可靠性定量评估的技术创新成果，已经获得工程
应用。
（b）工程样机

5.1 离子推力器微小型化
图 45 离子喷气推力器
针对传统直流放电、射频放电和微波放电三种
类型的离子推力器，各国都在进行微小型化研制， Fig. 45 The ion jet thruster
代表性产品的研制情况分别介绍如下。 （4）莫斯科航空研究所（MAI）自 2010 年以来
（1）美国加利福尼亚大学等离子与空间推进实 一直在开发射频离子推力器，其中一款 400 W 功率
验室从 2008 年成立以来，致力于开发立方星应用 电推进系统计划在国际空间站上开展飞行试验 [360] 。
的直径 3 cm 小型氙离子推力器 MiXI-3 [355-356] 。推 （5）韩国 Ulsan 大学进行了 50 W 级射频离子
力器具有两种结构：25～45 W 功率范围的三环会 推力器 IU-50 开发，期望达到的性能为 50 W、5 mN、
切场结构 MiXI-3R 和 50～100 W 功率范围的混合 2 500 s [361] 。
场结构 MiXI-3H。其中 MiXI-3R 采用三环会切场 （6）英国火星空间公司和德国 TransMIT GmbH
放电室，MiXI-3H 采用轴向和会切混合放电室。混 公司正在联合进行 RIT-3.5 离子推力器的工业化
合场推力器原理如图 44 所示 [357] ，目前已经步入以 研制，应用目标为下一代引力使命任务，RIT3.5 推
提高成熟度为目标的工程发展阶段。 力调节范围可达 50∶1（0.05～2.5 mN），分辨达到
0.2 μN，系统技术成熟度从 6 级提升到 7 级 [362] 。
绝缘组件 栅极安装环

屏栅
（7）传统离子推力器在额定功率下推力和比冲
是内部强关联的，要进行推力不变下的比冲调节往
往以牺牲效率或寿命为代价，如果相对独立地调节
阳极
比冲，对推力器能够适用于更广泛的工程任务非常
调整 磁钢 必要，为此需要新技术支撑。德国利用四栅极技
线圈
极靴 阴极 术在 RIT-3.5 推力器上完成了这一新技术的验证，
供气环
2 mN 下比冲调节范围为 3 000～5 000 s、对应功率
图 44 MiXI-3H 推力器工作原理图 范围为 70～100 W，50 μN 下比冲调节范围为 100～
Fig. 44 Working mechanism of MiXI-3H thruster [363]
500 s、对应功率范围为 6～25 W 。
（2）针对微型化离子推力器，中国台湾开展了 （8）美国西密西根大学正在开发小型化栅极
磁控管电子束轰击式金属离子推力器（MIT-MEB） ECR 离子推力器（MGIT） [364] 。
研究 [358] ，以金属靶为推进剂，采用电子束蒸发金属 （9）日 本 研 制 的 水 工 质 ECR 离 子 电 推 进 在
靶材并碰撞电离金属原子，用栅极加速引出离子。 2022 年 10 月 12 日发射的快速创新载荷验证卫星