Page 107 - 《真空与低温》2025年第4期

522 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

三号（RAISE-3）上进行了飞行验证，其性能为 28 W、 （3）2017 年，为解决加横向磁场后导致矩形放
0.15 mN、500 s [365] 。 电室电子飘移非对称和放电不稳定问题，法国等离

5.2 无中和器离子推力器 子物理实验室又提出了环形放电室方案，如图 48（a）、
（1）传统离子推力器需要中和器，如果对栅极 （b）所示为矩形放电室和环形放电室内电子 E×B
施加一射频电压和一个外加电容器，则可以同时引 飘移的差异，图 48（c）为去掉栅极后环形放电室内
出离子和电子，从而不再需要中和器，如图 46（a） 氪气工质在 140 W 功率下的工作照片，可见放电室
所示。法国 TC 公司不仅对此进行了机理研究 [366] ， 等离子分布完全轴对称 [371] 。
而且已经开发出了以碘作为推进剂的推力器样
S
机 [367] ；法国 ThrustMe 公司基于专利技术的离子推 S
E
力器海王星（Neptune），可系统集成于 1U 体积、质 B
N
量为 1 kg，推进剂为固体碘，推力器为无中和器射 B v E×B
E v E×B
频离子，通过栅极射频电压引出离子和电子，功率为
N
30～60 W、推力为 0.2～0.7 mN、最大比冲为 1 000 s， （a）矩形放电室电子 （b）环形放电室电子
如图 46（b）所示。 飘移原理图 飘移原理图

感应天线 屏栅

供气口 等离子体
加速栅
射频电源
（c）工作照片
偏压电容 图 48 环形放电室 PEGASES 离子推力器
（a）工作原理图 （b）集成系统
Fig. 48 Mechanism of PEGASES ion thruster with annular dis-
图 46 无中和器射频离子推力器 charge chamber and working status

Fig. 46 The radio-frequency ion thruster without neutralize
（4）日本 2015 年提出了正负离子推力器组合
（2）2007 年，法国等离子物理实验室提出了电 的无中和器概念，如图 49 所示，进行了取消中和器
负性气体推进（PEGASES）等离子推力器概念并进 工作可行性验证 [372] 。
行了原理验证 [368] ，后来发展为 PEGASES 离子推力
氙中和器 C60负离子推力器
器，在 2014 年前后进行了仿真分析和试验验证，如
图 47 所示 [369-370] 。PEGASES 射频离子源采用电负
氙正离子推力器
性气体（例如 SF 6 ）产生等离子体，其中正离子由电
离产生，负离子由电子附着产生，为增加附着反应 氙正离子推力器
概率，用横向磁场过滤器减速电子，过滤器后的正
离子和负离子被交替加速引出，只要交替频率足够 图 49 正负离子推力器组合原理图
高，可实现无中和器工作。 Fig. 49 Mechanism of positive and negative ion thruster

等离子 离子-离子 加速场 5.3 离子推力器的增材制造
体源 磁场 等离子体
再结合 基于日本µ-20 离子推力器，英国南开普敦大
学正在开发商用低成本 离子推力器 XEPT，
A 2 A + A + 20 cmECR
e − 放电室采用激光熔化增材制造而成，如图 50（a）
射频电源 A − A − 所示 [373] 。
A + A − 美国科罗拉多州立大学正在进行离子推力器栅
极组件的增材制造研制，其样件如图 50（b）所示 [374] 。
图 47 横向磁场 PEGASES 离子推力器工作原理图
Fig. 47 Working mechanism of the PEGASES ion thruster with 5.4 高功率离子推力器
axial magnetic field 离子推力器存在栅极间最大离子密度的空间