Page 108 - 《真空与低温》2025年第4期
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张天平等:离子电推进发展历史回顾与启示(下)                                       523


              电荷效应(即      Child-Langmuir 定律)限制,其高功率             (JIMO)研制核电离子电推进的项目,高功率微波
              必然对应于栅极大尺寸,而传统圆形曲面栅极在大                            放电   HiPEP  离子推力器采用矩形栅极组件,显著提
              尺寸下存在制造、孔对中、力热稳定性等一系列难                            高大尺寸栅极的刚性,并改善其可制造性与组装性
              题,为此美国在非传统栅极高功率离子推力器方面                            能,与栅极对应的放电室为矩形               ECR  放电室,试验样
              进行了多方面尝试。                                         机的石墨栅极尺寸为          41 cm×91 cm,如图   52 所示  [255] 。
                                                                推力器最高性能达到功率             40 kW、推力    670 mN、比

                                   屏                            冲  9 600 s [259,381] ,在  20.8 kW、428 mN、7 650 s 工况下
                                   栅                                                  [255]
                                                                完成了    2 000 h 寿命验证      。
                                   加
                                   速
                                   栅
                  (a)放电室照片               (b)栅极照片

                  图  50 增材制造的离子推力器放电室和栅极组件
              Fig. 50 The discharge chamber and ion optics of additive man-
                              ufactured ion thruster

                  (1)分区离子推力器
                  美国   JPL  在  19 世纪  90 年代前期就提出并研                          图  52 矩形高功率离子推力器
              究过一种称为分区离子推力器的解决方案,以实现                                         Fig. 52 HiPEP ion thruster

              单台离子推力器功率的大幅提升                [164,375] ,进行了  4 个
                                                                     (3)环形离子推力器
              直径   15 cm  栅极分区推力器的试验,验证了系统工
                                                                     美国  GRC  在高功率离子推力器方面的最新进
              作可行性和兼容性         [376-377] 。90 年代末期在  MSFC  支
                                                                展是称为下一代电推进推力器的环形离子推力器,
              持下针对核电推进星际探测任务应用需求,研制并
                                                                包括多环离子推力器,如图             53 所示  [382] ,相对于传统
              试验了直径为       76 cm  的三分区离子推力器,如图            51
                                                                离子推力器具有更高功率、更大推力密度特性,用
              所示  [378] ,推力器放电室直径为       76.5 cm、长为 25.4 cm,
                                                                平面高流导碳栅极,在提升性能的同时实现更长寿
              单 一 空 心 阴 极 和 中 和 器, 栅 极 组 件 为        3 个 类 似
                                                                命  [382] 。2011 年在通过  NEXT  推力器改造的一代样
              NSTAR-30 推力器的      30 cm  栅极,开孔区总面积为
                                                                机上进行了原理验证           [382-383] ,2012、2013 年进行了试
                      2
              1 874 cm ,对称布局于单一等离子屏内,推力器进行
                                                                验测试,束流准直度(发散角)修正系数达到                     0.995,
              了氙气和氪气放电室性能试验,4 kW                 功率氙气引
                                                                结果令人鼓舞       [384-385] ,如图  54 所示  [382] 。2014 年研制
              出束流试验。研制目标为氪气功率                  10~30 kW、比
                                                                了内径为      65 cm  的平面碳栅极二代样机,如图              55
              冲  14 000 s [378-379] 。                               [385]                    [385]
                                                                所示     ,进行了高功率工作试验              。
                                                                     2018 年以来中国兰州空间技术物理研究所进
                                                                行了环形离子推力器样机研制、试验及仿真分析
                                                                研究  [386-387] 。






                     (a)实物照片              (b)工作照

                       图  51 76.5 cm  的三分区离子推力器
                 Fig. 51 A three-zone ion thruster with a size of 76.5 cm

                  (2)矩形离子推力器                                              (a)单环             (b)多环
                  GRC  基于   2003 年左右开发      40 cm  微波放电离               图  53 单环和多环离子推力器结构示意图
              子源的技术基础         [380] ,承担了为木星冰月星轨道器                 Fig. 53 Schematic of single and multi-annular ion thruster
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