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