Page 109 - 《真空与低温》2025年第4期

524 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

离子，第四栅极称为接地栅（为地电位），最终离子
喷出速度决定于两级电压之和，其中第二级的高电
压为离子推力器最终实现超高比冲提供支持，第二
级的相对大间距能够防止栅间发生电击穿使得推
力器可靠工作。

（a）样机 （b）工作照

图 54 环形推力器一代样机
Fig. 54 The first prototype of annular-geometry thruster

图 56 大电流锂空心阴极组件照片
Fig. 56 Large current of lithium hollow cathode
（a）样机 （b）工作照

1级屏栅 2级引出 3级加速 4级栅极
图 55 环形推力器二代样机照片及工作照 V
Fig. 55 The second prototype of annular-geometry thruster and V 1
V 2
its working status V 4

0 ΔV ext ΔV acc
（4）双级加速离子推力器 V 3
E ext E acc
2010 年启动的欧洲高功率电推进（HiPER）计 d 1 d 2
划，包含了高功率双级加速离子推力器开发，推 等离子体
引出 加速
力 器 主 要 技 术 指 标 包 括 功 率为 25 kW、 推 力 为
450 mN、比冲为 10 000 s [388-390] 。

5.5 超高比冲离子推力器 图 57 四栅极工作原理图
（1）锂离子推力器 Fig. 57 The working mechanism of DS4G ion optics

对于高速度增量需求的航天工程任务，超高比
2005-2006 年，澳大利亚国立大学（ANU）和欧
冲电推进是必然选择 [391] 。JPL 正在开发比冲达
洲电推进实验室（ESTEC）联合进行了原理样机
50 000 s 的锂离子推力器，以满足 12 年旅途、500 个
研制和工作性能验证，图 58 为研制的射频放电
天文单位距离的跨星际探测需求，样机设计性能
双级四栅离子推力器图片 [394] ，放电室直径为 5 cm、
为 50 kW、50 000 s [392] ，同时开展了配套锂空心阴极
栅极直径为 2 cm，验证性能典型值为 300 W、2.7 mN、
开发研制，如图 56 所示 [393] ，采用 LaB 6 发射体，50～ [394] [396]
14 000 s ，最高值为 614 W、5.4 mN、14 500 s 。
70 A 发射电流。
（2）双级四栅离子推力器
双级四栅离子推力器概念最早由英国菲恩
（Fearn）教授提出，其中的双级离子加速源于托克
马克（Tokamak）热核反应装置中用于高能离子注
入的多级离子光学 [394-395] ，其工作原理如图 57 所
示 [395] ，第一栅极屏栅与第二栅极引出栅组成第一
级，其主要功能是从放电室高效率引出聚焦（准直）
离子并适当加速，引出栅与第三栅极加速栅组成第 图 58 首台双级四栅离子推力器样机
二级，其主要功能是通过高电压加速第一级引出的 Fig. 58 The first prototype of DS4G Ion Engine