Page 110 - 《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） 525

中国兰州空间技术物理研究所研制了超高比 进 [402] ，NPT30-I 2 由原来的氙气推力器 NPT30-Xe 演
冲离子推力器试验样机，7 kV 加速电压下比冲达 变而来，工作性能为 30～60 W、0.4～1.1 mN、700～
到 7 100 s、发散角为 6.3° [397] ，8.2 kV 加速电压下比 1 000 s，根据飞行结果，2022 年又改进了控制构架
[29]
冲达到 10 000 s、发散角小于 5° 。日本对多级栅 及策略 [403] 。德国开发了基于 RIT-4 的碘离子推力
的工作寿命进行了模拟计算分析 [398] ，英国对变比 器和中和器 [404] 。近年来中国兰州空间技术物理研
冲情况下的栅极寿命进行了计算分析 [395] 。 究所和中国科学院力学研究所也开始进行小功率

5.6 多元推进剂离子推力器 射频碘离子推力器的开发研制 [405-406] 。
在经历推进剂从汞到氙的替换后，氙离子电推 （2）氪和氩离子推力器
进的工程应用非常成功，但随着离子电推进的规模 用丰度更高、价格更便宜的氪、氩等取代氙是
化和商业化应用，氙气带来的高成本和资源有限问 最为直接的惰性气体推进剂选择。1992 年 GRC 进
题日渐突出，寻找氙气的替代品成为新课题，德国 行了 30 cm 氙离子推力器的氪气推进剂性能试验，
Holste 等 [399] 在 2015 年对离子推力器推进剂适用性 主要结果为在 430～5 510 W 功率范围内，比冲为
进行了分析，分析对象包括了原子、分子和团簇。 1 580～5 130 s、效率为 20%～71%，相对氙气而言
另一方面，在未来遥远深空探测任务中，包括推进 放电损耗增大、效率降低 [407] 。
剂在内的原位资源利用（ISRU）对于降低任务风险、 2022 年英国火星空间公司（MSL）进行了会切
成本和初始质量，以及提升任务柔性、增强任务能 放电室的氙气与氪气对比试验，推力器放电室为基
力具有重要意义 [400] 。为此，各国开展了多元推进剂 于 T6 发散场改造的会切场 RCT6，结果表明在相同
的离子推力器研制，这里仅介绍具有代表性的工作。 放电电流和推进剂利用率下，单个氪离子放电损耗
（1）碘离子推力器 在 150～200 eV，相对氙气的 125～160 eV 要高，放
碘的质量特性和电离特性与氙气非常接近，且 电室等离子分布特性基本一致 [408] 。
可以固态贮存，价格也非常便宜，因此碘离子推力 日本在 2007 年左右进行了氩气推进剂的微波
器的发展前景非常好 [339] 。美国比约克公司（Busek） 离子推力器试验，微波推力器放电室直径为 10 cm，
从 2015 年开始为立方星应用研制了 BIT-3I 离子 主要结果为 [409] ：氩气和氙气的最优磁场明显不一样，
推力器，额定性能为 60 W、1.35 mN、3 200 s，为世 相同推进剂利用率下氩气离子成本低于氙气。这
界上首台碘推进剂离子推力器 [247] ，如图 59 所示为 一结果有些意外，如图 60 所示为恒定流率和束电
集成了中和器的推力器产品模型及点火工作照 压条件下，推进剂利用率与离子成本关系的测试
片 [341] 。2019 年交付了 SLS EM-1 计划 2 颗 6U 立方 曲线 [409] 。
星 Lunar IceCube 和 LunaH-Map 首次飞行的第一代
产品，其中 LunaH-Map 因电推进故障未能进入月 500
球轨道。为完整化长寿命推力器，开发了射频放电 400
的中和器 BRFC-1，与推力器配套进行了 3 500 h 寿
命验证 [401] 。 离子成本/ （ W·A −1 ） 300
200

100 氙气
氩气
0
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
推进剂利用率/%
（a）实物照片 （b）工作照
图 60 日本微波离子推力器推进剂利用率与离子
图 59 Busek 公司的 BIT-3I 离子推力器照片 成本关系的测试曲线
Fig. 59 Photograph of BIT-3I ion thruster from Busek Fig. 60 The xenon and argon experimental results of
corporation micro-wave ion thruster in Japan

2020 年 12 月法国 ThrustMe 公司在北航空事 （3）在线资源利用离子推力器
一号卫星上成功飞行验证了 NPT30-I 2 碘离子电推 利用地球低轨道大气资源的电推进称为吸气