Page 111 - 《真空与低温》2025年第4期
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526                                         真空与低温                                   第 31 卷 第  4  期


              式电推进(ABEP),ABEP        最早提出于冷战时期的                 寿命验证所必需的昂贵成本和较长周期                     [164] ;如果
              核能推进,20 世纪       90 年代后基于太阳能重新提出,                 选择后者,则会增加电推进系统的复杂性,特别是
              太阳能电推进的技术成熟和甚低轨运行航天器的                             用小功率推力器成簇时。
              需求,极大促进了吸气式电推进的发展                   [410] ,这里主
                                                                                        屏栅    加速栅

              要介绍吸气式离子推力器本身的发展,而对与之配
                                                                                               开孔面积
              套的其他系统的进展情况可参阅                 Andreussi 的综述                离子
              文献  [410] 。                                               原子           放电
                                                                                     区域
                  低轨大气的主要成分为氮气和氧气,2011 年                               电子
              德国在    RIT-10 离子推力器上进行了纯氮和纯氧气                                               ΔV    栅极面积
              体性能试验,结果表明:相对氙气而言,纯氮或纯氧                                                航天器飞行速度
              达到同样推力需要更大流率和功率,氧气对碳栅极                                         (a)栅极直接加速大气离子
              腐蚀明显高于氮气,怀疑为碳的氧化效应                     [411] 。在              1U         1U        1U
              第二次进行的        500 h 混合气体试验中,碳栅极换为
                                                                                   离化
              钛栅极,结果表明推力器性能无退化,钛栅极的                                                  离子约束区域      加速栅
              腐蚀相对碳栅极显著降低,证明了氧化效应的存                                        输入
              在  [412-413] 。氙气、氮气、氧气和原子氧混合(3∶1)的
              性能对比为      [413] :功率  467、574、540 W,推力   14.71、              (b)先电离大气再用栅极加速离子
              6.83、6.79 mN,比冲   3 100、3 636、4 328 s。
                                                                         图  61 两种类型   ABEP  推力器示意图
                  俄罗斯在      2017 年左右进行了束流直径            15 cm
                                                                      Fig. 61 Schematic of two types ABEP thruster
              的射频离子推力器的氙、氮、氧性能对比试验,在
              功率为    800 W、束电压为      1 000 V、放电电流为      0.1~
                                                                                供气
              0.4 A  条件下,除了氧气在低放电电流下无法稳定
              工作外,0.4 A    放电电流下推力器的氙、氮、氧的比                                      射频            栅极组件
              冲分别为      3 820 s、11 699 s、10 943 s,推力分别为
              20.9 mN、6.84 mN、7.31 mN  [414] 。                                    射频天线         中和器
                  从大气资源利用方式的角度,吸气式离子推力                                         环型永磁铁
              器可分为两类,一类是用栅极直接加速大气中的离                                                   扩张
              子,另一类是先电离大气再用栅极加速离子,如                                            (a)推力器组成示意图
              图  61 所示 [415] 。                                                           磁钢
                                                                         磁电源
                  深空探测在线资源利用的离子推力器推进剂,
              最便利的选择就是探测目标地的环境大气成分,如                                 推进剂                     离子
                                                                                                e −
              火星的二氧化碳、木星和土星的氢气和氦气等,对                                   阳极
                                                                                                     阴极
                                                                                     1 kW
              这些气体最有效的电离方式是螺旋波放电                      [416-417] 。     放电电源          射频电源
              如图   62 所示的螺旋波放电离子推力器(LDIT)                [418] ,                                    触持电源
              从原理上来说是具有发展前景的适合多元推进剂                                                   加速电源 加热电源
                                                                             屏栅电源
              的离子推力器类型,目前            LDIT  的研究主要在方案                         (b)推力器供气供电配置示意图
              和理论方面      [416-419] ,还未见样机研制及试验。

                                                                       图  62 螺旋波放电离子推力器工作原理图
              5.7 离子推力器簇
                                                                        Fig. 62 Working mechanism of the LDIT
                  对需要高功率离子电推进的工程任务而言,往
              往面临着应用离子电推进的选择困惑:单台高功率                                 德国早在     1995 年就提出用成熟度较高的            RIT-
              离子推力器还是多台中小离子推力器阵列(成簇)。                           10 推力器组来满足初始质量快速增长的通信卫星
              如果选择前者,不仅需要解决大尺寸栅极等技术难                            位保应用需求的设想           [420] 。在目前已经实施的实际
              题  [350] ,而且需要承受新研制高功率离子推力器及                      工程应用中,各国都采用了由成熟度高的小功率离
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