Page 114 - 《真空与低温》2025年第5期

张天平等：空间电推进技术概览—经典电推进 653

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1.1.2 直流电弧加热推力器 了飞行试验 ；（2）德国斯图加特大学（TUS）研制
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直流电弧加热推力器（Dc ArcJet，DAJ）简称为 的 100 kW 氢推进剂推力器 HIPARC-R ；（3）美国马
电弧加热推力器。基本工作原理 [23] 为，通过阴极 歇尔空间飞行中心（MSFC）正在开发的兆瓦级可选推
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和阳极之间的电弧直接加热推进剂，阳极下游为超 进剂（Flex-Propellant）电弧加热推力器（FP-DAJ） 。
声喷嘴，被加热的推进剂从超声喷嘴喷出，产生推 这些推力器的性能在表 2 中列出，其中 MSFC 的性
力，如图 4 所示。 能为估算数据。尽管 DAJ 的功率可以达到较高水
平，但存在电极腐蚀寿命约束和 PPU 复杂化问题。
阳极 多元化推进剂是 DAJ 的另一发展方向 [40-41] 。

阴极
绝缘器

推进剂 电弧
图 4 直流电弧加热推力器工作原理图
Fig. 4 Working mechanism of Dc ArcJet

DAJ 概念提出于 1958 年 [34] 。1965 年，美国刘
易斯研究中心（LeRC）对 1～200 kW 功率、1 000～ 图 5 MR-510 推力器及 PPU 产品
2 000 s 比冲范围 DAJ 所涉及的物理过程、推力 Fig. 5 MR-510 thruster and PPU
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器研发和存在的主要工程问题等进行了总结 ； 1.2 经典静电类型电推进
2018 年，沃伦哈普特（Wollenhaupt）等对 DAJ 的发 1.2.1 离子推力器
展现状进行了评述 。1994 年，DAJ 在洛马公司发 经 典 离 子 推 力 器（Ion Thruster， IT）分 三 类 ：
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[1]
射的 A2100（AS-7 000）平台 Telstar 401 通信卫星上 （1）1959 年，美国刘易斯研究中心考夫曼博士发明
首飞，该 DAJ 是 AR 公司的肼推进剂 MR508/509 推 的直流放电离子推力器（Dc Discharge Ion Thruster，

力器。AR 公司 MR-500 系列 DAJ 是空间飞行应用 DIT），早期又称为电子轰击式离子推力器或考夫
最多的产品，性能如表 2 所列。MR-510 推力器及 曼型离子推力器；（2）1962 年，德国吉森大学洛布
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PPU 产品如图 5 所示 。 教授（Loeb）发明的射频放电离子推力器（Radio-fre-
quency Ion Thruster，RIT）；（3）1954 年，美国马歇尔
表 2 代表性直流电弧加热推力器主要性能汇总表
飞 行 中 心 施 图 林 格（Stuhlinger）博 士 发 明 的 表
Tab. 2 Main performance of representative Dc ArcJet
面接触式离子推力器（Surface Contact Ion Thruster，
供应商 推力器 推进剂 功率/kW 推力/mN 比冲/s SCIT），又称为铯接触式离子推力器，因为只有碱
AR MR-509 N 2 H 4 1.63 213～254 >502 金属铯适合作为 SCIT 的推进剂。
AR MR-510 N 2 H 4 2.0 222～258 >585 和 的基本工作原理如图 6 所示 [10-11] ，
DIT RIT
AR MR-512A N 2 H 4 1.63 213～254 >502
放电室产生等离子体，其中的离子通过栅极系统引
AR MR-512B N 2 H 4 1.63 262～286 >470
出和加速，喷出离子束流被中和器阴极发射的电子
AR MR-510A N 2 H 4 2.04 222～258 >585
中和产生推力。RIT 与 DIT 的主要区别是放电室
AR MR-510E N 2 H 4 2.0 222～258 >585
等离子体的产生方式，DIT 通过放电阴极发射电子
AR ESEX NH 3 26.0 2 000 800
与推进剂气体的碰撞电离机理产生等离子体，RIT
TUS HIPARC-R H 2 99.7 4 000 1 400
通过射频放电机理产生等离子体，即通过射频电磁
MSFC FP-DAJ H 2 750.0 83 000 950
场与推进剂气体之间的感性耦合放电产生等离子体。
MSFC FP-DAJ NH 3 750.0 133 000 500
SCIT 的工作原理与 DIT 和 RIT 相似，附着在
高功率是 DAJ 的主要发展方向之一，代表性实 加热器表面的铯推进剂，通过热表面的电离作用形
例如：（1）空间飞行的最大功率 DAJ，即美国电推进 成等离子体，其中的离子被静电场加速后喷出，产
空间试验（ESEX）计划中由 AR 公司研制的氨推进 生推力。SCIT 推力器的发展主要在 20 世纪 60 至
剂推力器，在 1998 年发射的 ARGOS 航天器上进行 70 年代的美国，多次空间飞行试验后，由于推进剂