環型離子推力器研制發展綜述

楊　浩，張天平

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

環型離子推力器研制發展綜述

楊浩，張天平

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

環型離子推力器的研制發展，為離子推力器在未來航天任務中廣泛應用提供一個良好平臺。相比傳統型離子推力器，環型離子推力器設計概念更為新穎。環型離子推力器增大放電室內部的放電陽極面積、降低離子光學系統濺射腐蝕，并提高了推力器的功率水平和運行壽命。在調研國外環型離子推力器研制基礎上，結合環型離子推力器早期發展、現階段技術特點、研究現狀和未來發展趨勢等方面的研究，為未來新型高功率離子推力器的研制提供了一定的參考價值。

環型離子推力器；技術特點；研究現狀

0　引言

離子推力器[1-2]是一種靜電式電推力器，由于具有高比沖、長壽命和高可靠性特點，已成功應用于近地衛星軌道轉移、位置保持和彗星采樣返回等航天任務中。受到自身功率水平和運行壽命的限制，離子推力器很難實現在大型衛星平臺軌道轉移、月球采樣返回和火星探測[18]航天任務中的應用。為突破推力器應用技術障礙，美國在1989年提出了環型離子推力器設計概念[6-12]。

不同于傳統離子推力器，環型離子推力器具有環型的放電室和柵極結構，能夠有效的解決放電室等離子體密度沿徑向梯度大和大尺寸長壽命柵極組件穩定性差等技術難題。環型離子推力器設計概念為離子推力器的功率水平和運行壽命的大幅提升提供了有效的途徑，也為新一代高比沖、長壽命和高功率的電推進發展提供較好的平臺[13-17]。

1　環型離子推力器早期的發展

環型離子推力器設計概念最早由美國電推進實驗室的Aston等[25]于1989年提出，是為解決當時離子推力器推力水平較低和尺寸大幅提升的難題。環型離子推力器基于當時發散型離子推力器[3-5]研制水平，將離子光學系統和放電室設計為環狀結構，如圖1所示。推力器工作原理是空心陰極發射的電子，通過空心陰極和環型離子光學系統支撐結構的狹縫進入放電室，電離推進工質產生等離子體，等離子體中的離子被離子光學系統加速引出形成推力。

圖1　環型離子推力器結構

同年研制用于試驗測試的50 cm環型離子推力器原理樣機，獲取推力器的放電特性、溫度特性和離子電流特性。結果表明該推力器基本滿足初步設計要求，為后續試驗研究奠定了基礎。

1992年Aston等[26]研制一副50 cm環型離子光學系統，結合推力器原理樣機開展熱循環測試和束流引出測試，得到離子光學系統的熱/力學特性和工作性能特性，結果顯示離子光學系統性能特性良好，為離子光學系統正樣產品研制提供數據參考。

1995年Aston等[27]在先前研究基礎上，研制一副50 cm環型離子光學系統正樣產品，裝配至樣機進行了試驗測試，獲取環型離子推力器的工作性能特性，結果表明環型離子推力器設計概念和制造擁有較高技術成熟度。

環型離子推力器工作測試完成后，為使環型離子推力器輸入功率進一步提高，提出一種新穎的設計概念[27]，結構如圖2所示，雙放電陰極安置于放電室內，中和陰極安置于推力器軸向中心位置。受制于上世紀90年代離子推力器研制水平和應用需求，新概念的環型離子推力器未被研制，且原有環型離子推力器的研究也停滯了。

圖2　環型離子推力器新結構

2　環型離子推力器現階段技術特點

為實現離子推力器廣泛應用于未來航天任務的目標，2012年NASA格倫研究中心（Glenn Re?search Center）重新開啟環型離子推力器研制大門，研制了用于試驗測試的環型離子推力器原理樣機。下面對格倫研究中心環型離子推力器技術特點進行介紹。

2.1環型離子推力器的結構與原理

2012年NASA格倫研究中心Patterson等[28-29]提出的環型離子推力器原理，如圖3所示。推力器為直流轟擊型離子推力器，相較于Aston的設計概念，該環型離子推力器結構和技術上變化明顯，可概括為五點：（1）環型結構雙陽極面放電室；（2）環型結構平面柵極；（3）磁極交替分布的環形會切磁場；（4）單放電陰極位于放電室底部徑向中心位置；（5）中和陰極位于推力器外部軸向中心位置。

圖3　格林中心環型離子推力器結構

2.2現階段環型離子推力器優勢

2.2.1現階段環型離子推力器較早期推力器的優勢

通過對比分析，現階段離子推力器優勢有三點：（1）降低放電損耗?，F階段環型離子推力器將放電室內部磁場構型由發散型改為環形會切型，更好地約束等離子體，增大放電壓體積，降低放電電壓，進而提升電離率；（2）減少原初電子損耗。放電陰極發射的原初電子直接通過陰極孔發射進入放電室，取消了陰極擋板結構；（3）減輕推力器重量。中和陰極的設計布局，使推力器等離子體產生機構、離子光學系統和中和機構有效結合，從而推力器結構布局緊湊，去除中和器支撐結構，減輕了推力器重量[25]。

2.2.2現階段環型離子推力器較傳統推力器的優勢

以XIPS-8cm[7]離子推力器為例，結構如圖4所示。將圖3和4進行對比分析，環型離子推力器有三個優勢：（1）推力器功率和推力水平大幅提升。環型放電室在固定束流直徑下，雙陽極增大放電面積，使放電電流和束電流增大，進而提升推力器的推力和功率水平；（2）解決大尺寸柵極組件的結構穩定性。離子光學系統采用平面環型結構，擁有較小的跨度間距比（span togap ratio）[29]，提升離子光學系統的熱/機械穩定性；石墨代替鉬作為離子光學系統的材料，降低了柵極濺射刻蝕，解決大尺寸長壽命柵極的制造難題；（3）縮小推力器外部輪廓，便于安裝[28]。中和器與推力器結構一體化，使推力器不需要中和器外部固定支撐機構，縮小推力器外部輪廓，方便在航天器上安裝。

圖4　XIPS-8cm離子推力器結構圖

2.3現階段環型離子推力器問題

盡管新型環型離子推力器擁有很多優勢，但是其劣勢也是不可忽略的，其劣勢主要表現在：放電陰極的非對稱結構分布使放電等離子體分布出現局部不均[29]，進而影響推力器運行壽命。

3　環型離子推力器的研究現狀

NASA格倫研究中心環型離子推力器原理樣機放電室內、外徑分別為8 cm和42 cm[28]。為驗證樣機設計概念合理性和后續研究開展必要性，分別開展放電特性、工作特性和石墨平面離子光學系統特性的研究。

3.1放電特性研究

環型離子推力器放電陰極非對稱分布結構，會導致推力器工作過程中放電等離子體分布不均勻，進而影響推力器的工作穩定性和運行壽命。放電特性研究過程中，打孔平面電極代替離子光學系統進行束流引出。平面打孔電極不同徑向位置安裝電流密度測量探針[28]，收集各工作情況下束流離子電流密度，探針安裝位置如圖5所示。以NEXT離子推力器工作點為基礎，推力器樣機設定11個工作點[28]，放電電流（Id）范圍為12.4～48 A。收集電流分析結果如圖6所示，表明樣機放電工作穩定。

圖5　探針安裝位置圖

圖6　工作情況下的放電均勻性曲線圖

3.2工作特性研究

放電特性研究完成后，環型離子推力器安裝配套離子光學系統，進行工作特性研究。研究過程中，利用可移動法拉第杯陣列裝置獲取推力器束流參數[30]，該裝置可測量推力器下游任意軸向和徑向位置的束電流密度的大小。

環型離子推力器樣機工作在NEXT離子推力器工作點，放電損耗結果如圖7所示，完全滿足不高于400 W/A設計要求；束流均勻性和平直度結果，如圖8和9所示。結果顯示束流均勻性保持在95%以上，束流平直度高于0.85，且二者隨著束流的增加而增加[30]。

圖7　推力器的放電損耗曲線圖

圖8　推力器的束流均勻性曲線圖

圖9　推力器的束流平直度曲線圖

3.3石墨平面離子光學系統研究

格倫研究中心將環型離子推力器分別裝配石墨平面和金屬球面離子光學系統進行研究[31]。結果如圖10、11所示，使用石墨平面離子光學系統后，固定工作情況樣機效率得到提升、束流輪廓更加平直。

圖10　石墨平面和金屬球面離子光學系統的性能特性

圖11　石墨平面和金屬球面的離子光系統束流輪廓

4　環型離子推力器未來發展

目前，格倫研究中心在研制放電室內、外徑為25 cm和65 cm的環型離子推力器[28，31]，以實現推力器更高功率和更大推力的工作能力。除此之外，以大尺寸環型離子推力器為基礎多環離子推力器和混合推力器的研發，也為電推進未來多任務的應用提供有效途徑。

4.1多環離子推力器

多環離子推力器概念如圖12所示，由多個不同尺寸環型離子推力嵌套而成，每個尺寸的推力器擁有其各自調節范圍，且隨著尺寸的增加功率也隨之增大[28-32]。多環離子推力器的優勢是通過制造不同環數或選擇不同尺寸的離子推力器工作，滿足航天多任務中高功率、寬調節范圍的要求。

4.2混合模式推力器

混合推力器概念如圖13所示，在環型離子推力器內部（也有可能是外部）安裝霍爾或化學推力器，組成一種新型的推力器，推力器可在兩種不同的模式下工作[27-28，31]?；旌夏Ｊ酵屏ζ鲀瀯菔墙Y合兩種不同模式的推力器使其性能覆蓋范圍更廣，例如霍爾推力器和環型離子推力器的相結合可以使推力器的比沖范圍達到1 500～5 000 s[31]；環型離子推力器和化學推力器相結合，使混合推力器擁有高比沖和大推力的性能特性。

圖12　多環離子推力器概念圖

圖13　混合模式推力器概念圖

5　結論

環型離子推力器設計概念，在傳統離子推力器技術基礎上進行結構創新，使環型離子推力器即繼承原有發展技術，又實現了技術創新，為電推進研發提供一種新的模式。環型離子推力器樣機研究過程中，推力器放電陰極非對稱分布結構不會嚴重影響工作穩定性和運行壽命，具備高功率和大推力的能力，且石墨平面離子光學系統對于改善推力器性能十分有效。環型離子推力器的優秀設計理念、良好工作性能以及光明的發展前景，為未來新型電推進發展提供了一個有參考價值的研究方向。

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THEREVIEW OFANNULAR ION THRUSTER

YANG Hao，ZHANG Tian-ping
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

The developmentof annular ion thruster provides a good platform for the ion thrusters thatw ill bew idely used in the future spacem ission.Comparew ith the traditional ion thruster，annular ion thruster has amore novel concept. Annular ion thruster increases the discharge area of anode in discharge chamber and reduces the erosion ow ing to the ion optics greatly.Thus thrusters’power level and operating life get improved.Base on the investigation about the developmentof annular ion thruster abroad，the paper introduces the early developmenthistory，current technical characteristics，research status and the prospects for development.It can provide a reference about the development of New-Type High Power Ion Thruster for the future.

annular ion thruster；technicalcharacteristics；research status

V 43

A

1006-7086（2016）01-0001-06

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.01.002

2015-11-06

楊浩（1989-），男，新疆昌吉人，碩士研究生，從事空間電推進技術研究。E-mail：automouse@sina.cn。