離子電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來

張?zhí)炱?，?海，張雪兒，賈艷輝

（蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點實驗室，甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點實驗室，甘肅蘭州 730000）

0 引言

自1906 年戈達(dá)德[1]（Goddard）提出電推進(jìn)概念以來，經(jīng)過長期的技術(shù)發(fā)展，電推進(jìn)已經(jīng)成功地在航天工程中得到應(yīng)用，其中，離子電推進(jìn)是最具代表性的電推進(jìn)技術(shù)類型之一[2-3]。離子電推進(jìn)以離子產(chǎn)生、離子加速和離子中和等3 個主要工作過程的相對分離為內(nèi)在特征，以應(yīng)用離子光學(xué)系統(tǒng)（柵極組件）完成對放電室離子的分離、聚焦和加速引出為外在特征。在文獻(xiàn)中離子電推進(jìn)又稱為帶柵極電推進(jìn)。

離子電推進(jìn)經(jīng)過優(yōu)先發(fā)展已經(jīng)具備很高的技術(shù)成熟性，但由于當(dāng)前和未來航天任務(wù)對電推進(jìn)提出了更高的要求，傳統(tǒng)離子電推進(jìn)技術(shù)的局限性正變得日益突出。由此，非常有必要對離子電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行一次全面總結(jié)，并通過離子電推進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，揚長避短，持續(xù)發(fā)揮離子電推進(jìn)技術(shù)對未來航天任務(wù)的支撐作用。

1 離子電推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

技術(shù)相對成熟的離子推力器有直流放電（電子轟擊或考夫曼）、射頻放電和微波放電（電子回旋諧振）等3 種類型。圖1 為3 種離子推力器的基本組成，主要包括放電室、放電陰極和中和器陰極、離子光學(xué)系統(tǒng)（柵極組件）等，其中射頻放電和微波放電推力器沒有放電陰極。

圖1 傳統(tǒng)離子推力器的基本組成Fig.1 Schematic illustration of a traditional ion thruster

離子推力器的技術(shù)發(fā)展以更好的性能、更長的壽命、更高的可靠性為追求目標(biāo)，下面分別以推力器主要組成為技術(shù)載體，簡要介紹傳統(tǒng)離子推力器技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。

1.1 放電室設(shè)計技術(shù)

離子推力器放電室通過氣體放電產(chǎn)生等離子體，放電室設(shè)計技術(shù)以降低離子產(chǎn)生成本（放電損耗）、提高推進(jìn)劑利用率和等離子體分布均勻性為目標(biāo)，具體涉及推進(jìn)劑選擇、放電類型、磁場拓?fù)涞戎饕夹g(shù)。

1.1.1 推進(jìn)劑選擇技術(shù)[4-6]

離子電推進(jìn)對推進(jìn)劑的技術(shù)要求涉及推進(jìn)性能、貯供性能、兼容性、供應(yīng)成本等方面。推進(jìn)性能要求主要包括較低的一次電離能和較高的二次電離能、較大的電離碰撞截面、較高的原子質(zhì)量等；貯供性能要求主要包括貯存密度大、貯存壓力低、流率控制精確可調(diào)等；兼容性主要包括無毒或低毒性、化學(xué)反應(yīng)活性低、對推力器及航天器無污染等；供應(yīng)成本主要包括價格相對便宜、供應(yīng)量充足、運輸?shù)鹊孛娌僮鞣奖愕取?/p>

離子電推進(jìn)的推進(jìn)劑技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3 個階段。第1 階段以汞和銫為推進(jìn)劑，銫電離能最低，但因化學(xué)活性太強和污染問題嚴(yán)重而被放棄。汞的推進(jìn)性能非常好，但由于存在毒性、液態(tài)貯存、航天器污染、金屬化合反應(yīng)等工程應(yīng)用問題，20 世紀(jì)80年代開始逐漸被氙氣取代。第2 階段以氙氣為推進(jìn)劑。氙氣的推進(jìn)性能幾乎與汞相當(dāng)，且無毒、無污染、氣態(tài)貯存，由此發(fā)展了相對完整的氙離子電推進(jìn)技術(shù)，并推向航天工程應(yīng)用。第3 階段正在研究多元化的推進(jìn)劑，見本文3.4 節(jié)。

1.1.2 放電室氣體放電技術(shù)[7-10]

離子推力器放電室通過不同放電類型產(chǎn)生等離子體。德國吉森大學(xué)發(fā)展了射頻放電類型，日本空間與航天科學(xué)研究所（ISAS）發(fā)展了微波放電類型，英國皇家航天公司（RAE）、美國劉易斯研究中心和休斯實驗室、中國蘭州空間技術(shù)物理研究所（LIP）、日本國家航天實驗室（NAL）分別發(fā)展了直流放電類型，螺旋波放電類型還處于發(fā)展之中。

不同放電室類型具有各自的技術(shù)優(yōu)劣性，概括來說：電子轟擊放電類型具有功率適用范圍寬、中高功率范圍效率高、供氣和配電要求復(fù)雜等特點；射頻放電類型具有等離子體密度較高、供氣和配電相對簡化、大中小功率范圍均適用等特點；微波放電類型具有小功率性能較好、供氣和配電最簡單等特點；螺旋波放電類型具有電離效率高、適用多種推進(jìn)劑、等離子體密度調(diào)節(jié)范圍寬等特點。

1.1.3 放電室磁場拓?fù)浼夹g(shù)[10-12]

內(nèi)部磁場對增強放電室效率和實現(xiàn)等離子體均勻分布具有關(guān)鍵性作用，針對電子轟擊類型放電室發(fā)展了多種放電室內(nèi)部磁場拓?fù)浼夹g(shù)。美國、英國、中國等在早期均采用發(fā)散磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，磁場由螺旋管電磁方式產(chǎn)生，主要優(yōu)點是放電室性能調(diào)節(jié)范圍寬、容易實現(xiàn)快速精確調(diào)節(jié)，明顯的不足是離子產(chǎn)生成本較高，等離子體分布均勻性差。

為解決發(fā)散場的問題，美國休斯實驗室發(fā)明了環(huán)型會切場放電室，磁場由永久磁體產(chǎn)生，在放電室周圍形成特定的匯聚形狀分布，顯著降低了離子產(chǎn)生成本，改善了均勻性，成為后來各國電子轟擊放電室采用的主流技術(shù)。蘭州空間技術(shù)物理研究所發(fā)明了柱型會切場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相對環(huán)型會切場而言，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的推進(jìn)劑利用率，但等離子體均勻性略差。圖2 為典型磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 直流放電室典型磁場拓?fù)漕愋虵ig.2 Magnetic field types of ion thrusters

隨著高功率下放電室尺寸的進(jìn)一步擴大，電子轟擊放電室的磁場拓?fù)湎蚨鄻O環(huán)型會切場發(fā)展，不僅磁極數(shù)量增多，而且磁極間距可優(yōu)化調(diào)整。

1.2 離子光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)

離子光學(xué)系統(tǒng)在離子推力器上具有獨特性并扮演多重角色，在功能上它從放電室等離子體中引出、加速、聚焦正離子形成噴出束流，在性能上它很大程度決定離子推力器的推力和比沖，它還是影響離子推力器工作可靠性和壽命的關(guān)鍵組件。離子光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展主要集中在柵極結(jié)構(gòu)與材料、柵極組件、組裝等技術(shù)方面。

1.2.1 柵極結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)[13-15]

由于具有最高的幾何透明度，有利于提高離子引出效率，基于薄板多孔結(jié)構(gòu)的正六邊形孔陣列離子光學(xué)系統(tǒng)被保留并一直沿用至今。在孔徑選擇上基本形成定論：小孔徑有助于減少中性原子流失，有利于提高柵極結(jié)構(gòu)的強度和剛度，適用中低束流密度工況；大孔徑有利于束流引出，適合高束流密度情況應(yīng)用。為補償放電室等離子體分布均勻性差的問題，發(fā)展了變孔徑柵極技術(shù)。

對柵極材料的要求包括導(dǎo)熱性好、熱膨脹小、耐高溫、強度和剛度高、可加工性好、抗離子濺射等方面，鉬已經(jīng)成為工程應(yīng)用離子光學(xué)系統(tǒng)的主流材料。對鈦材料柵極的技術(shù)研究表明，其抗離子濺射能力比鉬高出6 倍，但其熱穩(wěn)定性較差。柵極材料最有發(fā)展前景的是碳碳復(fù)合材料和石墨材料，在熱穩(wěn)定性、抗離子濺射等方面相對鉬和鈦至少提高一個量級，最大的技術(shù)難題來自加工制造，目前只有小尺寸的碳基材料柵極獲得應(yīng)用。

1.2.2 柵極組件技術(shù)[15-17]

離子推力器柵極組件經(jīng)歷了雙柵、三柵和四柵的技術(shù)發(fā)展進(jìn)程，由屏柵和加速柵組成的雙柵組件最為常見，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，最大問題是加速柵受到交換電荷離子濺射腐蝕嚴(yán)重。為解決雙柵的這一問題，提出了在下游增加減速柵的三柵極組件技術(shù)，處于地電位或空間浮電位的減速柵能夠有效減弱加速柵的交換電荷腐蝕，而自身離子濺射腐蝕很小，但三柵極帶來的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性問題不容忽視。

為解決雙柵和三柵都存在的進(jìn)一步提高推力器比沖和保持離子引出效率之間的內(nèi)在矛盾，提出和驗證了四柵極技術(shù)，詳見本文3.2 節(jié)。

1.2.3 柵極組裝技術(shù)[18-19]

柵極通過組裝成為柵極組件，組裝技術(shù)需要解決柵極之間的孔對中性、柵間距均勻性和熱形變一致性等難題。平面柵組裝在對中性和間距均勻性方面最具優(yōu)勢，但由于其熱形變一致性差而被放棄。為保證熱形變一致性采用了曲面柵極組裝技術(shù)，且工程上采用曲面柵邊緣補償設(shè)計抑制束流發(fā)散效應(yīng)。柵極組裝的最大挑戰(zhàn)是耦合于熱形變下的熱動態(tài)柵間距均勻性，工程解決方案為：①采用受控的非均勻間距技術(shù)；②采用應(yīng)變釋放技術(shù)。

受控的非均勻間距技術(shù)采取柵極邊緣固定約束，柵極熱形變過程中柵間距控制在容許范圍，且冷態(tài)和熱態(tài)下柵間距不完全一致，但對性能和壽命沒有不可接受的影響。應(yīng)變釋放技術(shù)通過柵極熱應(yīng)變的向外釋放來保證熱態(tài)和冷態(tài)下間距基本一致，柵極邊緣為非固定安裝，釋放方式包括柵面邊緣上開槽、柔性安裝以及安裝環(huán)上開應(yīng)力釋放槽等。

1.3 放電陰極和中和器陰極技術(shù)

自美國休斯實驗室在20 世紀(jì)70 年代首次應(yīng)用基于低功函數(shù)電子發(fā)射材料的空心陰極中和器以來，熱發(fā)射電子空心陰極因其工作壽命長、電子發(fā)射密度大、功耗小、兼容性好等優(yōu)勢，成為離子推力器放電陰極和中和器陰極的主流。同時，還有基于高頻電磁波激勵的無發(fā)射體陰極技術(shù)。空心陰極技術(shù)主要涉及發(fā)射體、加熱器、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與材料、工作模式等方面。

1.3.1 發(fā)射體技術(shù)[20-22]

空心陰極發(fā)射體是熱電子發(fā)射的基礎(chǔ)材料及結(jié)構(gòu)，主要要求包括功函數(shù)低、電子發(fā)射密度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱蒸發(fā)損失小等。經(jīng)過發(fā)展演變，空心陰極發(fā)射體材料逐漸聚焦在鋇鎢發(fā)射體和六硼化鑭發(fā)射體兩大類上。

鋇鎢發(fā)射體在多孔鎢基體上浸漬氧化鋇、氧化鈣、氧化鋁等三元氧化物層，三元氧化物比例可以根據(jù)不同發(fā)射電流和壽命需求確定，在離子電推進(jìn)中常用的比例有5∶3∶2、4∶1∶1、3∶1∶1 等。六硼化鑭發(fā)射體為粉末燒結(jié)壓制多晶結(jié)構(gòu)，其功函數(shù)在2.7 eV 左右。六硼化鑭發(fā)射體除了工作溫度高外，在抗化學(xué)反應(yīng)影響、更高電子發(fā)射密度、更長工作壽命實現(xiàn)等方面相比于鋇鎢發(fā)射體具有明顯優(yōu)勢，隨著空心陰極發(fā)射電流增大到上百安培，六硼化鑭發(fā)射體的優(yōu)勢將變得更加突出。

射頻和微波離子推力器正在發(fā)展無發(fā)射體的空心陰極中和器技術(shù)，放電室和中和器共用同一射頻源或微波源，顯著簡化了系統(tǒng)配置。

1.3.2 加熱器技術(shù)[23-24]

空心陰極啟動工作過程和鋇鎢發(fā)射體活化均需要加熱器，加熱器是空心陰極點火可靠性和開關(guān)次數(shù)壽命的關(guān)鍵影響因素。離子電推進(jìn)空心陰極實際應(yīng)用的加熱器有螺旋纏繞式和鎧裝（鞘式）兩種類型。螺旋纏繞式為實心電阻加熱絲螺旋纏繞而成，導(dǎo)線之間用結(jié)構(gòu)陶瓷絕緣，陶瓷與加熱導(dǎo)線的集成方法有先機械加工好陶瓷后進(jìn)行纏繞和加熱絲與泡沫氧化鋁整體鍍敷燒結(jié)而成兩種。鎧裝加熱器為同軸電阻加熱絲盤繞模壓而成，內(nèi)外導(dǎo)體之間用絕緣材料分隔，端部內(nèi)外導(dǎo)體焊接在一起形成從內(nèi)導(dǎo)體到外導(dǎo)體的加熱電流回路。常用的電阻加熱絲包括鉭絲、鎢絲、錸鎢絲等。

人們一直在研究冷啟動空心陰極技術(shù)，也就是在無加熱器情況下，采取大氣流放電及能量沉積實現(xiàn)空心陰極快速啟動。

1.3.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)[23，25]

除了發(fā)射體和加熱絲材料外，空心陰極的關(guān)鍵材料還包括陰極管、陰極頂、觸持極材料等。常用的陰極管材料為難熔金屬，包括鈰鎢合金、鉭、鉬、鉬錸合金等。陰極頂中心開有直錐小孔，孔徑大小根據(jù)最大發(fā)射電流和考夫曼準(zhǔn)則確定，以便把陰極孔的濺射腐蝕控制在較低的水平，常用的陰極頂材料為鈰鎢合金、鉬、釷鎢合金等。

觸持極從最早圓環(huán)型開放結(jié)構(gòu)，到后來圓盤型開放結(jié)構(gòu)，最終定型為現(xiàn)在圓筒型閉合結(jié)構(gòu)。閉合型觸持極結(jié)構(gòu)能夠改善陰極內(nèi)部熱環(huán)境，提高陰極工作效率。由于觸持極在離子推力器上經(jīng)受的離子濺射是空心陰極中最嚴(yán)重的，對其抗濺射能力具有更高要求，因此，觸持極一般選擇鉬、鈦、石墨等具有良好抗濺射腐蝕能力的材料。

1.3.4 工作模式技術(shù)[26-27]

在一定發(fā)射電流下由大到小調(diào)節(jié)供應(yīng)流率，空心陰極依次經(jīng)歷斑點模式、過渡模式和羽流模式。3 種工作模式下，下游等離子體分布形狀、觸持電壓振蕩和等離子體勢分布差別顯著，壽命試驗表明斑點模式下濺射腐蝕最小，羽流模式下濺射腐蝕最大。分析認(rèn)為，斑點工作模式下等離子體的電勢振蕩小且分布相對均勻，而羽流模式下正好相反，從而隨機產(chǎn)生高能離子造成濺射腐蝕加劇。基于以上工作模式影響，為保證空心陰極實際工作中的長壽命，流率供應(yīng)不僅要讓空心陰極工作在斑點模式，而且要留有遠(yuǎn)離過渡區(qū)的安全裕度。

1.3.5 無發(fā)射體陰極技術(shù)[28-29]

無發(fā)射體陰極技術(shù)包括射頻和微波陰極技術(shù)。射頻陰極屬于感性耦合氣體放電等離子體源，通常采用2 MHz 左右的射頻源作為激勵。微波陰極一般屬于容性耦合放電等離子體源，通常采用＞1 GHz 范圍的微波源作為激勵。射頻和微波陰極目前的電流發(fā)射能力，實驗室測量值，氙推進(jìn)劑分別為23～32 mA/W，氬工質(zhì)稍低。射頻和微波陰極的設(shè)計關(guān)鍵是天線類型。

1.4 傳統(tǒng)離子電推進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢與缺憾

相對其他類型電推進(jìn)而言，以雙柵或三柵為代表的傳統(tǒng)離子電推進(jìn)具有非常突出的技術(shù)優(yōu)勢，主要包括：①工作性能的寬范圍靈活調(diào)節(jié)性。通過放電室流率、放電電流、屏柵電壓的組合優(yōu)化調(diào)節(jié)，在保持較高效率的前提下實現(xiàn)推力20∶1、比沖3∶1、功率10∶1的寬范圍調(diào)節(jié)。②容易實現(xiàn)高比沖。對單級加速柵極系統(tǒng)和氙氣推進(jìn)劑，只需增大屏柵電壓和保持合適的柵間距便可實現(xiàn)8 000 s比沖。③總效率高。離子電推進(jìn)總效率相對霍爾電推進(jìn)至少高出10%，成為僅次于膠體電推進(jìn)的次高效率電推進(jìn)技術(shù)。

傳統(tǒng)離子電推進(jìn)有著明顯的技術(shù)缺憾，主要包括：①受離子光學(xué)系統(tǒng)空間電荷效應(yīng)影響，推力器推力密度較低，推力器尺寸相對較大。②對供電、供氣系統(tǒng)的配套要求較高，如電源數(shù)量多且電壓高。③實現(xiàn)高可靠性工作的技術(shù)挑戰(zhàn)多，如柵間高電壓擊穿打火等。

為揚長避短并保證航天工程應(yīng)用可靠性，傳統(tǒng)離子電推進(jìn)產(chǎn)品往往采取多方面的技術(shù)措施和優(yōu)化折中方法。例如為了實現(xiàn)推力器的長壽命，在保證比較好的柵極熱穩(wěn)定性和熱形變一致性前提下，離子光學(xué)系統(tǒng)的工作束流密度保持在極限束流密度的一半左右，且盡量提高束流平直度；再如為了減少柵間高壓擊穿打火，在保證柵極熱穩(wěn)定性和熱形變一致性的同時，主要通過柵間距和工作電壓的優(yōu)化折中實現(xiàn)。

2 離子電推進(jìn)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 離子電推進(jìn)高功率化發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)[30-32]

未來中長期航天計劃應(yīng)用的離子電推進(jìn)功率范圍將擴展到100～1 000 kW，例如機器人深空探測、可重復(fù)使用軌道轉(zhuǎn)移運載器等航天任務(wù)需要的電推進(jìn)功率達(dá)到20～100 kW，月球、近地小行星、火星等載人深空探測需要的電推進(jìn)功率將達(dá)到幾百千瓦到兆瓦級。

傳統(tǒng)離子推力器實現(xiàn)高功率的最主要途徑只有增大放電室和離子光學(xué)系統(tǒng)的尺寸，大尺寸柵極組件成為高功率化的關(guān)鍵制約因素：尺寸越大抗力學(xué)能力越差，熱形變控制難度越大，制造和組裝難度也相應(yīng)提高，增加?xùn)艠O厚度和增大柵間距與實現(xiàn)離子高效引出成為主要矛盾。綜合分析表明：傳統(tǒng)離子推力器可以實現(xiàn)工程化應(yīng)用的柵極直徑上限為60 cm，對應(yīng)的最大功率55 kW。也就是說基于傳統(tǒng)離子電推進(jìn)實現(xiàn)500 kW/1 MW 功率電推進(jìn)系統(tǒng)，需要配套10/20 臺束流直徑60 cm離子推力器。由此可見，傳統(tǒng)離子電推進(jìn)高功率化陷入困境。

2.2 離子電推進(jìn)超高比沖化發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)[33-34]

應(yīng)用電推進(jìn)的最重要因素是它的高比沖特性，為保證航天器任務(wù)具有適當(dāng)?shù)妮d荷比，載人深空探測任務(wù)至少需要4 000 s 以上甚高比沖電推進(jìn)，機器人星際探測任務(wù)需要8 000 s 以上超高比沖電推進(jìn)。

提高傳統(tǒng)離子電推進(jìn)比沖方式包括使用小原子質(zhì)量推進(jìn)劑和提高離子加速電勢差。選用小原子質(zhì)量推進(jìn)劑將帶來電離效率和推力密度降低、推進(jìn)劑貯存系統(tǒng)龐大等無法解決的嚴(yán)重問題。提高離子加速電勢差，對單級加速離子光學(xué)系統(tǒng)存在無法克服的矛盾：確定柵間距下可施加的最高電勢差或柵間電場，受到柵間電場擊穿閾值的制約，且需要一定的安全裕度；增大柵間距可以承受更高的電勢差，但離子引出效率會降低。由此可見，傳統(tǒng)離子推力器實現(xiàn)甚高和超高比沖面臨無法克服的內(nèi)在矛盾限制。

2.3 系統(tǒng)簡化及可靠性提升的技術(shù)挑戰(zhàn)[35]

相對其他類型電推進(jìn)，離子推力器對供電和供氣的要求較多，例如直流放電離子推力器至少需要9 路電源和3 路推進(jìn)劑流率供應(yīng)，如圖3 所示。由此導(dǎo)致航天器工程應(yīng)用的離子電推進(jìn)系統(tǒng)最為復(fù)雜，且在系統(tǒng)干重和體積等方面弱化了競爭力。

圖3 直流放電離子電推進(jìn)系統(tǒng)Fig.3 Illustration of a direct current（DC）discharge IEP system

離子推力器自身工作可靠性方面存在所謂的“高壓打火束流恢復(fù)”問題，該問題源于推力器柵極組件的自身工作特性，引出束流狀態(tài)下屏柵和加速柵之間為高電壓差（高電場強度），在柵極表面微凸、沉積微顆粒物、離子轟擊誘導(dǎo)等因素影響下，柵極之間會發(fā)生電極間擊穿打火現(xiàn)象。為了保證打火過程產(chǎn)生的能量沉積對柵極損傷在受控范圍，并防止柵極材料蒸發(fā)導(dǎo)致柵間持續(xù)放電，在工程上采取監(jiān)測打火、關(guān)閉柵極電源熄滅、重新加載柵極電源的“高壓打火束流恢復(fù)”保護(hù)程序。隨著離子推力器功率和比沖進(jìn)一步提高，產(chǎn)生這種非預(yù)期打火的條件惡化（如電壓增大、柵極面積增大等），有效抑制打火發(fā)生頻次的難度相應(yīng)增大。

2.4 離子電推進(jìn)微小推力范圍連續(xù)可調(diào)的技術(shù)挑戰(zhàn)[36]

空間引力波測量、超高精度無拖曳控制航天器等，需要微牛級推力范圍的快速連續(xù)調(diào)節(jié)電推進(jìn)。例如支撐歐洲LISA 使命的推進(jìn)系統(tǒng)要求為：推力范圍1～100 μN，測量帶寬內(nèi)的推力噪聲＜0.1 μN/，工作壽命10 a。針對這類需要已經(jīng)開展了膠體、場發(fā)射等微型電推進(jìn)的開發(fā)研制，但結(jié)果都不是非常理想，問題在于推力器性能的穩(wěn)定性和重復(fù)性無法保證。離子推力器具有大范圍連續(xù)可調(diào)的優(yōu)良特性，目前的驗證及應(yīng)用都限于毫牛量級，對微牛量級范圍連續(xù)可調(diào)的離子推力器充滿了期待。

3 離子電推進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

面對前面所述新的技術(shù)挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)離子電推進(jìn)自身幾乎無法解決，需要通過創(chuàng)新離子電推進(jìn)技術(shù)以求突破固有約束，持續(xù)保持離子電推進(jìn)技術(shù)對未來航天發(fā)展的重要支撐。近年來開展的離子電推進(jìn)新技術(shù)研究，有望成為未來技術(shù)發(fā)展的主要方向。

3.1 環(huán)型及多環(huán)高功率離子電推進(jìn)技術(shù)[37-38]

為突破傳統(tǒng)圓柱型離子推力器柵極尺寸限制，2011 年美國的Patterson 等提出了如圖4 左所示的環(huán)型離子推力器概念，與圓柱型離子推力器的主要區(qū)別及技術(shù)益處包括如下三個方面。

圖4 環(huán)型和多環(huán)離子推力器概念［37］Fig.4 Schematic illustration of an annular-geometry ion engine（AGIE）and dual-mode hybrid-engine（DMH-engine）［37］

1）放電室及配套的柵極為環(huán)型。一方面環(huán)型柵極可以通過增大中心直徑尺寸、保持適當(dāng)環(huán)向?qū)挾瘸叽缍鴮崿F(xiàn)大面積，且容易保證柵片剛度和抗力學(xué)性能，有效解決加工制造難度；另一方面環(huán)型放電室陽極面積顯著增大，由此可以顯著提高放電電流（等離子體密度）和放電室調(diào)節(jié)范圍。

2）環(huán)型柵極可以采用小間距石墨或碳復(fù)合平面結(jié)構(gòu)。因為石墨或碳復(fù)合材料本身熱形變小，兩端安裝約束環(huán)型平面柵在應(yīng)變釋放、束流發(fā)散、小間距均勻性等方面具有明顯優(yōu)勢，由此可顯著提高離子引出能力和效率，對應(yīng)放電室高等離子體密度而大幅提高推力密度。

3）放電室的磁場分布、放電陰極位置等需要重新優(yōu)化，無法沿用圓柱型成熟技術(shù)。

NASA 已經(jīng)完成了兩輪原理樣機的研制，初步分析表明，環(huán)型離子推力器的推力密度、功率和壽命分別可達(dá)到傳統(tǒng)離子推力器的3、10 和10 倍。目前環(huán)型離子電推進(jìn)的技術(shù)成熟度較低，若一旦獲得突破，由單環(huán)到多環(huán)嵌套（圖4 右）的數(shù)百千瓦高功率離子推力器將順理成章。

3.2 雙級加速超高比沖離子電推進(jìn)技術(shù)[17,39-40]

為突破傳統(tǒng)單級加速柵極組件在提高比沖方面的內(nèi)在制約，提出了如圖5 所示的雙極加速四柵極技術(shù)，由屏柵與引出柵組成第1 級“引出級”，引出級通過小間距和中等電壓差實現(xiàn)對放電室離子的高效聚焦引出和適當(dāng)加速。由引出柵、加速柵組成第2 級“加速級”，加速級通過大間距和高電壓差實現(xiàn)束流離子的主要加速，加速柵電壓為負(fù)的幾百伏。減速柵的輔助作用和單級加速的減速柵相同。屏柵電壓根據(jù)需要達(dá)到的比沖確定，例如對氙氣推進(jìn)劑采用8 000 V 或者更高電壓可實現(xiàn)10 000 s 超高比沖。

圖5 雙級加速離子推力器及柵極組件示意圖Fig.5 Schematic diagram of a dual-stage 4-grid（DS4G）ion thruster showing the ion extraction and ion acceleration processes to be decoupled

澳大利亞國立大學(xué)和ESA-ESTEC 推進(jìn)實驗室于2006 年完成了比沖14 500 s（束電壓17.5 kV）測試驗證。國內(nèi)蘭州空間技術(shù)物理研究所于2017年完成了比沖10 076 s（束電壓8.2 kV）測試驗證。初步研究結(jié)果表明，雙級加速柵極技術(shù)不僅有效解決了甚高和超高比沖實現(xiàn)的難題，而且在離子推力器推力密度、推功比、束流發(fā)散角等方面帶來顯著提升。雙級加速概念很容易推廣到多級加速，為未來比沖持續(xù)提高提供了可能。

3.3 自中和與連續(xù)調(diào)節(jié)微小功率射頻離子電推進(jìn)[41-43]

微波和射頻離子推力器盡管已經(jīng)不用放電陰極，但仍然保留了中和器陰極。如果能夠取消中和器陰極，將進(jìn)一步提升性能，簡化系統(tǒng)，并提高可靠性。近年來，法國宇航局Rafalskyi 等提出了自中和射頻離子推力器概念，推力器基于等離子體自偏置效應(yīng)同時引出離子和電子，在雙柵加速系統(tǒng)上加載帶大電容器的射頻偏置電壓，柵極前空間電荷鞘層隨射頻頻率振蕩，鞘振蕩和電容器充放電的耦合實現(xiàn)射頻電壓整流，柵極系統(tǒng)持續(xù)引出離子并在鞘層塌縮時引出電子。

柵極射頻電源等效電路和等離子體電勢波形如圖6 所示，其中，等離子勢是相對加速柵電位而言，電子是在圖示波形的斜線區(qū)域引出。推力器氣體電離、離子加速和電子引出可采用同一臺射頻電源實現(xiàn)。自中和射頻離子推力器的原理可行性已經(jīng)完成了驗證。

圖6 自中和射頻離子推力器柵極系統(tǒng)等效電路及工作機理［42］Fig.6 Equivalent circuit and the acceleration mechanism of a self-neutralizing radial-frequency（RF）ion thruster ion optics［42］

針對2.3.2 節(jié)所述連續(xù)調(diào)節(jié)微小功率離子電推進(jìn)，射頻類型因其易于小型化和較高效率正在成為優(yōu)選的技術(shù)方案。美國BUSEK 公司針對LISA 任務(wù)需求研制了BFRIT-3 射頻離子推力器，從2007年開始阿麗亞娜集團公司依托德國吉森大學(xué)研制了微型推力器RIT-μX，推力連續(xù)調(diào)節(jié)范圍10～100 μN，2014 年開始了電推進(jìn)系統(tǒng)研制。

3.4 多元推進(jìn)劑螺旋波離子電推進(jìn)技術(shù)[5-6,44-45]

氙氣推進(jìn)劑難以滿足未來低成本、大用量推進(jìn)劑、在線推進(jìn)劑利用等航天任務(wù)需求，尋找新的氙氣替代推進(jìn)劑和在線資源利用推進(jìn)劑一直是重要技術(shù)研究方向。在線資源利用推進(jìn)劑以地球大氣主要成分氮氣和氧氣、火星大氣主要成分二氧化碳和甲烷等為代表，氙氣替代推進(jìn)劑以氪氣、固態(tài)碘、金屬鉍等為代表。

現(xiàn)有研究結(jié)果表明，氮氣、氧氣、二氧化碳等在線推進(jìn)劑的推進(jìn)性能出現(xiàn)了嚴(yán)重下降，固態(tài)貯存的碘和鉍推進(jìn)劑能夠在推進(jìn)性能相當(dāng)?shù)那疤嵯陆鉀Q供應(yīng)量、成本、貯存等問題，但仍然存在沉積污染、碘的化學(xué)兼容性、鉍沸點過高等問題?？梢姡娲瘹獾耐七M(jìn)劑技術(shù)還需要在解決具體工程問題和尋找更有競爭力的元素（分子或原子團）兩個方面繼續(xù)努力。在線資源利用推進(jìn)劑技術(shù)需要發(fā)展適用多種推進(jìn)劑的離子電推進(jìn)類型，以便對未來航天器工程帶來極大效益，例如遙遠(yuǎn)目標(biāo)探測的去程用地球攜帶推進(jìn)劑，返程用探測目標(biāo)本地在線資源推進(jìn)劑。

螺旋波放電產(chǎn)生等離子體具有密度高、溫度低的顯著特點，近年來針對螺旋波離子源和螺旋波電推進(jìn)的研究表明，螺旋波離子源的氣體電離率通常高達(dá)90%以上，在較寬的氣體密度范圍可有效工作，并且對不同類型工作介質(zhì)（推進(jìn)劑）具有較好的適應(yīng)性和兼容性。因此，螺旋波離子電推進(jìn)有望成為適應(yīng)多元推進(jìn)的高效率、長壽命電推進(jìn)。

4 結(jié)束語

本文分別從離子推力器放電室、離子光學(xué)系統(tǒng)和空心陰極（包含放電陰極和中和器）等關(guān)鍵組件切入，從結(jié)構(gòu)、材料和工作特點等方面，對離子電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)討論，并結(jié)合未來航天任務(wù)應(yīng)用需求，總結(jié)了離子電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢和存在的挑戰(zhàn)。文中的結(jié)論可以為后續(xù)離子電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展和攻關(guān)提供參考方向。