环型离子推力器研制发展综述

杨　浩，张天平

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000）

环型离子推力器研制发展综述

杨浩，张天平

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000）

环型离子推力器的研制发展，为离子推力器在未来航天任务中广泛应用提供一个良好平台。相比传统型离子推力器，环型离子推力器设计概念更为新颖。环型离子推力器增大放电室内部的放电阳极面积、降低离子光学系统溅射腐蚀，并提高了推力器的功率水平和运行寿命。在调研国外环型离子推力器研制基础上，结合环型离子推力器早期发展、现阶段技术特点、研究现状和未来发展趋势等方面的研究，为未来新型高功率离子推力器的研制提供了一定的参考价值。

环型离子推力器；技术特点；研究现状

0　引言

离子推力器[1-2]是一种静电式电推力器，由于具有高比冲、长寿命和高可靠性特点，已成功应用于近地卫星轨道转移、位置保持和彗星采样返回等航天任务中。受到自身功率水平和运行寿命的限制，离子推力器很难实现在大型卫星平台轨道转移、月球采样返回和火星探测[18]航天任务中的应用。为突破推力器应用技术障碍，美国在1989年提出了环型离子推力器设计概念[6-12]。

不同于传统离子推力器，环型离子推力器具有环型的放电室和栅极结构，能够有效的解决放电室等离子体密度沿径向梯度大和大尺寸长寿命栅极组件稳定性差等技术难题。环型离子推力器设计概念为离子推力器的功率水平和运行寿命的大幅提升提供了有效的途径，也为新一代高比冲、长寿命和高功率的电推进发展提供较好的平台[13-17]。

1　环型离子推力器早期的发展

环型离子推力器设计概念最早由美国电推进实验室的Aston等[25]于1989年提出，是为解决当时离子推力器推力水平较低和尺寸大幅提升的难题。环型离子推力器基于当时发散型离子推力器[3-5]研制水平，将离子光学系统和放电室设计为环状结构，如图1所示。推力器工作原理是空心阴极发射的电子，通过空心阴极和环型离子光学系统支撑结构的狭缝进入放电室，电离推进工质产生等离子体，等离子体中的离子被离子光学系统加速引出形成推力。

图1　环型离子推力器结构

同年研制用于试验测试的50 cm环型离子推力器原理样机，获取推力器的放电特性、温度特性和离子电流特性。结果表明该推力器基本满足初步设计要求，为后续试验研究奠定了基础。

1992年Aston等[26]研制一副50 cm环型离子光学系统，结合推力器原理样机开展热循环测试和束流引出测试，得到离子光学系统的热/力学特性和工作性能特性，结果显示离子光学系统性能特性良好，为离子光学系统正样产品研制提供数据参考。

1995年Aston等[27]在先前研究基础上，研制一副50 cm环型离子光学系统正样产品，装配至样机进行了试验测试，获取环型离子推力器的工作性能特性，结果表明环型离子推力器设计概念和制造拥有较高技术成熟度。

环型离子推力器工作测试完成后，为使环型离子推力器输入功率进一步提高，提出一种新颖的设计概念[27]，结构如图2所示，双放电阴极安置于放电室内，中和阴极安置于推力器轴向中心位置。受制于上世纪90年代离子推力器研制水平和应用需求，新概念的环型离子推力器未被研制，且原有环型离子推力器的研究也停滞了。

图2　环型离子推力器新结构

2　环型离子推力器现阶段技术特点

为实现离子推力器广泛应用于未来航天任务的目标，2012年NASA格伦研究中心（Glenn Re⁃search Center）重新开启环型离子推力器研制大门，研制了用于试验测试的环型离子推力器原理样机。下面对格伦研究中心环型离子推力器技术特点进行介绍。

2.1环型离子推力器的结构与原理

2012年NASA格伦研究中心Patterson等[28-29]提出的环型离子推力器原理，如图3所示。推力器为直流轰击型离子推力器，相较于Aston的设计概念，该环型离子推力器结构和技术上变化明显，可概括为五点：（1）环型结构双阳极面放电室；（2）环型结构平面栅极；（3）磁极交替分布的环形会切磁场；（4）单放电阴极位于放电室底部径向中心位置；（5）中和阴极位于推力器外部轴向中心位置。

图3　格林中心环型离子推力器结构

2.2现阶段环型离子推力器优势

2.2.1现阶段环型离子推力器较早期推力器的优势

通过对比分析，现阶段离子推力器优势有三点：（1）降低放电损耗。现阶段环型离子推力器将放电室内部磁场构型由发散型改为环形会切型，更好地约束等离子体，增大放电压体积，降低放电电压，进而提升电离率；（2）减少原初电子损耗。放电阴极发射的原初电子直接通过阴极孔发射进入放电室，取消了阴极挡板结构；（3）减轻推力器重量。中和阴极的设计布局，使推力器等离子体产生机构、离子光学系统和中和机构有效结合，从而推力器结构布局紧凑，去除中和器支撑结构，减轻了推力器重量[25]。

2.2.2现阶段环型离子推力器较传统推力器的优势

以XIPS-8cm[7]离子推力器为例，结构如图4所示。将图3和4进行对比分析，环型离子推力器有三个优势：（1）推力器功率和推力水平大幅提升。环型放电室在固定束流直径下，双阳极增大放电面积，使放电电流和束电流增大，进而提升推力器的推力和功率水平；（2）解决大尺寸栅极组件的结构稳定性。离子光学系统采用平面环型结构，拥有较小的跨度间距比（span togap ratio）[29]，提升离子光学系统的热/机械稳定性；石墨代替钼作为离子光学系统的材料，降低了栅极溅射刻蚀，解决大尺寸长寿命栅极的制造难题；（3）缩小推力器外部轮廓，便于安装[28]。中和器与推力器结构一体化，使推力器不需要中和器外部固定支撑机构，缩小推力器外部轮廓，方便在航天器上安装。

图4　XIPS-8cm离子推力器结构图

2.3现阶段环型离子推力器问题

尽管新型环型离子推力器拥有很多优势，但是其劣势也是不可忽略的，其劣势主要表现在：放电阴极的非对称结构分布使放电等离子体分布出现局部不均[29]，进而影响推力器运行寿命。

3　环型离子推力器的研究现状

NASA格伦研究中心环型离子推力器原理样机放电室内、外径分别为8 cm和42 cm[28]。为验证样机设计概念合理性和后续研究开展必要性，分别开展放电特性、工作特性和石墨平面离子光学系统特性的研究。

3.1放电特性研究

环型离子推力器放电阴极非对称分布结构，会导致推力器工作过程中放电等离子体分布不均匀，进而影响推力器的工作稳定性和运行寿命。放电特性研究过程中，打孔平面电极代替离子光学系统进行束流引出。平面打孔电极不同径向位置安装电流密度测量探针[28]，收集各工作情况下束流离子电流密度，探针安装位置如图5所示。以NEXT离子推力器工作点为基础，推力器样机设定11个工作点[28]，放电电流（Id）范围为12.4～48 A。收集电流分析结果如图6所示，表明样机放电工作稳定。

图5　探针安装位置图

图6　工作情况下的放电均匀性曲线图

3.2工作特性研究

放电特性研究完成后，环型离子推力器安装配套离子光学系统，进行工作特性研究。研究过程中，利用可移动法拉第杯阵列装置获取推力器束流参数[30]，该装置可测量推力器下游任意轴向和径向位置的束电流密度的大小。

环型离子推力器样机工作在NEXT离子推力器工作点，放电损耗结果如图7所示，完全满足不高于400 W/A设计要求；束流均匀性和平直度结果，如图8和9所示。结果显示束流均匀性保持在95%以上，束流平直度高于0.85，且二者随着束流的增加而增加[30]。

图7　推力器的放电损耗曲线图

图8　推力器的束流均匀性曲线图

图9　推力器的束流平直度曲线图

3.3石墨平面离子光学系统研究

格伦研究中心将环型离子推力器分别装配石墨平面和金属球面离子光学系统进行研究[31]。结果如图10、11所示，使用石墨平面离子光学系统后，固定工作情况样机效率得到提升、束流轮廓更加平直。

图10　石墨平面和金属球面离子光学系统的性能特性

图11　石墨平面和金属球面的离子光系统束流轮廓

4　环型离子推力器未来发展

目前，格伦研究中心在研制放电室内、外径为25 cm和65 cm的环型离子推力器[28，31]，以实现推力器更高功率和更大推力的工作能力。除此之外，以大尺寸环型离子推力器为基础多环离子推力器和混合推力器的研发，也为电推进未来多任务的应用提供有效途径。

4.1多环离子推力器

多环离子推力器概念如图12所示，由多个不同尺寸环型离子推力嵌套而成，每个尺寸的推力器拥有其各自调节范围，且随着尺寸的增加功率也随之增大[28-32]。多环离子推力器的优势是通过制造不同环数或选择不同尺寸的离子推力器工作，满足航天多任务中高功率、宽调节范围的要求。

4.2混合模式推力器

混合推力器概念如图13所示，在环型离子推力器内部（也有可能是外部）安装霍尔或化学推力器，组成一种新型的推力器，推力器可在两种不同的模式下工作[27-28，31]。混合模式推力器优势是结合两种不同模式的推力器使其性能覆盖范围更广，例如霍尔推力器和环型离子推力器的相结合可以使推力器的比冲范围达到1 500～5 000 s[31]；环型离子推力器和化学推力器相结合，使混合推力器拥有高比冲和大推力的性能特性。

图12　多环离子推力器概念图

图13　混合模式推力器概念图

5　结论

环型离子推力器设计概念，在传统离子推力器技术基础上进行结构创新，使环型离子推力器即继承原有发展技术，又实现了技术创新，为电推进研发提供一种新的模式。环型离子推力器样机研究过程中，推力器放电阴极非对称分布结构不会严重影响工作稳定性和运行寿命，具备高功率和大推力的能力，且石墨平面离子光学系统对于改善推力器性能十分有效。环型离子推力器的优秀设计理念、良好工作性能以及光明的发展前景，为未来新型电推进发展提供了一个有参考价值的研究方向。

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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

杨浩（1989-），男，新疆昌吉人，硕士研究生，从事空间电推进技术研究。E-mail：automouse@sina.cn。