离子推进器

离子推进器(Ion thruster)，又称离子发动机，是一种动力装置，可为航天器提供动力，离子推进器是电推进的一种，特点是推力小，比冲高，其性能评估重点为推力、比冲和效率。^[1]离子推进器工作原理是利用电子轰击原子产生离子，然后在强电场的作用下将离子加速喷出来，通过反作用力推动飞行器进行姿态调整或者轨道转移等任务。^[2]按照产生离子的方法，可以将离子发动机分成三类：电子碰撞电离式离子发动机、射频电离式静电离子发动机、场发射电离式静电离子发动机。^[3]

1959年，第一台离子喷射发动机由美国物理学家Harold R. Kaufman在NASA制造，并成功测试通过。^[2]离子推进器主要由电离室、离子光学系统、空心阴极、中和器四个部分组成。^[3]离子推进器广泛应用于空间推进，如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。^[1]

美国自上世纪50年代起在离子推进器方面投入了大量的研究。 1959年，美国物理学家Kaufman成功的开发了第一台电子轰击式离子推进器。^[2]随后，欧洲Thales公司的HEMP（高效等离子推进器）发动机和霍尔效应推进器，都避免了使用电极格栅来对离子进行加速，从而避免了高速离子对格栅的冲击与腐蚀。^[4]

1964年，NASA发射的 SERT1飞行器搭载Glenn研究中性设计的一 台8cm铯sè离子发动机和一台直径10cm汞离子发动机 进行飞行试验 。 随后在1970年发射的 SERT2 的试验飞行器携带两台经过改进的直径18cm的离子发动机进行飞行试验。^[2]

俄罗斯在1969年试验了铯接触式离子发动机 ，重点是研究中和器的中和效果；1982年~1985年间，研制出PIT 200C 、 PIT 200R离子推进器。^[2]

1996年左右，俄罗斯克尔特什研究中心研制出了功率在500W 、直径分别为5cm和10cm的电子轰击式离子发动机IT 50和IT 100。^[2]

1997年，泛美卫星公司开发的PAS5通信卫星成功发射 ，其中搭载了进行南北位置保持的13cm直径的氙xiān离子发动机。这是离子发动机首次用于南北位置保持。^[2]

1998年，美国深空一号DS1探测器成功发射 。离子电推进系统的成功应用是本次探测任务的重要保障，使深空一号在完成技术验证 首要任务之后进一步执行深空探测任务 。同年，日本三菱电子公司尝试研究开发了用于工程试验卫星ETS 6主推进的直径12cm的氙离子推进器。^[2] DS1于探测器1999年完成与1992KD小行星交汇，在2001年完成与Borrelly彗星交汇任务，获得大量科研数据。 ^[2]

2001年7月12日，第七枚商用阿丽亚娜5型运载火箭进行双星发射时，由于上面级发动机不稳定燃烧导致卫星进入了比预定轨道低很多的无用轨道。这是阿丽亚娜5型运载火箭正式投入使用以后第一次遇到故障，这时它搭载的RITA-10离子推进器力挽狂澜，在7年中累计工作7500小时，消耗了14.2公斤的推进剂，最终使航天器到达了预定轨道。为此，欧洲空间局停止了2001年阿丽亚娜5型运载火箭的其他发射任务，并成立了专门的故障调查小组对故障原因进行调查，2002年3月再次恢复发射。^[5][6]

2002年，日本宇航研究所（ ISAS ）的MUSES C小行星探测器发射成功， 该探测器使用电子回旋共振式离子推进系统调整飞行轨道。 2004年3月底， 探测器的推进系统成功运行10600小时。 2004年5月完成变轨， 2005年到达行星，并于2007年返回地球。^[2]

2007年9月 ，“黎明号”深空探测器发射成功，这是 NASA “探测计划”的第九次成功发射的探测器，其主要使命是关于Ceres和Vesta二颗小行星进行科学研究。2009年2月探测器穿越火星。^[2]

2007年9月27日，美国NASA黎明号发射升空，2011年7月16日抵达灶神星轨道。它使用离子推进器作为主要的推进系统，同时也装备了太阳能电池板以供应电力。在灶神星轨道上，黎明号对灶神星的表面和内部进行了详细的研究，获取了大量的科学数据。^[7]

2009年3月27日，欧航局ESA发射了一个名为GOCE的卫星探测器来探测地球重力场和海洋环流，是欧洲首颗利用高精度和高空间分辨率技术提供全球重力场模型的卫星。^[6][8][9]

2012年9月5日，黎明号离开灶神星轨道，前往小行星带中的另一颗行星——谷神星（Ceres）进行探测。^[2]

2015年3月6日4时39分(北京时间6日20时39分)，“黎明”号探测器在距离谷神星6.1万公里时被谷神星的引力捕获。随后，美国航天局喷气推进实验室控制中心于5时36分(北京时间21时36分)接收到“黎明”号的信号。信号显示，该探测器运行良好，其离子推进器工作正常，“黎明”号已按计划进入谷神星轨道。^[2]

20世纪70年代，中国兰州物理研究所开始对离子发动机进行研究。^[2]

1986年，中国兰州物理研究所成功研制出LF 8直径8cm的汞离子发动机， 其推力为 5mN 、比冲2650s 、推进剂的有效利用率为83%。^[2]

1988年，兰州物理研究所在LF 8的基础上开始研制直径9cm的LF 9离子发动机，于1993年完成LF 9试验机，其推力为10mN 、比冲为 2980s 。 2~4台LF 9离子发动机可以承担1~2吨的同步卫星的位置保持与姿态控制任务长达十年。 ^[2]

2016年1月，中国航天科技集团公司第五研究院502所专家向客户展示了新一代离子发动机，其全线性能高于卫星和飞船目前使用的同类产品，此款离子发动机的加速度可达30公里/秒，中国将成为世上首个在高环地轨道卫星上测试最新技术的国家。^[10]

火箭发动机（rocket engine）是一种自备燃料和氧化剂，无需利用外界空气或其他介质的喷气发动机。^[11]

离子推进器不同于传统化学火箭发动机，这类发动机的推进剂不进行化学反应，所以需要额外的电能。这部分能量可以通过太阳能电池板获得，除了以氙气作为推进剂的方式，离子推进器还可以通过钚bù元素衰变电池来补充电能——钚元素衰变电池。它是利用钚238的衰变生成铀yóu234并释放一个阿尔法粒子产生的热量来发电，虽然效率极低只有3-5%，每一公斤的钚元素只能提供30瓦左右的电能，但是它的半衰期为87.7年，因此可以长时间稳定的供给电能，不受外界影响，好奇号火星探测器也将它作为电能来源，不过但其售价约为同质量氙气的3600倍。^[6]

以氙气为推进剂气体的离子推进器为例，离子推进器采用氙气推进剂气体，其通过工质分配器和空心阴极进入放电室。放电室空心阴极放电产生电子通过电场加速，形成高能电子。一部分电子在加速过程中轰击中性工质氤，形成等离子体。放电室的周围在永磁体作用下形成环形磁场。在磁场的作用下离子只能向放电室下游运动而不会向四周扩散。离子从放电室下游进入离子发动机光学系统。离子发动机光学系统是离子发动机的核心部件，包括加速栅极和屏栅极。屏栅极和加速栅极之间有极高的电势差，离子在屏栅极与加速栅极之间的强电场作用下经过聚焦加速，形成高速离子流向后喷出。为防止推进系统带上负电荷和离子束扩散，通过加速栅极下游区的中和器向高速离子喷射电子，使喷出的离子获得电子以中性原子的形式喷出。^[2]

离子发动机的推力器由电离室、离子光学系统、空心阴极、中和器四个部分组成。^[3]

电离室有一个圆柱形外壁，一个圆形底面，二者均有磁性并保持在阳极电势上，空心阴极与点火电极位于电离室内，周围无防护结构。磁场一般由三个环形永磁铁产生。三个磁铁中一个位于底面，另两个位于侧壁上，从而在电离室内形成了三个磁场尖环。磁铁是一个可变换磁极方向的圆环，磁力线终止于阳极表面。^[3]

没有磁场的电离室几乎是不能工作的，磁场是电离室的关键部分，主要用来约束电离室内由气体放电形成的放电等离子体。阴极发射的电子叫做初级电子，电离室内还有热电子。并不是每个初级电子都会电离一个中性原子。^[3]

光学系统用于将离子发电机的光束引导到目标位置，主要由屏幕电极与加速电极组成，用于聚焦和准直光束。通过调整光学系统的参数，可以控制光束的大小、形状和方向。电场分布、粒子数密度的分布、引出离子束的电流等。离子发动机光学系统主要由屏栅极和加速栅组成，是离子发动机的关键部分，直接影响离子发动机的功率、推力、效率等性能。^[2]

空心阴极是离子发动机的关键部件，其工作参数与结构的选择将很大程度上决定离子发动机的性能好坏。空心阴极通常放置在电离室内提供初级电子。空心阴极一般比固体棒状阴极寿命长，主要由耐高温的圆柱管、点火电极、电阻加热器等组成，其核心结构是钽tǎn、钼mù等耐高温的导体材料制成的圆柱管，管的一端里面套有一个直径稍小的由钽或钨制成的长度为20mm的多孔圆筒。圆筒材料中掺入了一定量的低功函数组份，电子主要由这些低功函数材料产生。阴极的该端前面焊接一个中心有一个小孔的钍tǔ钨合金罩。在钽管的外表面缠绕热电阻，用于阴极放电启动前的加热。大多数空心阴极都要在阴极前面很近的地方装上点火电极。点火电极位于阴极前端。点火电极更易启动阴极放电，其作用相当一个阳极。^[3]

中和器发射出电子以进入离子流中和离子。这非常必要，因为如果尾流带走了大量正离子，那么飞行器将带负电，使离子流减速，甚至反弹回来，影响发动机工作。中和器应放在适当位置以减少尾流中离子的飞溅，并保证有效的中和。中和器的原理与空心阴极基本一样。加速电极必须维持足够低的电压以防止电子流逆流到电极上，一旦流过加速电极，电子就会进入电离室。^[3]

按照产生离子的方法，将离子发动机分成三类：电子碰撞电离式离子发动机、射频电离式静电离子发动机、场发射电离式静电离子发动机。^[3]

电子碰撞电离式离子发动机的基本原理是，采用一定的方法将原子分解为离子与电子。在静电场的作用下，加速喷射而出。加速后的离子流由中和器释放出来的电子中和。在电子碰撞电离式离子发动机中，电子在阴极加速下具有足够的能量与原子碰撞并使之电离。电离产生的离子会被加速并喷射出来，从而实现电能的转换。^[12]

射频电离式静电离子发动机利用射频电离技术来产生离子。射频电离器通过在电极之间施加高频率的电压来产生交变电场，电场能够将气体分子电离成正离子和自由电子，离子会被加速并喷射出来，从而实现电能的转换。与电子碰撞电离式离子发动机相比，射频电离式静电离子发动机的优点在于其能够更有效地将气体分子电离，并且产生的离子流更加稳定。^[13]

场发射电离式静电离子发动机利用了场致发射效应来产生离子。在强电场的作用下，阴极表面的电子会被加速并沿着表面射出，形成电子束。这个电子束可以用来电离气体分子，产生的离子会被加速并喷射出来，从而实现电能的转换。与前两种离子发动机相比，场发射电离式静电离子发动机具有更高的能量转换效率和更长的寿命。^[13]

当在电离层中飞行时可以躲避敌方雷达波的照射，从而为取得制空权和战争的主动权奠定了基础，特别是作为高空侦察机的动力装置，其侦察能力将大大提高。^[14]

在太空中飞行时，可以解决远距离飞行中动力源不足问题，使人类的探测目标向宇宙的更深处延伸。中国发动机发展状况与发达国家还有很大的差距，但在离子研究方面已经跻jī身世界前列，如正负离子对撞机、电子回旋加速器等，离子发动机本身就是一个新型的发动机，有很广阔的应用前景。^[14]

阿丽亚娜5型运载火箭进行双星发射时，由于上面级发动机不稳定燃烧导致卫星进入了比预定轨道低很多的无用轨道。这是阿丽亚娜5型运载火箭正式投入使用以后第一次遇到故障，这时它搭载的RITA-10离子推进器力挽狂澜，在7年中累计工作7500小时，消耗了14.2公斤的推进剂，最终使航天器到达了预定轨道。^[6]

泛美卫星公司开发的PAS5通信卫星搭载了进行南北位置保持的13cm直径的氙离子发动机，这也是离子发动机首次用于南北位置保持功能，借此，离子发动机也真正进入了商业应用阶段 。^[2]

一般来讲变轨飞行需要较大推力(几百至上千牛)，所以，以低推力等离子发动机作为主推进系统进行轨道转移时，不可能获得以化学推进作为主推进系统时的速度增量，它是在与航天器轨道面垂直的圆周方向连续产生速度增量，围绕轨道半径以极其缓慢地速度增量螺旋上升。这样，完成轨道转移任务往往需要几个月至1年以上，航天器绕地球大约要转1000周以上。^[15]

虽然离子发动机已经能够提供相对较高的推力和加速度，但科学家们仍在努力提高这些参数以满足未来的需求。通过改进离子源和提高电场强度，从而实现更高的离子加速速度，从而增加推力和加速度。比如，2020年6月，俄罗斯航天集团通报称，该集团下属凯尔迪什科研中心成功实现了ID-200 KR新型离子火箭发动机点火试验。据悉，该款离子火箭发动机的功率为3000瓦，比冲量达4500秒。^[16]

离子发动机的设计主要侧重于提高效率和性能，随着技术的不断进步，通过对发动机的几何形状、离子能量分布、电场和磁场等方面的优化，进一步提高其性能。比如，2023年11月6日，美国国家航空航天局（NASA）和航空航天公司AeroJet Rocketdyne成功完成了先进电力推进系统（AEPS）的资格测试。其功率输出可达到12千瓦，足以为1330多个LED灯泡供电，是目前生产的功率最大的离子发动机，对于未来在月球及其他星球的科学和探索任务至关重要。^[17][18]

离子发动机使用电能来加速离子，需要可靠的电力供应。开发出使用可再生能源（如太阳能、风能等）的离子发动机，那么这种发动机将在空间探索中发挥更大的作用。世界上第一个采用太阳能离子发动机作为主要推进系统的探测器SMART-1，只消耗了75kg燃料，就实现了从地球停泊轨道到环月轨道的转移，其中燃料氙的利用率比传统化学燃料高10倍。^[19]

离子推进器有诸多好处，但也有它的局限性，因为航天器的电功率有限，它的推力非常受限，只有几十毫牛，大约就是一张纸的重量。如今它主要被应用在卫星的姿态控制动力系统，因为它的比冲非常高，如果用它来代替传统化学火箭发动机完成卫星从GTO(地球同步转移轨道)到GEO (地球同步轨道)的变轨，可以节约大量重量。^[6]