基本介紹
- 中文名：離子推力器
- 外文名：Ion thruster/engine
- 類別：空間推進
- 別稱：離子發動機
- 性能參數：推力、比沖和效率
- 作用：為太空飛行器提供動力
- 特點：推力小、比沖高
簡介,技術原理,特點,性能評價方法,現狀,研製部門,設備信息,新型推進器,離子發動機,核推進火箭,發展趨勢,
簡介
離子推進器是電推進的一種，其特點是推力小、比沖高，廣泛套用於空間推進，如太空飛行器姿態控制、位置保持、軌道機動和星際飛行等。
離子推進利用工質電離生成離子，在靜電場的作用下加速噴出，產生推力，所以又稱“靜電推進” 。離子推進的加速原理比較簡單，從理論上講，在加速過程中沒有能量損失，因此，效率較高，在1kV 的加速電壓下，就可以獲得數千秒的比沖。離子推進是開發時間最早、地面和空間飛行試驗都比較充分的一種電推進。
離子推進早在1965年，就開始進行了SERT-Ⅰ空間飛行試驗，1970年進行了SERT-Ⅱ空間飛行試驗；1997 年起，在商業衛星上正式套用；1999 年首次用作太空飛行器的主推進系統。
隨著要求衛星的工作壽命越來越長，特別是大型通信衛星，其壽命長達15年，為保持軌道定點位置，所需的推進劑越來越多，大量擠占了有效載荷的重量。因此，大型通信衛星的推進系統改用電推進已勢在必行。此外，小衛星的普遍興起，對電推進（包括離子推進）也提出了需求。
技術原理
傳統的火箭是通過尾部噴出高速的氣體實現向前推進的。離子推進器也是採用同樣的噴氣式原理，但是它並不是採用燃料燃燒而排出熾熱的氣體，不採用化學燃燒方式，而是通過電能作用於工質激發高速離子流向後推進。它所噴出的是一束帶電粒子或是離子。它所提供的推動力或許相對較弱，但關鍵的是這種離子推進器所需要的燃料要比普通火箭少得多。只要離子推進器能夠長期保持性能穩定，它最終將能夠把太空飛船加速到更高的速度。
離子推進器
離子推進器相關技術已經套用到一些太空飛船上，比如日本的“隼鳥”太空探測器，歐洲的“智慧型1號”太空船和美國的”黎明號“等，而且技術已經取得了很大的進步。未來最有希望成為更遠外太空旅行飛船推進器的可能就是VASIMR等離子火箭。這種火箭與一般的離子推進器稍有不同。普通的離子推進器是利用強大的電磁場來加速離子體，而VASIMR等離子火箭則是利用射頻發生器將離子加熱到100萬攝氏度。在強大的磁場中，離子以固定的頻率旋轉，將射頻發生器調諧到這個頻率，給離子注入特強的能量，並不斷增加推進力。試驗初步證明，如果一切順利，VASIMR等離子火箭將能夠推動載人飛船在39天內到達火星。
特點
離子電推進發動機的特點是加速度很低，可能會只有幾厘米/秒甚至更低，有人形容這種推力只能“吹動一張紙”。但與化學火箭極短的燃燒時間不同，電推進火箭提供的加速時間可以很長，因此發動機比沖很大，就是說同樣質量的工質能提供更大的總推力和最終速度。另一方面，衛星的調姿和變軌，微小推力往往就已足夠。
性能評價方法
離子推進器是一種動力裝置，評價性能的方法是在保證其推力、比沖的條件下，評價效率的高低，效率越高，說明推進器性能越好，直觀表現為在一定的推力和比衝下，離子推進器所消耗的功率越小，那么性能就越優。在進行離子推進器性能評價時，首先要測量推力和比沖，然後再測量或推算效率，或者說是測量推進劑的利用率和所消耗的電功率。
離子推進器的推力較小，通常在毫牛頓級，目前國外測量離子推進器推力的方法大致有兩種：一種是直接測量，另一種是用公式計算。由於推力較小，在地面測量時，因為重力、電纜引線和推進劑管路等的影響，會造成較大的測量誤差。為了提高推力測量的準確性，一般採用直接測量和公式計算相結合的方法來測算。一般來說，在產品開發研製初期，可以採用公式計算法計算推力，在產品基本定型後，再直接測量推力，並與公式法進行比較。目前國外測量微小推力，套用較多的是採用微量天平和雷射干涉法測量微小位移，早期還有倒擺和扭擺等機械式位移測量法。我國開發了天平法來測量微小推力的方法，但是在測量離子推進器的推力時，由於電漿的影響，使測量系統產生放電打火現象，影響測量結果。推力直接測量法的測量系統都比較複雜，而且測量過程也繁瑣，在測量時，不但需要對系統進行線上校對，而且還會產生噪聲干擾而影響測量精度，離子推進器工作產生的電漿也會對微量天平產生影響，甚至使天平無法正常工作，還需要進行禁止處理。評價離子推進器性能，除推力外，還需要測量比沖，推進劑流量和消耗功率。歐盟在對RIT－XT射頻離子推進器進行性能評價時，主要對其推力、比沖、推進劑利用率（不包括中和器流量）和總功耗進行了測量。
現狀
離子推進器將電能和氙氣轉化為帶正電荷的高速離子流，金屬高壓輸電網對離子流施加靜電引力，離子流獲得加速度，加速後的離子使推進器獲得時速高達143201千米的速度，推動太空飛行器前進。離子發動機的燃燒效率比常規化學發動機的高大約10倍。
自2012年起，經過1萬小時運轉後，中國成功在“實踐9號”科學衛星上完成XIPS-20氙離子推進器的測試工作。該推進器直徑只有200毫米，重140千克。離子推進器的主要優勢是，儘管與化學燃料發動機比，離子推進器的推動力相對較弱卻穩定、高效，使用燃料較少。在太空探索中，小直徑的離子推進器也能減小衛星的質量。我國發射的“實踐9號”攜帶的衛星上第一次使用了離子電推力技術，從此為我國的航天技術開啟了一扇新的大門。此前該種技術一直被美俄等航天強國所壟斷。
研製部門
研製部門是蘭州空間物理研究所（510）所的科研團隊。510所是國內最早開展電推進技術研究的單位，早在1974年就開始研製離子電推力系統，到了1986年研製了80毫米汞離子電推進，該成果於1987年獲得了國家科技進步一等獎，在當時達到了國際領先水平，產品水平不弱於從上世紀50年代就開始從事此方面研究的美國。可這反而成了離子電推進系統由勝轉衰的時候。由於當時科學技術的制約，以及美國也沒有開始套用，國家相關部門決定不再從事離子電推進系統的研究。而這一放就是十年。但是510所看好這項技術在未來的發展前途，並沒有解散這支科研隊伍，通過自籌資金一直維持著這支科研隊伍。並於1988年至1993年期間研製成功了90毫米氙離子電推進系統。
設備信息
實踐9號A星攜帶的離子電推進系統首次點火成功，穩定工作3分鐘，隨後又進行了第二次點火，穩定工作了近4分鐘，實踐九號A星離子電推進系統飛行試驗取得了開門紅。整個離子電推分系統包括1個推進劑貯存模組、1個調壓模組、4個流量控制模組、4台離子電推進器以及其他附屬設備，系統乾重約140千克。單台離子電推進器額定推力40毫牛，比沖3000秒左右，工作壽命在10000至15000小時之間，達到了國際先進水平。
新型推進器
新型離子推進器研製計畫是在“深空1號“探測器任務成功完成的基礎上制定的。1998年美國發射一個以驗證先進飛行技術為目的的“深空1號“探測器。該探測器由一個直徑3.048分米的離子推進器提供動力，在為期20個月的飛行任務期間，太空飛行器達到了12711千米的時速。 “深空1號“飛行任務的成功是向大功率離子推進的廣泛套用邁出的第一步。與“深空1號“離子發動機相比，NASA更高性能氙推進離子發動機可攜帶的有效載荷要多得多，壽命更長一些。
太空內推進計畫尋求研製先進的推進技術，以便極大降低NASA的科學任務的成本、減少質量和縮短行進時間。
離子發動機
離子發動機，也就是通常所說的“電火箭”，其原理也並不複雜，推進劑被電離成粒子，在電磁場中加速，高速噴出。從發展趨勢來看，美國的研究範圍幾乎覆蓋了所有類型的電推力器，但以離子發動機的研製為主，美國宇航局在其中扮演了最活進技術套用及準備計畫”。1998年10月美國宇航局發射的空間探測器“深空1號“率先實現了以離子發動機系統為主推進，這標誌著電推進的套用進入了一個嶄新階段。“深空1號“在離子推進系統工作期間，其自主導航儀能夠根據太陽電池陣產生電能的模型和器載設備功耗的情況，選擇推力器的節流級，調節推力大小。在一般情況下，彈道機動和中途修正也由離子推進系統來執行。
等離子發動機
等離子發動機歐空局已經將電推進作為未來十大尖端技術之一。法國正在研製穩態電漿推力器，歐空局準備套用氙離子推力器。歐空局向月球發射SMART－1探測器的目的之一就是驗證如何利用離子推進技術把未來的探測器送入繞水星運行的軌道。
俄羅斯的穩態電漿推力器得到了實際套用。日本的電弧加熱式推力器已在空間自由飛行器上通過在軌測試。
核推進火箭
國際上核推進技術的研發也已嶄露頭角。核推進火箭提供的最大速度增量可達到每秒22千米，可以大大縮短探測器到達月球的時間。運用核推進火箭，探測器到達土星的飛行時間只需要3年，而傳統太空飛行器則要花費7年的時間。核推進火箭非常安全而且有利於環保，這一點與人們平時的想像相反，因為發射核火箭時，放射性並不強。載有核助推器的空間探測器可作為普通化學火箭頭部的有效載荷被發射出去，當有效載荷進入地球高軌道(即大約800千米以上)時，核反應堆開始工作。
核推進火箭想像圖
核推進火箭想像圖製造核動力火箭發動機所需的技術並非遙不可及。美國已經設計出一種小型核動力火箭發動機，稱為微型核反應堆發動機，大約還要6～7年可製造出來。美國宇航局表示，它在月球探測技術方面想做的主要是加速包括核能推進在內的新推進技術的研發工作。在美國宇航局2003財年預算草案中，有4650萬美元用於核推進研究；有7900萬美元用於太空飛行器核反應堆研製。
在月球探測中，縮短到達月球的時間，使觀測衛星能以較少的推進劑攜帶更多的觀測儀器等要求，都會使電推進、核推進等高效推進技術成為最重要的技術而得以更快地發展。
發展趨勢
小型化輕便化
小型離子推進器由於傳統控制技術越來越難以滿足太空飛行器月球探測任務多樣性和姿態控制、軌道控制的高性能指標要求，先進航天國家早在20世紀80年代就著手發展太空飛行器智慧型自主技術，並在自己的空間探測計畫中逐漸增大了對智慧型自主技術的投入力度。
在軌智慧型自主技術
歐空局較早就展開了在軌智慧型自主技術的研究。美國宇航局“新盛世”計畫把智慧型自主技術放在首位，旨在研製自主太空飛行器，使深的依賴。俄羅斯和日本的航天研究機構，在自主技術方面也都開展了研發工作。印度宇航界也非常重視具有自主功能的軟體的開發。
離子推進器結構
離子推進器結構先進航天國家在“戰略規劃→研究開發→型號套用”各個層次都非常重視探測器智慧型自主技術。他們往往按照“走一步、看一步、想一步”的三步曲進行發展，即利用先進成熟技術做當前之事，與此同時大力開發試驗下一步先進技術，同時還要想到更遠的需求以便提早作技術發展的戰略規劃。
