0引言 自1906年戈达德（Goddard）提出电推进概念以来，经过长期的技术发展，电推进已经成功地在航天工程中得到应用，其中，离子电推进是最具代表性的电推进技术类型之一。离子电推进以离子产生、离子加速和离子中和等3个主要工作过程的相对分离为内在特征，以应用离子光学系统（栅极组件）完成对放电室离子的分离、聚焦和加速引出为外在特征。 在文献中离子电推进又称为带栅极电推进。离子电推进经过优先发展已经具备很高的技术成熟性，但由于当前和未来航天任务对电推进提出了更高的要求，传统离子电推进技术的局限性正变得日益突出。由此，非常有必要对离子电推进技术发展进行一次全面总结，并通过离子电推进技术的创新发展，扬长避短，持续发挥离子电推进技术对未来航天任务的支撑作用。 1离子电推进的技术发展现状 技术相对成熟的离子推力器有直流放电（电子轰击或考夫曼）、射频放电和微波放电（电子回旋谐振）等3种类型。图1为3种离子推力器的基本组成，主要包括放电室、放电阴极和中和器阴极、离子光学系统（栅极组件）等，其中射频放电和微波放电推力器没有放电阴极。 图 1 传统离子推力器的基本组成 离子推力器的技术发展以更好的性能、更长的寿命、更高的可靠性为追求目标，下面分别以推力器主要组成为技术载体，简要介绍传统离子推力器技术的发展历史及现状。 1.1放电室设计技术 离子推力器放电室通过气体放电产生等离子体，放电室设计技术以降低离子产生成本（放电损耗）、提高推进剂利用率和等离子体分布均匀性为目标，具体涉及推进剂选择、放电类型、磁场拓扑等主要技术。 1.1.1推进剂选择技术离子电推进对推进剂的技术要求涉及推进性能、贮供性能、兼容性、供应成本等方面。推进性能要求主要包括较低的一次电离能和较高的二次电离能、较大的电离碰撞截面、较高的原子质量等；贮供性能要求主要包括贮存密度大、贮存压力低、流率控制精确可调等；兼容性主要包括无毒或低毒性、化学反应活性低、对推力器及航天器无污染等；供应成本主要包括价格相对便宜、供应量充足、运输等地面操作方便等。离子电推进的推进剂技术发展经历了3个阶段。 第1阶段以汞和铯为推进剂，铯电离能最低，但因化学活性太强和污染问题严重而被放弃。汞的推进性能非常好，但由于存在毒性、液态贮存、航天器污染、金属化合反应等工程应用问题，20世纪80年代开始逐渐被氙气取代。 第2阶段以氙气为推进剂。氙气的推进性能几乎与汞相当，且无毒、无污染、气态贮存，由此发展了相对完整的氙离子电推进技术，并推向航天工程应用。 第3阶段正在研究多元化的推进剂，见本文3.4节。 1.1.2放电室气体放电技术 离子推力器放电室通过不同放电类型产生等离子体。德国吉森大学发展了射频放电类型，日本空间与航天科学研究所（ISAS）发展了微波放电类型，英国皇家航天公司（RAE）、美国刘易斯研究中心和休斯实验室、中国兰州空间技术物理研究所（LIP）、日本国家航天实验室（NAL）分别发展了直流放电类型，螺旋波放电类型还处于发展之中。不同放电室类型具有各自的技术优劣性，概括来说：电子轰击放电类型具有功率适用范围宽、中高功率范围效率高、供气和配电要求复杂等特点；射频放电类型具有等离子体密度较高、供气和配电相对简化、大中小功率范围均适用等特点；微波放电类型具有小功率性能较好、供气和配电最简单等特点；螺旋波放电类型具有电离效率高、适用多种推进剂、等离子体密度调节范围宽等特点。 1.1.3放电室磁场拓扑技术 内部磁场对增强放电室效率和实现等离子体均匀分布具有关键性作用，针对电子轰击类型放电室发展了多种放电室内部磁场拓扑技术。美国、英国、中国等在早期均采用发散磁场拓扑结构，磁场由螺旋管电磁方式产生，主要优点是放电室性能调节范围宽、容易实现快速精确调节，明显的不足是离子产生成本较高，等离子体分布均匀性差。为解决发散场的问题，美国休斯实验室发明了环型会切场放电室，磁场由永久磁体产生，在放电室周围形成特定的汇聚形状分布，显著降低了离子产生成本，改善了均匀性，成为后来各国电子轰击放电室采用的主流技术。兰州空间技术物理研究所发明了柱型会切场拓扑结构，相对环型会切场而言，能够实现更高的推进剂利用率，但等离子体均匀性略差。图2为典型磁场拓扑结构。 图 2 直流放电室典型磁场拓扑类型 随着高功率下放电室尺寸的进一步扩大，电子轰击放电室的磁场拓扑向多极环型会切场发展，不仅磁极数量增多，而且磁极间距可优化调整。 1.2离子光学系统技术 离子光学系统在离子推力器上具有独特性并扮演多重角色，在功能上它从放电室等离子体中引出、加速、聚焦正离子形成喷出束流，在性能上它很大程度决定离子推力器的推力和比冲，它还是影响离子推力器工作可靠性和寿命的关键组件。离子光学系统技术发展主要集中在栅极结构与材料、栅极组件、组装等技术方面。 1.2.1栅极结构与材料技术 由于具有最高的几何透明度，有利于提高离子引出效率，基于薄板多孔结构的正六边形孔阵列离子光学系统被保留并一直沿用至今。在孔径选择上基本形成定论：小孔径有助于减少中性原子流失，有利于提高栅极结构的强度和刚度，适用中低束流密度工况；大孔径有利于束流引出，适合高束流密度情况应用。为补偿放电室等离子体分布均匀性差的问题，发展了变孔径栅极技术。对栅极材料的要求包括导热性好、热膨胀小、耐高温、强度和刚度高、可加工性好、抗离子溅射等方面，钼已经成为工程应用离子光学系统的主流材料。 对钛材料栅极的技术研究表明，其抗离子溅射能力比钼高出6倍，但其热稳定性较差。栅极材料最有发展前景的是碳碳复合材料和石墨材料，在热稳定性、抗离子溅射等方面相对钼和钛至少提高一个量级，最大的技术难题来自加工制造，目前只有小尺寸的碳基材料栅极获得应用。 1.2.2栅极组件技术 离子推力器栅极组件经历了双栅、三栅和四栅的技术发展进程，由屏栅和加速栅组成的双栅组件最为常见，其主要优点是结构简单，最大问题是加速栅受到交换电荷离子溅射腐蚀严重。为解决双栅的这一问题，提出了在下游增加减速栅的三栅极组件技术，处于地电位或空间浮电位的减速栅能够有效减弱加速栅的交换电荷腐蚀，而自身离子溅射腐蚀很小，但三栅极带来的结构复杂性问题不容忽视。为解决双栅和三栅都存在的进一步提高推力器比冲和保持离子引出效率之间的内在矛盾，提出和验证了四栅极技术，详见本文3.2节。 1.2.3栅极组装技术 栅极通过组装成为栅极组件，组装技术需要解决栅极之间的孔对中性、栅间距均匀性和热形变一致性等难题。平面栅组装在对中性和间距均匀性方面最具优势，但由于其热形变一致性差而被放弃。为保证热形变一致性采用了曲面栅极组装技术，且工程上采用曲面栅边缘补偿设计抑制束流发散效应。 栅极组装的最大挑战是耦合于热形变下的热动态栅间距均匀性，工程解决方案为： ①采用受控的非均匀间距技术； ②采用应变释放技术。 受控的非均匀间距技术采取栅极边缘固定约束，栅极热形变过程中栅间距控制在容许范围，且冷态和热态下栅间距不完全一致，但对性能和寿命没有不可接受的影响。应变释放技术通过栅极热应变的向外释放来保证热态和冷态下间距基本一致，栅极边缘为非固定安装，释放方式包括栅面边缘上开槽、柔性安装以及安装环上开应力释放槽等。 1.3放电阴极和中和器阴极技术 自美国休斯实验室在20世纪70年代首次应用基于低功函数电子发射材料的空心阴极中和器以来，热发射电子空心阴极因其工作寿命长、电子发射密度大、功耗小、兼容性好等优势，成为离子推力器放电阴极和中和器阴极的主流。同时，还有基于高频电磁波激励的无发射体阴极技术。空心阴极技术主要涉及发射体、加热器、关键结构与材料、工作模式等方面。 1.3.1发射体技术 空心阴极发射体是热电子发射的基础材料及结构，主要要求包括功函数低、电子发射密度高、化学稳定性好、热蒸发损失小等。经过发展演变，空心阴极发射体材料逐渐聚焦在钡钨发射体和六硼化镧发射体两大类上。钡钨发射体在多孔钨基体上浸渍氧化钡、氧化钙、氧化铝等三元氧化物层，三元氧化物比例可以根据不同发射电流和寿命需求确定，在离子电推进中常用的比例有５∶３∶２、４∶１∶１、３∶１∶１等。六硼化镧发射体为粉末烧结压制多晶结构，其功函数在2.7eV左右。六硼化镧发射体除了工作温度高外，在抗化学反应影响、更高电子发射密度、更长工作寿命实现等方面相比于钡钨发射体具有明显优势，随着空心阴极发射电流增大到上百安培，六硼化镧发射体的优势将变得更加突出。射频和微波离子推力器正在发展无发射体的空心阴极中和器技术，放电室和中和器共用同一射频源或微波源，显著简化了系统配置。 1.3.2加热器技术 空心阴极启动工作过程和钡钨发射体活化均需要加热器，加热器是空心阴极点火可靠性和开关次数寿命的关键影响因素。离子电推进空心阴极实际应用的加热器有螺旋缠绕式和铠装（鞘式）两种类型。螺旋缠绕式为实心电阻加热丝螺旋缠绕而成，导线之间用结构陶瓷绝缘，陶瓷与加热导线的集成方法有先机械加工好陶瓷后进行缠绕和加热丝与泡沫氧化铝整体镀敷烧结而成两种。铠装加热器为同轴电阻加热丝盘绕模压而成，内外导体之间用绝缘材料分隔，端部内外导体焊接在一起形成从内导体到外导体的加热电流回路。常用的电阻加热丝包括钽丝、钨丝、铼钨丝等。人们一直在研究冷启动空心阴极技术，也就是在无加热器情况下，采取大气流放电及能量沉积实现空心阴极快速启动。 1.3.3关键结构与材料技术 除了发射体和加热丝材料外，空心阴极的关键材料还包括阴极管、阴极顶、触持极材料等。常用的阴极管材料为难熔金属，包括铈钨合金、钽、钼、钼铼合金等。阴极顶中心开有直锥小孔，孔径大小根据最大发射电流和考夫曼准则确定，以便把阴极孔的溅射腐蚀控制在较低的水平，常用的阴极顶材料为铈钨合金、钼、钍钨合金等。触持极从最早圆环型开放结构，到后来圆盘型开放结构，最终定型为现在圆筒型闭合结构。闭合型触持极结构能够改善阴极内部热环境，提高阴极工作效率。由于触持极在离子推力器上经受的离子溅射是空心阴极中最严重的，对其抗溅射能力具有更高要求，因此，触持极一般选择钼、钛、石墨等具有良好抗溅射腐蚀能力的材料。 1.3.4工作模式技术 在一定发射电流下由大到小调节供应流率，空心阴极依次经历斑点模式、过渡模式和羽流模式。3种工作模式下，下游等离子体分布形状、触持电压振荡和等离子体势分布差别显著，寿命试验表明斑点模式下溅射腐蚀最小，羽流模式下溅射腐蚀最大。分析认为，斑点工作模式下等离子体的电势振荡小且分布相对均匀，而羽流模式下正好相反，从而随机产生高能离子造成溅射腐蚀加剧。基于以上工作模式影响，为保证空心阴极实际工作中的长寿命，流率供应不仅要让空心阴极工作在斑点模式，而且要留有远离过渡区的安全裕度。 1.3.5无发射体阴极技术 无发射体阴极技术包括射频和微波阴极技术。射频阴极属于感性耦合气体放电等离子体源，通常采用2MHz左右的射频源作为激励。微波阴极一般属于容性耦合放电等离子体源，通常采用＞1GHz范围的微波源作为激励。射频和微波阴极目前的电流发射能力，实验室测量值，氙推进剂分别为23~32mA/W，氩工质稍低。射频和微波阴极的设计关键是天线类型。 1.4传统离子电推进的技术优势与缺憾 相对其他类型电推进而言，以双栅或三栅为代表的传统离子电推进具有非常突出的技术优势，主要包括： ①工作性能的宽范围灵活调节性。通过放电室流率、放电电流、屏栅电压的组合优化调节，在保持较高效率的前提下实现推力20∶1、比冲3∶1、功率10∶1的宽范围调节。 ②容易实现高比冲。对单级加速栅极系统和氙气推进剂，只需增大屏栅电压和保持合适的栅间距便可实现8000s比冲。 ③总效率高。离子电推进总效率相对霍尔电推进至少高出10%，成为仅次于胶体电推进的次高效率电推进技术。 传统离子电推进有着明显的技术缺憾，主要包括： ①受离子光学系统空间电荷效应影响，推力器推力密度较低，推力器尺寸相对较大。 ②对供电、供气系统的配套要求较高，如电源数量多且电压高。 ③实现高可靠性工作的技术挑战多，如栅间高电压击穿打火等。为扬长避短并保证航天工程应用可靠性，传统离子电推进产品往往采取多方面的技术措施和优化折中方法。例如为了实现推力器的长寿命，在保证比较好的栅极热稳定性和热形变一致性前提下，离子光学系统的工作束流密度保持在极限束流密度的一半左右，且尽量提高束流平直度；再如为了减少栅间高压击穿打火，在保证栅极热稳定性和热形变一致性的同时，主要通过栅间距和工作电压的优化折中实现。 2离子电推进面临的技术挑战 2.1离子电推进高功率化发展的技术挑战 未来中长期航天计划应用的离子电推进功率范围将扩展到100~1000kW，例如机器人深空探测、可重复使用轨道转移运载器等航天任务需要的电推进功率达到20~100kW，月球、近地小行星、火星等载人深空探测需要的电推进功率将达到几百千瓦到兆瓦级。传统离子推力器实现高功率的最主要途径只有增大放电室和离子光学系统的尺寸，大尺寸栅极组件成为高功率化的关键制约因素：尺寸越大抗力学能力越差，热形变控制难度越大，制造和组装难度也相应提高，增加栅极厚度和增大栅间距与实现离子高效引出成为主要矛盾。 综合分析表明：传统离子推力器可以实现工程化应用的栅极直径上限为60cm，对应的最大功率55kW。也就是说基于传统离子电推进实现500kW/1MW功率电推进系统，需要配套10/20台束流直径60cm离子推力器。由此可见，传统离子电推进高功率化陷入困境。 2.2离子电推进超高比冲化发展的技术挑战 应用电推进的最重要因素是它的高比冲特性，为保证航天器任务具有适当的载荷比，载人深空探测任务至少需要4000s以上甚高比冲电推进，机器人星际探测任务需要8000s以上超高比冲电推进。提高传统离子电推进比冲方式包括使用小原子质量推进剂和提高离子加速电势差。选用小原子质量推进剂将带来电离效率和推力密度降低、推进剂贮存系统庞大等无法解决的严重问题。提高离子加速电势差，对单级加速离子光学系统存在无法克服的矛盾：确定栅间距下可施加的最高电势差或栅间电场，受到栅间电场击穿阈值的制约，且需要一定的安全裕度；增大栅间距可以承受更高的电势差，但离子引出效率会降低。由此可见，传统离子推力器实现甚高和超高比冲面临无法克服的内在矛盾限制。 2.3系统简化及可靠性提升的技术挑战 相对其他类型电推进，离子推力器对供电和供气的要求较多，例如直流放电离子推力器至少需要9路电源和3路推进剂流率供应，如图3所示。由此导致航天器工程应用的离子电推进系统最为复杂，且在系统干重和体积等方面弱化了竞争力。 图 3 直流放电离子电推进系统 离子推力器自身工作可靠性方面存在所谓的＂高压打火束流恢复＂问题，该问题源于推力器栅极组件的自身工作特性，引出束流状态下屏栅和加速栅之间为高电压差（高电场强度），在栅极表面微凸、沉积微颗粒物、离子轰击诱导等因素影响下，栅极之间会发生电极间击穿打火现象。为了保证打火过程产生的能量沉积对栅极损伤在受控范围，并防止栅极材料蒸发导致栅间持续放电，在工程上采取监测打火、关闭栅极电源熄灭、重新加载栅极电源的＂高压打火束流恢复＂保护程序。随着离子推力器功率和比冲进一步提高，产生这种非预期打火的条件恶化（如电压增大、栅极面积增大等），有效抑制打火发生频次的难度相应增大。 2.4离子电推进微小推力范围连续可调的技术挑战 空间引力波测量、超高精度无拖曳控制航天器等，需要微牛级推力范围的快速连续调节电推进。例如支撑欧洲LISA使命的推进系统要求为：推力范围1～100μN，测量带宽内的推力噪声<0.1μN/Hz，工作寿命10a。针对这类需要已经开展了胶体、场发射等微型电推进的开发研制，但结果都不是非常理想，问题在于推力器性能的稳定性和重复性无法保证。离子推力器具有大范围连续可调的优良特性，目前的验证及应用都限于毫牛量级，对微牛量级范围连续可调的离子推力器充满了期待。3离子电推进技术的创新发展面对前面所述新的技术挑战，传统离子电推进自身几乎无法解决，需要通过创新离子电推进技术以求突破固有约束，持续保持离子电推进技术对未来航天发展的重要支撑。近年来开展的离子电推进新技术研究，有望成为未来技术发展的主要方向。 3.1环型及多环高功率离子电推进技术 为突破传统圆柱型离子推力器栅极尺寸限制，2011年美国的Patterson等提出了如图4左所示的环型离子推力器概念，与圆柱型离子推力器的主要区别及技术益处包括如下三个方面。 图4环型和多环离子推力器概念 1）放电室及配套的栅极为环型。一方面环型栅极可以通过增大中心直径尺寸、保持适当环向宽度尺寸而实现大面积，且容易保证栅片刚度和抗力学性能，有效解决加工制造难度；另一方面环型放电室阳极面积显著增大，由此可以显著提高放电电流（等离子体密度）和放电室调节范围。 2）环型栅极可以采用小间距石墨或碳复合平面结构。因为石墨或碳复合材料本身热形变小，两端安装约束环型平面栅在应变释放、束流发散、小间距均匀性等方面具有明显优势，由此可显著提高离子引出能力和效率，对应放电室高等离子体密度而大幅提高推力密度。 3）放电室的磁场分布、放电阴极位置等需要重新优化，无法沿用圆柱型成熟技术。NASA已经完成了两轮原理样机的研制，初步分析表明，环型离子推力器的推力密度、功率和寿命分别可达到传统离子推力器的3、10和10倍。目前环型离子电推进的技术成熟度较低，若一旦获得突破，由单环到多环嵌套（图4右）的数百千瓦高功率离子推力器将顺理成章。 3.2双级加速超高比冲离子电推进技术 为突破传统单级加速栅极组件在提高比冲方面的内在制约，提出了如图5所示的双极加速四栅极技术，由屏栅与引出栅组成第1级＂引出级＂，引出级通过小间距和中等电压差实现对放电室离子的高效聚焦引出和适当加速。由引出栅、加速栅组成第2级＂加速级＂，加速级通过大间距和高电压差实现束流离子的主要加速，加速栅电压为负的几百伏。减速栅的辅助作用和单级加速的减速栅相同。屏栅电压根据需要达到的比冲确定，例如对氙气推进剂采用8000V或者更高电压可实现10000s超高比冲。澳大利亚国立大学和ESA-ESTEC推进实验室于2006年完成了比冲14500s（束电压17.5kV）测试验证。 图 5 双级加速离子推力器及栅极组件示意图 国内兰州空间技术物理研究所于2017年完成了比冲10076s（束电压8.2kV）测试验证。初步研究结果表明，双级加速栅极技术不仅有效解决了甚高和超高比冲实现的难题，而且在离子推力器推力密度、推功比、束流发散角等方面带来显著提升。双级加速概念很容易推广到多级加速，为未来比冲持续提高提供了可能。 3.3自中和与连续调节微小功率射频离子电推进 微波和射频离子推力器尽管已经不用放电阴极，但仍然保留了中和器阴极。如果能够取消中和器阴极，将进一步提升性能，简化系统，并提高可靠性。近年来，法国宇航局Rafalskyi等提出了自中和射频离子推力器概念，推力器基于等离子体自偏置效应同时引出离子和电子，在双栅加速系统上加载带大电容器的射频偏置电压，栅极前空间电荷鞘层随射频频率振荡，鞘振荡和电容器充放电的耦合实现射频电压整流，栅极系统持续引出离子并在鞘层塌缩时引出电子。 栅极射频电源等效电路和等离子体电势波形如图6所示，其中，等离子势是相对加速栅电位而言，电子是在图示波形的斜线区域引出。推力器气体电离、离子加速和电子引出可采用同一台射频电源实现。自中和射频离子推力器的原理可行性已经完成了验证。针对2.3.2节所述连续调节微小功率离子电推进，射频类型因其易于小型化和较高效率正在成为优选的技术方案。美国BUSEK公司针对LISA任务需求研制了BFRIT-3射频离子推力器，从2007年开始阿丽亚娜集团公司依托德国吉森大学研制了微型推力器RIT-μX，推力连续调节范围10~100μN，2014年开始了电推进系统研制。 图 6 自中和射频离子推力器栅极系统等效电路及工作机理 3.4多元推进剂螺旋波离子电推进技术 氙气推进剂难以满足未来低成本、大用量推进剂、在线推进剂利用等航天任务需求，寻找新的氙气替代推进剂和在线资源利用推进剂一直是重要技术研究方向。在线资源利用推进剂以地球大气主要成分氮气和氧气、火星大气主要成分二氧化碳和甲烷等为代表，氙气替代推进剂以氪气、固态碘、金属铋等为代表。现有研究结果表明，氮气、氧气、二氧化碳等在线推进剂的推进性能出现了严重下降，固态贮存的碘和铋推进剂能够在推进性能相当的前提下解决供应量、成本、贮存等问题，但仍然存在沉积污染、碘的化学兼容性、铋沸点过高等问题。 可见，替代氙气的推进剂技术还需要在解决具体工程问题和寻找更有竞争力的元素（分子或原子团）两个方面继续努力。在线资源利用推进剂技术需要发展适用多种推进剂的离子电推进类型，以便对未来航天器工程带来极大效益，例如遥远目标探测的去程用地球携带推进剂，返程用探测目标本地在线资源推进剂。螺旋波放电产生等离子体具有密度高、温度低的显著特点，近年来针对螺旋波离子源和螺旋波电推进的研究表明，螺旋波离子源的气体电离率通常高达90%以上，在较宽的气体密度范围可有效工作，并且对不同类型工作介质（推进剂）具有较好的适应性和兼容性。因此，螺旋波离子电推进有望成为适应多元推进的高效率、长寿命电推进。 4结束语 本文分别从离子推力器放电室、离子光学系统和空心阴极（包含放电阴极和中和器）等关键组件切入，从结构、材料和工作特点等方面，对离子电推进技术发展现状进行了详细讨论，并结合未来航天任务应用需求，总结了离子电推进技术发展趋势和存在的挑战。