离子推进器

万磁王

作者：希弦-军事
转载自微博

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　　周四各大军事门户站的头条都是我国早最强大的“离子发动机”。这条短讯又是一次“出口赚外销”，国内编译俄媒，俄媒转述《南华早报》，而香港南华的新闻源是几天前国内《科技日报》的短讯。所以说，简单梳理下这“离子发动机”上头条的过程，总会感觉有着莫名的讽刺。

美国“深空”1号上的氙离子推进器

　　离子发动机，更多的称之为“离子推进器/离子推力器”，由于离子推进器和霍尔推进器都属于电推进器（或称“电推进系统”、“电火箭发动机”），所以也会称之为“离子电推进器”，主要的应用场景是在卫星、深空探测器等航天器上，主要有地球静止轨道卫星的位置保持和轨道转移、深空探测的主推进、中低轨道航天器的无拖曳飞行或轨道、位置、姿态保持及其高精度控制等几方面。

　　目前的推进剂喷出速度约为每秒2至4公里，采用电推进技术则能打破这一约束，喷出速度可达每秒15至80公里，比冲是化学推进技术的十倍以上。不过电推进的推力微小，应用上在太空中，而非取代运载火箭。

　　以往，不论是卫星、探测器等航天器的发射，还是升空后的运行，使用的都是我们更为熟知的“火箭”（火箭发动机），这种依赖化学燃烧产生推力的设备，其突出优点是推力大，但工作时间短，需要携带大量的燃料。而电推进器，则是不依赖化学燃烧就能产生推力的非常规推进系统。它的突出优点就是不再像火箭发动机那样需要使用固体或液体燃料，这就省去了复杂的储罐、管道、发动机燃烧室、喷管、相应冷却机构等。除了，由此带来的“减重”优势外，离子推进器还有着推进剂利用率高、寿命长达万余小时等优点。

　　但离子推进器的工作机理，还是与传统的尾部喷出高速气体实现向前推进的火箭一样，也是基于这样的喷气推进原理（作用力与反作用力），只不过向后喷出的不是高速气体，而是一束带电粒子或离子。而“喷离发动机”的离子的生成，目前主要的方式是利用直流放电产生电子，轰击易电离的氙（惰性气体易压缩易贮存），使其原子电离产生“离子”。

离子推进器的工作时间是远远长于火箭发动机的，工作寿命可长达万余小时，由此整个系统可靠性上的难度可想而知。

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近一步看离子推进器的结构和原理

　　不论是航空的火箭发动机，还是航天的喷气发动机，都是靠推进剂、靠航空燃油本身的燃烧来获得能量，利用的都是他们本身的内能。但单位质量下他们所蕴含的内能已是一定的了，而这最终制约了发动机向后喷出的气体速度。



　　离子推进器，虽然也需要推进剂作为工作介质（简称“工质”），但跳出了推进剂的内能的制约。离子推进器则是将电能转换为工质的动能，再利用力学原理产生推进的反作用力。这个过程是，电能将推进剂离化成为离子，而后电场将带电离子加速喷射出以获得推力。这个过程，喷射离子的速度取决于电能、取决于电场，与推进剂自身的内能毫无关系。只要加速电场的功率越大，喷射出的离子速度就越快，也就是发动机的比冲越大（比冲，消耗单位质量推进剂所能产生的冲量，比冲的大小主要取决于推进剂的喷出速度），比常规火箭发动机的单组元或双组元化学推进高出几倍到几十倍，作为工质的推进剂利用率更高。

离子推进器的结构简图之一

　　基于上述的工作原理，离子推进器主要由四个子系统构成：推进器子系统、推进剂供给子系统、供配电子系统、数字控制与接口子系统。在推进器子系统中，基本组件有放电室、离子光学系统（由内侧的屏栅极和外侧的加速栅极组成）和中和器。
　　在放电室内由主阴极（空心阴极）发射的电子，在向阳极加速的途中，与进入放电室的推进剂原子（目前多是“氙”）相撞，使其电离生成离子。通过放电室的环形磁场作用，离子只能向放电室下游的离子光学系统运动，离子在离子光学系统的作用下被聚焦、加速，形成离子束后喷出，产生推力。而为了防止卫星上负电荷的积累和离子束的扩散，还要通过中和器向离子束喷射等量电子，使喷出的粒子束呈中性。

俄罗斯展出的离子推进器，可见与常规火箭相比，离子推进器更像一台小电子仪器，当然其推力也小得多。

　　因为离子推进器向后高速喷出的是质量非常小的“离子束”，所以反作用力的推力也是十分微弱，往往只有1/50牛，这种力量在地球上仅能托起一只乒乓球，与常规火箭的兆牛级别推力相比就显得非常渺小了。所以离子推进器的应用是在太空环境中的航天器上。在几无阻力失重的太空中，只要微小的推力就能推动航天器、改变姿态，所以离子推进器看似推力微小、对航天器的加速度微小，但在离子推进器长时间的运行下，就可以把航天器加速达到更高的速度的，包括进行漫长的深空探测之旅。

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离子推进器在国内的发展历程

　　国内离子推进器的研制是由中国空间技术研究院510所担当的，2013年我国第一次在实践九号A卫星上使用了离子推进系统。在这成功的背后是510所的40年磨一剑。

2013年5期《太空探索》中对我国离子电推进技术的报道。2013年510所研制的离子电推进器的额定推力40豪牛，比冲3000秒左右，工作寿命在10000小时～15000小时之间，达到了国际先进水平。

　　510所是国内最早展开了电推进技术研究的单位，早在1974年就开始研制离子推进器。1986年研制的80毫米汞离子电推进获得了1987年国家科技进步一等奖，这在当时达到了国际领先水平，产品技术水平不弱于从50年代就开始从事此方面研究的美国。但由于当时航天器电源功率等技术的制约，离子推进器并没有得到应用，国家的相关部门决定终止了离子推进器的研究。但510所看好这项技术在未来的发展前途，并没有解散这支科研队伍，通过自筹资金一直维持着这支科研队伍，并于1988年至1993年期间研制成功了90毫米氙离子推进器。



　　1997年美国发射的“泛美”5号卫星上首次应用了离子推进器，这在世界航天界引起轰动。1999年我国决定重新开始对离子电推进器的研究。510所凭借此前默默的技术积累，在1999年至2004年研制了200毫米离子推进器原理样机，主要性能达到国外同类产品水平。2004年-2007年完成了200毫米离子推进器工程样机研制，通过了环境条件鉴定试验。2007年至2012年为实践九号卫星研制了200毫米离子推进子系统，该卫星已经于2012年10月发射并实现首次空间飞行试验。

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离子推进器和霍尔推进器的异同

　　援引2013年的信息来看，国内开展离子推进技术研究的单位包括510所、801所、502所、哈尔滨工业大学、西北工业大学、北京航空航天大学、国防科大、上海交大等，其中，只有510所和801所属于工程产品研制单位，其它只进行相关技术研究。而这次几经倒手后的大新闻，从最初的源头“科技日报”的报道中来看：我国航天科技集团公司第五研究院的502所研制的是“磁聚焦霍尔电推进系统”，在随后的部分香港媒体的报道引述中变成了“离子发动机”。

离子发动机新闻的源头，《科技日报》1月11日的报道原文

“如果你们报道有偏差，你们要负责” ，这次“离子发动机”的大新闻中，既有香港部分媒体的偏差，也有国内大陆的一条路走到黑。

以至于科技日报再次站出来“辟谣”

　　虽说离子推进器和霍尔推进器，本质上是相同的，都是上述的电能将惰性气体氙气电离，离子在电场作用下加速喷出产生推力。但二者毕竟是电推进技术的两种不同的技术路线，结构上在电离区和加速器的设置上有着差异。离子推进器的电离区和加速区是分离的，相对说来效率更高，比冲更高，但是缺点是组成复杂，电源种类多；霍尔推进器的电离区和加速区是合一的，因而推进器的相对简单，体积尺寸可以做到更小，可靠性会更高、电源种类少，但是缺点是比冲低，羽流角偏大。所以这次“磁聚焦霍尔推进器”的技术进步就体现在了，比冲、效率等方面性能指标较于国外同类产品提升了20%以上。对于这两型电推进系统，美国率先应用掌握了离子推进，而俄罗斯则是率先掌握霍尔推进，也同502所一样，也在发展“磁场聚集”的霍尔推进技术，已完成样机研制，并进行了地面验证，但尚未开展在轨飞行验证。

霍尔推进器与离子推进器，“点火”喷射离子束的视觉效果，对比中对于我们业外人士来说真看出什么差异。但毕竟二者是电推进技术的两条不同的技术发展路线。

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电推进系统研制的难点和在轨试验

　　参考2013年510所成功研制离子推进器时，在接受采访中谈到的，离子推进器上最重要的单机组件是空心阴极，这个长50毫米，直径20毫米的小东西是离子电推进器的心脏，在2004年以前我国自己不能生产。同时，也是因为这个部件的关键，英美以及俄罗斯等国家对该产品的出口也是限制得非常严格，510所曾提出的申请购买均被拒绝。

离子推进器技术，相当长一段时间都内掌握在了美俄手中。

　　除了空心阴极，环尖场放电室优化设计技术、精密栅极组件设计和制造技术、气路高压绝缘技术、微小气体流量的精确控制技术、推进器工作寿命试验验证和模型预测技术，高电压、大功率电源处理单元研制技术、电推进微推力测量和等离子体羽流特性诊断技术、电推进系统测试和联试技术等多项技术均属510所自主知识产权，打破了国际上对这些技术的垄断。
　　不论是此前510所的离子推进完成在轨飞行的里程碑意义，还是502所的霍尔推进计划要进行的高轨卫星的飞行验证，都涉及到了地面验证后的卫星在轨飞行。这是因为离子或者霍尔推进器与卫星航天器等还存在着相容性的问题，关乎推进器能否在空间实际应用。这种相容性主要体现在两方面：推进器的排出物是否会污染卫星，推进器与卫星间的电磁兼容性。推进器排出的物质，除作为“动力源”的离子束外，还有电荷交换离子及这种离子撞击加速栅极飞溅出的微粒，这些离子及微粒刚着在卫星的热控材料和太阳电池表面会使它们的性能变差。这种问题就曾在此前汞离子推进器上出现过，所以现在离子推进器的推进剂是惰性气体氙。
　　同时，因为推进器喷射出的离子束是具有相当高的能量，如果直接溅射到卫星上就会损伤卫星表面。所以离子推进器在轨飞行前的地面测试阶段，需要测量喷射出的离子束的宽度和密度数据，分析离子束是否会溅射到卫星表面。此外，离子推进器工作时放电室、环形磁场都有着电磁频谱，这便带来与星上其他子系统的电磁兼容性的特有问题。这两方面的问题，除了需要地面试验阶段来解决，也需要通过卫星的在轨飞行来进一步检验。

离子推进器在航天器上在轨应用，除了这与卫星的相容性问题外，还需要有着相关配套系统的研发，比如制导、导航与控制系统。

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离子推进器的优势

　　对于整个离子推进器的重量，以2013年公开我国空间技术研究院510所研制的离子推进器来看，包括推进剂的贮存模块、调压模块、流量控制模块、离子电推进器以及其他附属设备在内，系统净重只有140千克左右。而以往卫星携带的火箭发动机单单在燃料上就需要几百千克上吨，可见采用离子推进器后卫星的减重明显。也因此，目前采用电推进的卫星已是日渐主流。

　　采用全电推进，可将卫星的发射重量大幅降低，比如说主流的5~7吨的通信卫星可降至为2~4吨，由此便有更低的运载发射成本；全电推进后，在以往的重量下就意味着可以搭载更多的任务载荷设备，使得卫星的性能更为强大，一颗卫星抵多颗用；目前的卫星在设计上寿命都很难突破15年，原因就是火箭发动机的燃料携带量的限制，但通过电推进后卫星的寿命就可以达到18~20年，这也是发展深空探测器的技术基础。综合看来就是全电推进，对于整个航天器而言有着更高的“性价比”。这种“性价比”使空间活动的经济效益和太空科学探索的效率得到显著提升。而对于我国在离子推进器和霍尔推进器上取得新成果，除了说上述的益处助力我国航天活动再发展外，更为商业化来看，我国航天的国际市场商业发射而言，将进一步提高了卫星平台的先进性、发射成本上也更具性价比，更具市场竞争力。

离子推进器，科技的魅力。

参考引用摘录的资料包括（但不限于）如下：

《空间电推进应用及技术发展趋势》

《离子电推 中国航天器有了新动力》

《离子电推进技术 四十年坚守后的重大突破》

《迎接卫星全电推进时代变革》

《离子推进技术及其发展状况》

《离子推进及其关键技术》

《我国初具全电推卫星控制能力》

火坑

这东西看起来真漂亮，用起来应该更牛B