離子推進(jìn)器( 也稱(chēng)離子發(fā)動(dòng)機(jī)、離子推力器) 在航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本文簡(jiǎn)要介紹了其工作原理。在真空熱試驗(yàn)中，離子推進(jìn)器點(diǎn)火，會(huì)向真空室內(nèi)噴射出高能粒子，嚴(yán)重影響容器真空度。本文依據(jù)真空系統(tǒng)抽氣方程，繪制出了推進(jìn)器點(diǎn)火過(guò)程中的理論抽氣曲線。試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)氬氣的實(shí)際抽氣曲線與理論計(jì)算結(jié)果吻合很好，而對(duì)氙氣則不太理想。本文對(duì)此展開(kāi)分析，同時(shí)提出了采用氙氣泵來(lái)有效抽除氙氣的方法。

　　航天器的發(fā)展趨勢(shì)極大地促進(jìn)了電推進(jìn)技術(shù)在航天器入軌、離軌、狀態(tài)保持、精確定位及復(fù)定位、姿態(tài)控制、行星探測(cè)一次、二次推進(jìn)中的應(yīng)用。離子推進(jìn)器屬于電推進(jìn)技術(shù)的一種，具有比沖高、可多次開(kāi)關(guān)點(diǎn)火、攜帶燃料少、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，離子推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、無(wú)污染，推力范圍較寬，應(yīng)用范圍較廣。既可以用于大、中衛(wèi)星，又可以用于小衛(wèi)星；既可以用于定點(diǎn)衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道修正，又可以用于星際航行的主推進(jìn)系統(tǒng)；既可以用于地月系統(tǒng)，又可以用于深空探測(cè)。離子推進(jìn)器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 離子推進(jìn)器基本結(jié)構(gòu)

　　正因?yàn)橛羞@些優(yōu)點(diǎn)，NASA 才把離子推進(jìn)系統(tǒng)選為NSTAR 工程的首選推進(jìn)系統(tǒng)。離子發(fā)動(dòng)機(jī)還特別適合于小衛(wèi)星，NASA 正在開(kāi)發(fā)功率為0.1 ～0.3 kW 的小型離子發(fā)動(dòng)機(jī)，直徑只有8 cm。離子發(fā)動(dòng)機(jī)非常適合于星際航行，目前比較成功的型號(hào)有休斯公司的XIPS-13、XIPS-25 以及NASA 與休斯的XIPS-30( 或NSTAR-30) 。NSTAR 發(fā)動(dòng)機(jī)于1998年10 月在“深空1 號(hào)”航天器上投入使用并完成了任務(wù)，系統(tǒng)已經(jīng)在太空正常運(yùn)行超過(guò)11000 h，任務(wù)可能進(jìn)一步擴(kuò)展到訪問(wèn)其它的小行星。

圖2 RIT22 離子發(fā)動(dòng)機(jī)三維模型與實(shí)物圖

　　圖2 為歐空局“BepiColombo”計(jì)劃所采用的RIT22 離子推進(jìn)器。離子推進(jìn)器的基本工作原理是: 采用一定的方法，推進(jìn)器將工質(zhì)( 一般為氙氣)電離成帶電離子與電子，離子在1000 V 以上的靜電場(chǎng)的作用下，加速?lài)娚涠�出，由于遵守�?dòng)量守恒定律，因此獲得向前的推力，其原理圖如圖3 所示。加速后的離子流由中和器釋放出來(lái)的電子中和，這非常必要，因?yàn)槿绻�尾流帶走了大量正離子，那么飛行器將帶負(fù)電，使離子流減速，甚至反彈回來(lái)，影響推進(jìn)器工作。中和器應(yīng)放在適當(dāng)位置以減少尾流中離子的飛濺，并保證有效的中和。無(wú)論哪種離子推進(jìn)器，都需要有效的方法電離推進(jìn)劑，因此離子發(fā)生器格外重要。常用的推進(jìn)劑為氙氣，但氪氣和氬氣等也已經(jīng)被使用。

圖3 離子發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理圖

結(jié)論

　　根據(jù)某顆星離子推進(jìn)器點(diǎn)火的真空熱試驗(yàn)結(jié)果，得結(jié)論如下:

　　(1) 真空系統(tǒng)低溫泵對(duì)Ar 的理論抽氣曲線與實(shí)際抽氣曲線吻合很好，計(jì)算過(guò)程中需要注意兩個(gè)數(shù)值的選定，精確的Ar 通氣量和低溫泵對(duì)Ar 的抽氣系數(shù)，抽氣系數(shù)與泵的工作狀態(tài)相關(guān)，一般對(duì)Ar選取0. 5；

　　(2) 推進(jìn)器在試驗(yàn)過(guò)程中點(diǎn)火，Xe 原子被電離，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速?lài)姵�，而后中和器�?duì)Xe 離子中和，由于Xe 原子量大，障板流導(dǎo)小，攜帶能量高，吸附熱大，低溫泵對(duì)Xe 的抽速極低，為名義對(duì)N2抽速的10%；

　　(3) 常用的獲取高真空的泵( 低溫泵、分子泵、擴(kuò)散泵) 均不適宜抽除Xe，目前最好的抽除Xe 的方法是采用Xe 泵，其抽氣原理與低溫泵相同，只是冷頭溫度與結(jié)構(gòu)存在差異，由于Xe 泵只針對(duì)氙氣，抽氣能力單一，限制了其廣泛應(yīng)用；

　　(4) 放氣階段真空度由好變壞，計(jì)算過(guò)程中表面放氣量可忽略不計(jì)；放氣結(jié)束后真空度由壞變好，在放氣過(guò)程中真空室表面重新吸附了氣體，此時(shí)計(jì)算容器內(nèi)壓力的變化情況需要考慮表面放氣的影響。