0引言
自1906年戈達德（Goddard）提出電推進概念以來，經過長期的技術發展，電推進已經成功地在航天工程中得到應用，其中，離子電推進是最具代表性的電推進技術型別之一。離子電推進以離子產生、離子加速和離子中和等3個主要工作過程的相對分離為內在特徵，以應用離子光學系統（柵極元件）完成對放電室離子的分離、聚焦和加速引出為外在特徵。
在文獻中離子電推進又稱為帶柵極電推進。離子電推進經過優先發展已經具備很高的技術成熟性，但由於當前和未來航天任務對電推進提出了更高的要求，傳統離子電推進技術的侷限性正變得日益突出。由此，非常有必要對離子電推進技術發展進行一次全面總結，並透過離子電推進技術的創新發展，揚長避短，持續發揮離子電推進技術對未來航天任務的支撐作用。
1離子電推進的技術發展現狀
技術相對成熟的離子推力器有直流放電（電子轟擊或考夫曼）、射頻放電和微波放電（電子迴旋諧振）等3種類型。圖1為3種離子推力器的基本組成，主要包括放電室、放電陰極和中和器陰極、離子光學系統（柵極元件）等，其中射頻放電和微波放電推力器沒有放電陰極。
圖 1 傳統離子推力器的基本組成
離子推力器的技術發展以更好的效能、更長的壽命、更高的可靠性為追求目標，下面分別以推力器主要組成為技術載體，簡要介紹傳統離子推力器技術的發展歷史及現狀。
1。1放電室設計技術
離子推力器放電室透過氣體放電產生等離子體，放電室設計技術以降低離子產生成本（放電損耗）、提高推進劑利用率和等離子體分佈均勻性為目標，具體涉及推進劑選擇、放電型別、磁場拓撲等主要技術。
1。1。1推進劑選擇技術離子電推進對推進劑的技術要求涉及推進效能、貯供效能、相容性、供應成本等方面。推進效能要求主要包括較低的一次電離能和較高的二次電離能、較大的電離碰撞截面、較高的原子質量等；貯供效能要求主要包括貯存密度大、貯存壓力低、流率控制精確可調等；相容性主要包括無毒或低毒性、化學反應活性低、對推力器及航天器無汙染等；供應成本主要包括價格相對便宜、供應量充足、運輸等地面操作方便等。離子電推進的推進劑技術發展經歷了3個階段。
第1階段以汞和銫為推進劑，銫電離能最低，但因化學活性太強和汙染問題嚴重而被放棄。汞的推進效能非常好，但由於存在毒性、液態貯存、航天器汙染、金屬化合反應等工程應用問題，20世紀80年代開始逐漸被氙氣取代。
第2階段以氙氣為推進劑。氙氣的推進效能幾乎與汞相當，且無毒、無汙染、氣態貯存，由此發展了相對完整的氙離子電推進技術，並推向航天工程應用。
第3階段正在研究多元化的推進劑，見本文3。4節。
1。1。2放電室氣體放電技術
離子推力器放電室透過不同放電型別產生等離子體。德國吉森大學發展了射頻放電型別，日本空間與航天科學研究所（ISAS）發展了微波放電型別，英國皇家航天公司（RAE）、美國劉易斯研究中心和休斯實驗室、中國蘭州空間技術物理研究所（LIP）、日本國家航天實驗室（NAL）分別發展了直流放電型別，螺旋波放電型別還處於發展之中。不同放電室型別具有各自的技術優劣性，概括來說：電子轟擊放電型別具有功率適用範圍寬、中高功率範圍效率高、供氣和配電要求複雜等特點；射頻放電型別具有等離子體密度較高、供氣和配電相對簡化、大中小功率範圍均適用等特點；微波放電型別具有小功率效能較好、供氣和配電最簡單等特點；螺旋波放電型別具有電離效率高、適用多種推進劑、等離子體密度調節範圍寬等特點。
1。1。3放電室磁場拓撲技術
內部磁場對增強放電室效率和實現等離子體均勻分佈具有關鍵性作用，針對電子轟擊型別放電室發展了多種放電室內部磁場拓撲技術。美國、英國、中國等在早期均採用發散磁場拓撲結構，磁場由螺旋管電磁方式產生，主要優點是放電室效能調節範圍寬、容易實現快速精確調節，明顯的不足是離子產生成本較高，等離子體分佈均勻性差。為解決發散場的問題，美國休斯實驗室發明了環型會切場放電室，磁場由永久磁體產生，在放電室周圍形成特定的匯聚形狀分佈，顯著降低了離子產生成本，改善了均勻性，成為後來各國電子轟擊放電室採用的主流技術。蘭州空間技術物理研究所發明了柱型會切場拓撲結構，相對環型會切場而言，能夠實現更高的推進劑利用率，但等離子體均勻性略差。圖2為典型磁場拓撲結構。
圖 2 直流放電室典型磁場拓撲型別
隨著高功率下放電室尺寸的進一步擴大，電子轟擊放電室的磁場拓撲向多極環型會切場發展，不僅磁極數量增多，而且磁極間距可最佳化調整。
1。2離子光學系統技術
離子光學系統在離子推力器上具有獨特性並扮演多重角色，在功能上它從放電室等離子體中引出、加速、聚焦正離子形成噴出束流，在效能上它很大程度決定離子推力器的推力和比衝，它還是影響離子推力器工作可靠性和壽命的關鍵元件。離子光學系統技術發展主要集中在柵極結構與材料、柵極元件、組裝等技術方面。
1。2。1柵極結構與材料技術
由於具有最高的幾何透明度，有利於提高離子引出效率，基於薄板多孔結構的正六邊形孔陣列離子光學系統被保留並一直沿用至今。在孔徑選擇上基本形成定論：小孔徑有助於減少中性原子流失，有利於提高柵極結構的強度和剛度，適用中低束流密度工況；大孔徑有利於束流引出，適合高束流密度情況應用。為補償放電室等離子體分佈均勻性差的問題，發展了變孔徑柵極技術。對柵極材料的要求包括導熱性好、熱膨脹小、耐高溫、強度和剛度高、可加工性好、抗離子濺射等方面，鉬已經成為工程應用離子光學系統的主流材料。
對鈦材料柵極的技術研究表明，其抗離子濺射能力比鉬高出6倍，但其熱穩定性較差。柵極材料最有發展前景的是碳碳複合材料和石墨材料，在熱穩定性、抗離子濺射等方面相對鉬和鈦至少提高一個量級，最大的技術難題來自加工製造，目前只有小尺寸的碳基材料柵極獲得應用。
1。2。2柵極元件技術
離子推力器柵極元件經歷了雙柵、三柵和四柵的技術發展程序，由屏柵和加速柵組成的雙柵元件最為常見，其主要優點是結構簡單，最大問題是加速柵受到交換電荷離子濺射腐蝕嚴重。為解決雙柵的這一問題，提出了在下游增加減速柵的三柵極元件技術，處於地電位或空間浮電位的減速柵能夠有效減弱加速柵的交換電荷腐蝕，而自身離子濺射腐蝕很小，但三柵極帶來的結構複雜性問題不容忽視。為解決雙柵和三柵都存在的進一步提高推力器比沖和保持離子引出效率之間的內在矛盾，提出和驗證了四柵極技術，詳見本文3。2節。
1。2。3柵極組裝技術
柵極透過組裝成為柵極元件，組裝技術需要解決柵極之間的孔對中性、柵間距均勻性和熱形變一致性等難題。平面柵組裝在對中性和間距均勻性方面最具優勢，但由於其熱形變一致性差而被放棄。為保證熱形變一致性採用了曲面柵極組裝技術，且工程上採用曲面柵邊緣補償設計抑制束流發散效應。
柵極組裝的最大挑戰是耦合於熱形變下的熱動態柵間距均勻性，工程解決方案為：
①採用受控的非均勻間距技術；
②採用應變釋放技術。
受控的非均勻間距技術採取柵極邊緣固定約束，柵極熱形變過程中柵間距控制在容許範圍，且冷態和熱態下柵間距不完全一致，但對效能和壽命沒有不可接受的影響。應變釋放技術透過柵極熱應變的向外釋放來保證熱態和冷態下間距基本一致，柵極邊緣為非固定安裝，釋放方式包括柵面邊緣上開槽、柔性安裝以及安裝環上開應力釋放槽等。
1。3放電陰極和中和器陰極技術
自美國休斯實驗室在20世紀70年代首次應用基於低功函式電子發射材料的空心陰極中和器以來，熱發射電子空心陰極因其工作壽命長、電子發射密度大、功耗小、相容性好等優勢，成為離子推力器放電陰極和中和器陰極的主流。同時，還有基於高頻電磁波激勵的無發射體陰極技術。空心陰極技術主要涉及發射體、加熱器、關鍵結構與材料、工作模式等方面。
1。3。1發射體技術
空心陰極發射體是熱電子發射的基礎材料及結構，主要要求包括功函式低、電子發射密度高、化學穩定性好、熱蒸發損失小等。經過發展演變，空心陰極發射體材料逐漸聚焦在鋇鎢發射體和六硼化鑭發射體兩大類上。鋇鎢發射體在多孔鎢基體上浸漬氧化鋇、氧化鈣、氧化鋁等三元氧化物層，三元氧化物比例可以根據不同發射電流和壽命需求確定，在離子電推進中常用的比例有５∶３∶２、４∶１∶１、３∶１∶１等。六硼化鑭發射體為粉末燒結壓制多晶結構，其功函式在2。7eV左右。六硼化鑭發射體除了工作溫度高外，在抗化學反應影響、更高電子發射密度、更長工作壽命實現等方面相比於鋇鎢發射體具有明顯優勢，隨著空心陰極發射電流增大到上百安培，六硼化鑭發射體的優勢將變得更加突出。射頻和微波離子推力器正在發展無發射體的空心陰極中和器技術，放電室和中和器共用同一射頻源或微波源，顯著簡化了系統配置。
1。3。2加熱器技術
空心陰極啟動工作過程和鋇鎢發射體活化均需要加熱器，加熱器是空心陰極點火可靠性和開關次數壽命的關鍵影響因素。離子電推進空心陰極實際應用的加熱器有螺旋纏繞式和鎧裝（鞘式）兩種型別。螺旋纏繞式為實心電阻加熱絲螺旋纏繞而成，導線之間用結構陶瓷絕緣，陶瓷與加熱導線的整合方法有先機械加工好陶瓷後進行纏繞和加熱絲與泡沫氧化鋁整體鍍敷燒結而成兩種。鎧裝加熱器為同軸電阻加熱絲盤繞模壓而成，內外導體之間用絕緣材料分隔，端部內外導體焊接在一起形成從內導體到外導體的加熱電流回路。常用的電阻加熱絲包括鉭絲、鎢絲、錸鎢絲等。人們一直在研究冷啟動空心陰極技術，也就是在無加熱器情況下，採取大氣流放電及能量沉積實現空心陰極快速啟動。
1。3。3關鍵結構與材料技術
除了發射體和加熱絲材料外，空心陰極的關鍵材料還包括陰極管、陰極頂、觸持極材料等。常用的陰極管材料為難熔金屬，包括鈰鎢合金、鉭、鉬、鉬錸合金等。陰極頂中心開有直錐小孔，孔徑大小根據最大發射電流和考夫曼準則確定，以便把陰極孔的濺射腐蝕控制在較低的水平，常用的陰極頂材料為鈰鎢合金、鉬、釷鎢合金等。觸持極從最早圓環型開放結構，到後來圓盤型開放結構，最終定型為現在圓筒型閉合結構。閉合型觸持極結構能夠改善陰極內部熱環境，提高陰極工作效率。由於觸持極在離子推力器上經受的離子濺射是空心陰極中最嚴重的，對其抗濺射能力具有更高要求，因此，觸持極一般選擇鉬、鈦、石墨等具有良好抗濺射腐蝕能力的材料。
1。3。4工作模式技術
在一定發射電流下由大到小調節供應流率，空心陰極依次經歷斑點模式、過渡模式和羽流模式。3種工作模式下，下游等離子體分佈形狀、觸持電壓振盪和等離子體勢分佈差別顯著，壽命試驗表明斑點模式下濺射腐蝕最小，羽流模式下濺射腐蝕最大。分析認為，斑點工作模式下等離子體的電勢振盪小且分佈相對均勻，而羽流模式下正好相反，從而隨機產生高能離子造成濺射腐蝕加劇。基於以上工作模式影響，為保證空心陰極實際工作中的長壽命，流率供應不僅要讓空心陰極工作在斑點模式，而且要留有遠離過渡區的安全裕度。
1。3。5無發射體陰極技術
無發射體陰極技術包括射頻和微波陰極技術。射頻陰極屬於感性耦合氣體放電等離子體源，通常採用2MHz左右的射頻源作為激勵。微波陰極一般屬於容性耦合放電等離子體源，通常採用＞1GHz範圍的微波源作為激勵。射頻和微波陰極目前的電流發射能力，實驗室測量值，氙推進劑分別為23~32mA/W，氬工質稍低。射頻和微波陰極的設計關鍵是天線型別。
1。4傳統離子電推進的技術優勢與缺憾
相對其他型別電推進而言，以雙柵或三柵為代表的傳統離子電推進具有非常突出的技術優勢，主要包括：
①工作效能的寬範圍靈活調節性。透過放電室流率、放電電流、屏柵電壓的組合最佳化調節，在保持較高效率的前提下實現推力20∶1、比衝3∶1、功率10∶1的寬範圍調節。
②容易實現高比衝。對單級加速柵極系統和氙氣推進劑，只需增大屏柵電壓和保持合適的柵間距便可實現8000s比衝。
③總效率高。離子電推進總效率相對霍爾電推進至少高出10%，成為僅次於膠體電推進的次高效率電推進技術。
傳統離子電推進有著明顯的技術缺憾，主要包括：
①受離子光學系統空間電荷效應影響，推力器推力密度較低，推力器尺寸相對較大。
②對供電、供氣系統的配套要求較高，如電源數量多且電壓高。
③實現高可靠性工作的技術挑戰多，如柵間高電壓擊穿打火等。為揚長避短並保證航天工程應用可靠性，傳統離子電推進產品往往採取多方面的技術措施和最佳化折中方法。例如為了實現推力器的長壽命，在保證比較好的柵極熱穩定性和熱形變一致性前提下，離子光學系統的工作束流密度保持在極限束流密度的一半左右，且儘量提高束流平直度；再如為了減少柵間高壓擊穿打火，在保證柵極熱穩定性和熱形變一致性的同時，主要透過柵間距和工作電壓的最佳化折中實現。
2離子電推進面臨的技術挑戰
2。1離子電推進高功率化發展的技術挑戰
未來中長期航天計劃應用的離子電推進功率範圍將擴充套件到100~1000kW，例如機器人深空探測、可重複使用軌道轉移運載器等航天任務需要的電推進功率達到20~100kW，月球、近地小行星、火星等載人深空探測需要的電推進功率將達到幾百千瓦到兆瓦級。傳統離子推力器實現高功率的最主要途徑只有增大放電室和離子光學系統的尺寸，大尺寸柵極元件成為高功率化的關鍵制約因素：尺寸越大抗力學能力越差，熱形變控制難度越大，製造和組裝難度也相應提高，增加柵極厚度和增大柵間距與實現離子高效引出成為主要矛盾。
綜合分析表明：傳統離子推力器可以實現工程化應用的柵極直徑上限為60cm，對應的最大功率55kW。也就是說基於傳統離子電推進實現500kW/1MW功率電推進系統，需要配套10/20臺束流直徑60cm離子推力器。由此可見，傳統離子電推進高功率化陷入困境。
2。2離子電推進超高比衝化發展的技術挑戰
應用電推進的最重要因素是它的高比衝特性，為保證航天器任務具有適當的載荷比，載人深空探測任務至少需要4000s以上甚高比衝電推進，機器人星際探測任務需要8000s以上超高比衝電推進。提高傳統離子電推進比衝方式包括使用小原子質量推進劑和提高離子加速電勢差。選用小原子質量推進劑將帶來電離效率和推力密度降低、推進劑貯存系統龐大等無法解決的嚴重問題。提高離子加速電勢差，對單級加速離子光學系統存在無法克服的矛盾：確定柵間距下可施加的最高電勢差或柵間電場，受到柵間電場擊穿閾值的制約，且需要一定的安全裕度；增大柵間距可以承受更高的電勢差，但離子引出效率會降低。由此可見，傳統離子推力器實現甚高和超高比衝面臨無法克服的內在矛盾限制。
2。3系統簡化及可靠性提升的技術挑戰
相對其他型別電推進，離子推力器對供電和供氣的要求較多，例如直流放電離子推力器至少需要9路電源和3路推進劑流率供應，如圖3所示。由此導致航天器工程應用的離子電推進系統最為複雜，且在系統乾重和體積等方面弱化了競爭力。
圖 3 直流放電離子電推進系統
離子推力器自身工作可靠性方面存在所謂的“高壓打火束流恢復”問題，該問題源於推力器柵極元件的自身工作特性，引出束流狀態下屏柵和加速柵之間為高電壓差（高電場強度），在柵極表面微凸、沉積微顆粒物、離子轟擊誘導等因素影響下，柵極之間會發生電極間擊穿打火現象。為了保證打火過程產生的能量沉積對柵極損傷在受控範圍，並防止柵極材料蒸發導致柵間持續放電，在工程上採取監測打火、關閉柵極電源熄滅、重新載入柵極電源的“高壓打火束流恢復”保護程式。隨著離子推力器功率和比衝進一步提高，產生這種非預期打火的條件惡化（如電壓增大、柵極面積增大等），有效抑制打火發生頻次的難度相應增大。
2。4離子電推進微小推力範圍連續可調的技術挑戰
空間引力波測量、超高精度無拖曳控制航天器等，需要微牛級推力範圍的快速連續調節電推進。例如支撐歐洲LISA使命的推進系統要求為：推力範圍1～100μN，測量頻寬內的推力噪聲<0。1μN/Hz，工作壽命10a。針對這類需要已經開展了膠體、場發射等微型電推進的開發研製，但結果都不是非常理想，問題在於推力器效能的穩定性和重複性無法保證。離子推力器具有大範圍連續可調的優良特性，目前的驗證及應用都限於毫牛量級，對微牛量級範圍連續可調的離子推力器充滿了期待。3離子電推進技術的創新發展面對前面所述新的技術挑戰，傳統離子電推進自身幾乎無法解決，需要透過創新離子電推進技術以求突破固有約束，持續保持離子電推進技術對未來航天發展的重要支撐。近年來開展的離子電推進新技術研究，有望成為未來技術發展的主要方向。
3。1環型及多環高功率離子電推進技術
為突破傳統圓柱型離子推力器柵極尺寸限制，2011年美國的Patterson等提出瞭如圖4左所示的環型離子推力器概念，與圓柱型離子推力器的主要區別及技術益處包括如下三個方面。
圖4環型和多環離子推力器概念
1）放電室及配套的柵極為環型。一方面環型柵極可以透過增大中心直徑尺寸、保持適當環向寬度尺寸而實現大面積，且容易保證柵片剛度和抗力學效能，有效解決加工製造難度；另一方面環型放電室陽極面積顯著增大，由此可以顯著提高放電電流（等離子體密度）和放電室調節範圍。
2）環型柵極可以採用小間距石墨或碳複合平面結構。因為石墨或碳複合材料本身熱形變小，兩端安裝約束環型平面柵在應變釋放、束流發散、小間距均勻性等方面具有明顯優勢，由此可顯著提高離子引出能力和效率，對應放電室高等離子體密度而大幅提高推力密度。
3）放電室的磁場分佈、放電陰極位置等需要重新最佳化，無法沿用圓柱型成熟技術。NASA已經完成了兩輪原理樣機的研製，初步分析表明，環型離子推力器的推力密度、功率和壽命分別可達到傳統離子推力器的3、10和10倍。目前環型離子電推進的技術成熟度較低，若一旦獲得突破，由單環到多環巢狀（圖4右）的數百千瓦高功率離子推力器將順理成章。
3。2雙級加速超高比衝離子電推進技術
為突破傳統單級加速柵極元件在提高比衝方面的內在制約，提出瞭如圖5所示的雙極加速四柵極技術，由屏柵與引出柵組成第1級“引出級”，引出級透過小間距和中等電壓差實現對放電室離子的高效聚焦引出和適當加速。由引出柵、加速柵組成第2級“加速級”，加速級透過大間距和高電壓差實現束流離子的主要加速，加速柵電壓為負的幾百伏。減速柵的輔助作用和單級加速的減速柵相同。屏柵電壓根據需要達到的比衝確定，例如對氙氣推進劑採用8000V或者更高電壓可實現10000s超高比衝。澳大利亞國立大學和ESA-ESTEC推進實驗室於2006年完成了比衝14500s（束電壓17。5kV）測試驗證。
圖 5 雙級加速離子推力器及柵極元件示意圖
國內蘭州空間技術物理研究所於2017年完成了比衝10076s（束電壓8。2kV）測試驗證。初步研究結果表明，雙級加速柵極技術不僅有效解決了甚高和超高比衝實現的難題，而且在離子推力器推力密度、推功比、束流發散角等方面帶來顯著提升。雙級加速概念很容易推廣到多級加速，為未來比衝持續提高提供了可能。
3。3自中和與連續調節微小功率射頻離子電推進
微波和射頻離子推力器儘管已經不用放電陰極，但仍然保留了中和器陰極。如果能夠取消中和器陰極，將進一步提升效能，簡化系統，並提高可靠性。近年來，法國宇航局Rafalskyi等提出了自中和射頻離子推力器概念，推力器基於等離子體自偏置效應同時引出離子和電子，在雙柵加速系統上載入帶大電容器的射頻偏置電壓，柵極前空間電荷鞘層隨射頻頻率振盪，鞘振盪和電容器充放電的耦合實現射頻電壓整流，柵極系統持續引出離子並在鞘層塌縮時引出電子。
柵極射頻電源等效電路和等離子體電勢波形如圖6所示，其中，等離子勢是相對加速柵電位而言，電子是在圖示波形的斜線區域引出。推力器氣體電離、離子加速和電子引出可採用同一臺射頻電源實現。自中和射頻離子推力器的原理可行性已經完成了驗證。針對2。3。2節所述連續調節微小功率離子電推進，射頻型別因其易於小型化和較高效率正在成為優選的技術方案。美國BUSEK公司針對LISA任務需求研製了BFRIT-3射頻離子推力器，從2007年開始阿麗亞娜集團公司依託德國吉森大學研製了微型推力器RIT-μX，推力連續調節範圍10~100μN，2014年開始了電推進系統研製。
圖 6 自中和射頻離子推力器柵極系統等效電路及工作機理
3。4多元推進劑螺旋波離子電推進技術
氙氣推進劑難以滿足未來低成本、大用量推進劑、線上推進劑利用等航天任務需求，尋找新的氙氣替代推進劑和線上資源利用推進劑一直是重要技術研究方向。線上資源利用推進劑以地球大氣主要成分氮氣和氧氣、火星大氣主要成分二氧化碳和甲烷等為代表，氙氣替代推進劑以氪氣、固態碘、金屬鉍等為代表。現有研究結果表明，氮氣、氧氣、二氧化碳等線上推進劑的推進效能出現了嚴重下降，固態貯存的碘和鉍推進劑能夠在推進效能相當的前提下解決供應量、成本、貯存等問題，但仍然存在沉積汙染、碘的化學相容性、鉍沸點過高等問題。
可見，替代氙氣的推進劑技術還需要在解決具體工程問題和尋找更有競爭力的元素（分子或原子團）兩個方面繼續努力。線上資源利用推進劑技術需要發展適用多種推進劑的離子電推進型別，以便對未來航天器工程帶來極大效益，例如遙遠目標探測的去程用地球攜帶推進劑，返程用探測目標本地線上資源推進劑。螺旋波放電產生等離子體具有密度高、溫度低的顯著特點，近年來針對螺旋波離子源和螺旋波電推進的研究表明，螺旋波離子源的氣體電離率通常高達90%以上，在較寬的氣體密度範圍可有效工作，並且對不同型別工作介質（推進劑）具有較好的適應性和相容性。因此，螺旋波離子電推進有望成為適應多元推進的高效率、長壽命電推進。
4結束語
本文分別從離子推力器放電室、離子光學系統和空心陰極（包含放電陰極和中和器）等關鍵元件切入，從結構、材料和工作特點等方面，對離子電推進技術發展現狀進行了詳細討論，並結合未來航天任務應用需求，總結了離子電推進技術發展趨勢和存在的挑戰。
