離子推進器( 也稱離子發(fā)動機、離子推力器) 在航天領域有著廣泛的應用，本文簡要介紹了其工作原理。在真空熱試驗中，離子推進器點火，會向真空室內(nèi)噴射出高能粒子，嚴重影響容器真空度。本文依據(jù)真空系統(tǒng)抽氣方程，繪制出了推進器點火過程中的理論抽氣曲線。試驗結果顯示，對氬氣的實際抽氣曲線與理論計算結果吻合很好，而對氙氣則不太理想。本文對此展開分析，同時提出了采用氙氣泵來有效抽除氙氣的方法。

　　航天器的發(fā)展趨勢極大地促進了電推進技術在航天器入軌、離軌、狀態(tài)保持、精確定位及復定位、姿態(tài)控制、行星探測一次、二次推進中的應用。離子推進器屬于電推進技術的一種，具有比沖高、可多次開關點火、攜帶燃料少、使用壽命長等優(yōu)點，離子推進系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、無污染，推力范圍較寬，應用范圍較廣。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系統(tǒng)；既可以用于地月系統(tǒng)，又可以用于深空探測。離子推進器的基本結構如圖1 所示。

圖1 離子推進器基本結構

　　正因為有這些優(yōu)點，NASA 才把離子推進系統(tǒng)選為NSTAR 工程的首選推進系統(tǒng)。離子發(fā)動機還特別適合于小衛(wèi)星，NASA 正在開發(fā)功率為0.1 ～0.3 kW 的小型離子發(fā)動機，直徑只有8 cm。離子發(fā)動機非常適合于星際航行，目前比較成功的型號有休斯公司的XIPS-13、XIPS-25 以及NASA 與休斯的XIPS-30( 或NSTAR-30) 。NSTAR 發(fā)動機于1998年10 月在“深空1 號”航天器上投入使用并完成了任務，系統(tǒng)已經(jīng)在太空正常運行超過11000 h，任務可能進一步擴展到訪問其它的小行星。

圖2 RIT22 離子發(fā)動機三維模型與實物圖

　　圖2 為歐空局“BepiColombo”計劃所采用的RIT22 離子推進器。離子推進器的基本工作原理是: 采用一定的方法，推進器將工質( 一般為氙氣)電離成帶電離子與電子，離子在1000 V 以上的靜電場的作用下，加速噴射而出，由于遵守動量守恒定律，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的電子中和，這非常必要，因為如果尾流帶走了大量正離子，那么飛行器將帶負電，使離子流減速，甚至反彈回來，影響推進器工作。中和器應放在適當位置以減少尾流中離子的飛濺，并保證有效的中和。無論哪種離子推進器，都需要有效的方法電離推進劑，因此離子發(fā)生器格外重要。常用的推進劑為氙氣，但氪氣和氬氣等也已經(jīng)被使用。

圖3 離子發(fā)動機工作原理圖

結論

　　根據(jù)某顆星離子推進器點火的真空熱試驗結果，得結論如下:

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

　　(2) 推進器在試驗過程中點火，Xe 原子被電離，經(jīng)過電場加速噴出，而后中和器對Xe 離子中和，由于Xe 原子量大，障板流導小，攜帶能量高，吸附熱大，低溫泵對Xe 的抽速極低，為名義對N2抽速的10%；

　　(3) 常用的獲取高真空的泵( 低溫泵、分子泵、擴散泵) 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，只是冷頭溫度與結構存在差異，由于Xe 泵只針對氙氣，抽氣能力單一，限制了其廣泛應用；

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