合肥召开“大推力、增强型别费尔德—布朗效应离子发动机”方案论证会

国家重点研发计划由原来的国家重点基础研究发展计划(973计划)、国家高技术研究发展计划(863计划)、国家科技支撑计划、国际科技合作与交流专项、产业技术研究与开发基金和公益性行业科研专项等整合而成，是针对事关国计民生的重大社会公益性研究，以及事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家安全的战略性、基础性、前瞻性重大科学问题、重大共性关键技术和产品，为国民经济和社会发展主要领域提供持续性的支撑和引领。

2021年五月中旬，合肥召开国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”专项“大推力、增强型别费尔德—布朗效应离子发动机”项目启动会暨实施方案论证会。会议上项目负责人匡光力研究员进行了全面的介绍。与会专家一致认为项目目标明确，研究内容全面且具有针对性，技术路线合理，实施方案可行。

1827年，苏格兰植物学家R·布朗发现水中的花粉及其它悬浮的微小颗粒不停地作不规则的曲线运动，称为布朗运动。不只是花粉和小炭粒，对于液体中各种不同的悬浮微粒，都可以观察到布朗运动。在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒，或在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到布朗运动，而温度越高，运动越激烈。这是因为作布朗运动的粒子非常微小，直径约1~10微米， 在周围液体或气体分子的碰撞下，产生一种涨落不定的净作用力，导致微粒的布朗运动。但如果布朗粒子相互碰撞的机会很少，就可以看成是巨大分子组成的理想气体，则在重力场中达到热平衡后，其数密度按高度的分布应遵循玻耳兹曼分布。

布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，对于气体动理论的建立以及确认物质结构的原子性具有重要意义，并且推动统计物理学特别是涨落理论的发展。由于布朗运动代表一种随机涨落现象，它的理论对于仪表测量精度限制的研究以及高倍放大电讯电路中背景噪声的研究等有广泛应用。

离子推力器，又称离子发动机，为空间电推进技术中的一种，其特点是推力小、比冲高，广泛应用于空间推进，如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动和星际飞行等。 [1] 其原理是先将气态工质电离，并在强电场作用下将离子加速喷出，通过反作用力推动卫星进行姿态调整或者轨道转移任务。离子推力器具有比冲高、效率高、推力小的特点。与传统的化学推进方式相比，离子推力器需要的工质质量小，是已经实用化的推进技术中最为适合长距离航行的。离子推进器是一种动力装置，可为航天器提供动力。其性能为推力、比冲和效率，通常是在保证推力和比冲的条件下，用效率来评价其性能。

离子电推进发动机的特点是加速力和加速度都很低，可能会只有几十毫牛顿和几厘米/平方秒。有人形容这种推力只能“吹动一张纸”。但与化学火箭极短的燃烧时间不同，电推进火箭提供的加速时间可以很长，因此发动机比冲很大，就是说同样质量的工质能提供更大的总推力和最终速度。另一方面，卫星的调姿和变轨，微小推力往往就已足够。

离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，金属高压输电网对离子流施加静电引力，离子流获得加速度，加速后的离子使推进器获得时速高达143201千米的速度，推动航天器前进。离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机的高大约10倍。

离子推进器是一种动力装置，评价性能的方法是在保证其推力、比冲的条件下，评价效率的高低，效率越高，说明推进器性能越好，直观表现为在一定的推力和比冲下，离子推进器所消耗的功率越小，那么性能就越优。在进行离子推进器性能评价时，首先要测量推力和比冲，然后再测量或推算效率，或者说是测量推进剂的利用率和所消耗的电功率。

离子推进器的推力较小，通常在毫牛顿级，目前国外测量离子推进器推力的方法大致有两种：一种是直接测量，另一种是用公式计算。由于推力较小，在地面测量时，因为重力、电缆引线和推进剂管路等的影响，会造成较大的测量误差。为了提高推力测量的准确性，一般采用直接测量和公式计算相结合的方法来测算。一般来说，在产品开发研制初期，可以采用公式计算法计算推力，在产品基本定型后，再直接测量推力，并与公式法进行比较。目前国外测量微小推力，应用较多的是采用微量天平和激光干涉法测量微小位移，早期还有倒摆和扭摆等机械式位移测量法。

我国开发了天平法来测量微小推力的方法，但是在测量离子推进器的推力时，由于等离子体的影响，使测量系统产生放电打火现象，影响测量结果。推力直接测量法的测量系统都比较复杂，而且测量过程也繁琐，在测量时，不但需要对系统进行在线校对，而且还会产生噪声干扰而影响测量精度，离子推进器工作产生的等离子体也会对微量天平产生影响，甚至使天平无法正常工作，还需要进行屏蔽处理。评价离子推进器性能，除推力外，还需要测量比冲，推进剂流量和消耗功率。欧盟在对RIT-XT射频离子推进器进行性能评价时，主要对其推力、比冲、推进剂利用率(不包括中和器流量)和总功耗进行了测量。

新闻来源：强磁场科学中心

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