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北京星辰空间成功研制低成本10mN射频离子电推

北京星辰空间10mN氪工质射频离子推力器研制成功,进行迭代优化和参数验证后,其额定推力达10mN,比冲在2900s以上。

射频离子推力器(Radio frequency Ion thruster, RIT)是电推进的一种,属于离子电推范畴。较于其他推进产品,RIT既没有复杂的内部结构,也不需施加额外的磁场结构(霍尔电推常需要励磁线圈),并且射频电磁场可以直接电离氙气而无需内置阴极(直流离子电推需内置阴极维持电离),这些特点都有助于减少推力器的体积和质量,使得推力器具有良好的缩放性。射频离子推进的比冲是目前同等功率最先进霍尔电推的2倍,意味着相同的速度增量下,所需要的工质质量是霍尔电推的一半。除此而外,射频离子电推进在保留了传统离子电推高比冲的前提下,还具有变推力精确和响应迅速的特点。利用电源功率控制实现变推力精确调节,使得射频离子电推可完成诸如超低轨高度维持、天空天文望远镜指向成像等要求高精度推力控制的空间任务,可见射频离子电推进是未来电推重要发展方向之一,同时也极具商业应用价值。

2023年2月18日,北京星辰空间科技有限公司完成了300W射频离子电推的首次氙气点火试验,验证了射频离子电推力器的基本功能和点火稳定性。此后公司针对该款离子电推进行了迭代优化改进和数个热平衡试验后,于2023年5月11日采用氪工质实现了该离子射频推力器长时间离子的稳定引出。期间通过实测束电压和离子束电流等数据获得了该款射频离子电推的额定推力为10mN,对应比冲在2900s以上,该产品其它指标如下表所示:

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目前,星辰空间是国内首个推出10mN量级的氪工质射频离子电推产品的商业航天公司。

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截止2023年4月2日国内稀有气体最新报价为氪气:945元/公斤,氙气:42000元/公斤,氪工质价格相对氙气价格不到3%,采用氪工质可降低推进系统整体应用成本,对于未来大规模组网卫星或小型星座的应用具有非常显著的经济效益优势。星辰空间的10mN射频离子推力器可适应氙气、氪和碘等不同工质,面对未来不同轨控场景需求的低成本应用拥有更多选择。

图2为10mN量级射频离子电推分别采用氪工质和氙工质地面点火束流图。

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  • 北京星辰空间的射频离子电推是国内首款可适用于氙、氪和碘等不同工质的10mN级离子电推;

  • 该射频离子推力器结构设计运用集成化思想,采用气路结构和放电室一体化设计,使得推力器整体结构简单,质量轻,高度集成的结构更有助于比冲提升;

  • 在气体分配器采用多孔径向进气方式,有效地改善了工质气体均匀度,可实现氪工质的高效电离。

星辰空间计划于2023年年底完成10mN氪工质射频离子电推系统搭载工作。

北京星辰空间科技有限公司成立于2019年12月25日,公司目前完全自主研发的产品覆盖了霍尔推进、离子推进、化学推进和冷气推进等,其中霍尔产品谱系丰富覆盖了100W、200W、300W、600W和1700W等不同功率霍尔电推产品,可满足30~1500kg级卫星在轨长期机动和长寿命需求,其中200W以上(含)霍尔电推可采用氙/氪两种工质,其性能指标均处于国际领先水平。公司多款霍尔电推已经为国家多个重大型号进行配套。

化学推进产品包括0.25N、0.5N、1N、5N、10N和20N等单组元和双组元推进,产品成熟可靠,具有在轨飞行经历,可适用于微纳星到大卫星的快速机动和轨控需求。此外公司还研发出mN级低成本电阻式推进,可满足低成本商业应用需求。

公司是目前唯一自主掌握600W以上中高功率霍尔电推进、300~1500W 霍尔氪气电推进、阴极和低功率离子射频电推进等核心关键技术的商业推进公司。

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