CN101334352A - 霍尔推进器寿命的估算方法 - Google Patents

Abstract

霍尔推进器寿命的估算方法，它涉及一种估算霍尔推进器寿命的方法。本发明解决了目前对霍尔推进器进行全寿命测试具有耗时长、耗费大的问题。对易溅射陶瓷管进行离子轰击，在时间

内陶瓷管面的轰击厚度为h，其中易溅射陶瓷管的角度溅射系数

、能量溅射系数

、管面密度

、S(E)和N分别为霍尔推进器通道陶瓷管的角度溅射系数、能量溅射系数和管面密度；根据霍尔推进器径向侵蚀速率公式和壁面被侵蚀掉的厚度公式可推得管道厚度为h的霍尔推进器的寿命

Description

霍尔推进器寿命的估算方法

技术领域

本发明涉及一种估算霍尔推进器寿命的方法。

背景技术

由于霍尔推进器具有较高的比冲、效率和运行稳定性，霍尔推进器已在各类卫星上得到应用，随着卫星朝着长寿命、大质量和高功率的方向发展，对霍尔推进器的寿命要求就更为苛刻，同样对于深空探测任务而言也需要推进器具有较长的寿命。限制霍尔推进器寿命的最主要因素是通道陶瓷壁面在荷能离子轰击下产生的溅射侵蚀现象。目前在研究霍尔推进器寿命时，一般将霍尔推进器通道壁面被离子侵蚀完毕，磁极暴露在等离子体流的时刻作为霍尔推进器寿命终止时刻，因此研究霍尔推进器的寿命问题就转化为研究通道壁面在等离子体流轰击下的溅射侵蚀问题。霍尔推进器的寿命直接决定了它是否能够胜任飞行任务，在实际飞行之前必须要在地面进行寿命测试，地面测试推进器的全寿命是目前推测霍尔推进器寿命最直接和最可靠的办法，器壁侵蚀寿命的直接测试需要推进器在地面真空环境中累积工作数千小时，需要消耗大量资源，其中的惰性气体推进剂的消耗代价昂贵，此外实验环境需要能够保持高真空度的条件，因此大型真空测试设备在维持长时间保持真空状态也耗费大量的动力资源。因此，在地面上模拟真空环境对霍尔推进器进行全寿命测试具有耗时长、耗费大。

发明内容

本发明提供一种霍尔推进器寿命的估算方法，以解决目前对霍尔推进器进行全寿命测试具有耗时长、耗费大的问题。

本发明由以下步骤完成：

一、对易溅射陶瓷管进行离子轰击，在时间t内离子对陶瓷管面的轰击厚度为h，其中易溅射陶瓷管的角度溅射系数Y′(θ)＝n₁·Y′(θ)、能量溅射系数S(E)＝n₂·S(E)、管面密度N＝n₃·N，Y′(θ)、S(E)和N分别为霍尔推进器通道陶瓷管的角度溅射系数、能量溅射系数和管面密度，n₁、n₂、n₃为大于1的数值，θ为轰击壁面的离子入射角度且为定值；

二、根据霍尔推进器径向侵蚀速率公式和壁面被侵蚀掉的厚度公式可推得管道厚度为h的霍尔推进器的寿命 $t=\frac{n_1\·n_2}{n_3}\stackrel{\‾}{t}.$

本发明具有以下有益效果：本发明可以在短时间内对霍尔推进器的全寿命进行有效的估算和评估，从而大大减少实验时间，减少了耗费，而又具备直接可靠的优点，其可靠性要大于采用数值计算对推进器进行的寿命预测。

附图说明

图1是不同表面结合能下的能量溅射系数与离子入射能量的关系曲线图，其中实线()表示表面束缚能U₀为3电子伏时的计算结果；虚线()表示表面束缚能U₀为4电子伏时计算结果；点线(....)表示表面束缚能U₀为5电子伏时计算结果；点划线(

)表示表面束缚能U₀为6电子伏时计算结果。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式由以下步骤完成：

一、对易溅射陶瓷管进行离子轰击，在时间t内陶瓷管面的轰击厚度为h，其中易溅射陶瓷管的角度溅射系数Y′(θ)＝n₁·Y′(θ)、能量溅射系数S(E)＝n₂·S(E)、管面密度N＝n₃·N，Y′(θ)、S(E)和N分别为霍尔推进器通道陶瓷管的角度溅射系数、能量溅射系数和管面密度，n₁、n₂、n₃为大于1的数值，θ为轰击壁面的离子入射角度且为定值；

二、根据霍尔推进器径向侵蚀速率公式和壁面被侵蚀掉的厚度公式可推得管道厚度为h的霍尔推进器的寿命 $t=\frac{n_1\·n_2}{n_3}\stackrel{\‾}{t}.$

在保证霍尔推进器的运行参数(放电电压、励磁电流、线圈匝数、磁极位置和阴极位置)不变的情况下，利用易溅射陶瓷管来代替霍尔推进器通道陶瓷进行实验，再对比两不同陶瓷管的侵蚀速率来推测霍尔推进器中实际应用的陶瓷管的寿命。这样可以在短时间内对霍尔推进器的寿命做出评估，节省大量的时间和资源。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在步骤一中：

$S\left(E\right)=\frac{0.042\·Q\left(Z_2\right)\·{\mathrm{\α}}^{*}(M_2/M_1)}{U_0}\frac{S_n\left(E\right)}{1+{\mathrm{\Γk}}_e{\mathrm{\ϵ}}^{0.3}}{[1-{\left(\frac{E_{\mathrm{th}}}{E}\right)}^{\frac{1}{2}}]}^S---\left(4\right)$

其中：

$\mathrm{\Γ}=\frac{W\left(Z_2\right)}{1+{(M_1/7)}^3}---\left(5\right)$

$k_e=0.079\frac{{(M_1+M_2)}^{\frac{3}{2}}}{M_1^{\frac{3}{2}}{M}_2^{\frac{1}{2}}}\frac{Z_1^{\frac{2}{3}}{Z}_2^{\frac{1}{2}}}{{(Z_1^{\frac{2}{3}}+Z_2^{\frac{2}{3}})}^{\frac{3}{4}}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{0.03255}{{Z_1{Z}_2(Z_1^{\frac{2}{3}}+Z_2^{\frac{2}{3}})}^{\frac{1}{2}}}\frac{M_2}{M_1+M_2}E---\left(7\right)$

$S_n\left(E\right)=\frac{8.478Z_1{Z}_2}{{(Z_1^{\frac{2}{3}}+Z_2^{\frac{2}{3}})}^{\frac{1}{2}}}\frac{M_1}{M_1+M_2}{s}_n^{\mathrm{TF}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)---\left(8\right)$

$s_n^{\mathrm{TF}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{3.441\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\ln (\mathrm{\ϵ}+2.718)}{1+6.355\sqrt{\mathrm{\ϵ}}+\mathrm{\ϵ}(6.882\sqrt{\mathrm{\ϵ}}-1.708)}---\left(9\right)$

以上表达式中各变量所代表的意义如下：

E——轰击壁面的离子能量；

ε——约化能；

Z₁——轰击壁面的离子序数；

Z₂——壁面材料的原子序数；

M₁——轰击壁面的离子质量；

M₂——壁面材料的原子质量；

S_n(E)——核阻止截面；

E_th——壁面材料的溅射阈值；

U₀——壁面材料的表面束缚能；

Γ——描述轻离子溅射靶材对总的溅射产额的贡献参数；

k_e——电子阻止本领的修正系数；

α——取决于基材的原子序数；

γ——能量传输因子；

s_n ^TF(ε)——约化核阻止截面；

Q，W——为经验参数。

以Sigmund溅射理论为基础的半经验能量溅射系数：

$S\left(E\right)=\frac{0.042\·\mathrm{\α}(M_2/M_1)}{U_0}\frac{S_n\left(E\right)}{1+{\mathrm{\Γ}{k}_e\mathrm{\ϵ}}^{0.3}}{\left[{1-\left(\frac{E_{\mathrm{th}}}{E}\right)}^{\frac{1}{2}}\right]}^S---\left(3\right)$

由于α(M₂/M₁)取决于基材的原子序数Z₂，因此将α写为Q(Z₂)·α*(M₂/M₁)，则上式变为：

$S\left(E\right)=\frac{0.042\·Q\left(Z_2\right)\·\mathrm{\α}*(M_2/M_1)}{U_0}\frac{S_n\left(E\right)}{{1+\mathrm{\Γ}{k}_e\mathrm{\ϵ}}^{0.3}}{\left[{1-\left(\frac{E_{\mathrm{th}}}{E}\right)}^{\frac{1}{2}}\right]}^S---\left(4\right)$

通过以上的表达式可以看出将能量溅射系数表示为以下的形式：

S＝f(Z₁，Z₂，M₁，M₂，E，U₀)(10)

在保证运行参数不变以及壁面材料成分、轰击壁面的离子不变的情况下，能量溅射系数变为表面结合能U₀的单变量函数，可以简化为：

$S=\frac{k_1}{U_0}{[1-{k_2{U}_0}^{1/2}]}^s---\left(11\right)$

其中：k₁，k₂与轰击壁面的离子能量有关。

根据以上的关系式，通过数值计算得到能量溅射系数和表面结合能之间的关系，如附图1所示。相同的离子入射能量下，随着材料的表面结合能的减小，能量溅射系数提高。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在步骤二中的霍尔推进器径向侵蚀速率公式为：

$q=\frac{J_{i\⊥}S\left(E\right)Y^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{N}---\left(1\right)$

其中，J_i⊥为与壁面发生碰撞的离子流密度。

通过改变工艺，可以很容易的实现密度的变化，例如通过改变热压压力可以使材料更加疏松，密度N减小。

(1)N减小，可以提高侵蚀速率。

(2)能量溅射系数S提高，材料疏松则表面结合能减小。

(3)角度溅射系数只与离子的入射角度有关，改变工艺不会改变角度溅射系数，所以可以认为角度溅射系数不变。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：本实施方式在步骤二中的霍尔推进器壁面被侵蚀掉的厚度公式为：

h＝q·t    (2)

如果提高壁面的侵蚀速率，则完成相同的侵蚀深度需要的时间则可能缩短，则可以在短时间内达到实际陶瓷管在长时间内的侵蚀效果，即可通过短时间内的侵蚀实验评估霍尔推进器的寿命。

Claims (4)

1、一种霍尔推进器寿命的估算方法，其特征在于它由以下步骤完成：

一、对易溅射陶瓷管进行离子轰击，在时间t内陶瓷管面的轰击厚度为h，其中易溅射陶瓷管的角度溅射系数Y′(θ)＝n₁·Y′(θ)、能量溅射系数S(E)＝n₂·S(E)、管面密度N＝n₃·N，Y′(θ)、S(E)和N分别为霍尔推进器通道陶瓷管的角度溅射系数、能量溅射系数和管面密度，n₁、n₂、n₃为大于1的数值，θ为轰击壁面的离子入射角度且为定值；

二、根据霍尔推进器径向侵蚀速率公式和壁面被侵蚀掉的厚度公式可推得管道厚度为h的霍尔推进器的寿命 $t=\frac{n_1\·n_2}{n_3}\stackrel{\‾}{t}.$

2、根据权利要求1所述的霍尔推进器寿命的估算方法，其特征在于在步骤一中：

$S\left(E\right)=\frac{0.042\·Q\left(Z_2\right)\·\mathrm{\α}*(M_2/M_1)}{U_0}\frac{S_n\left(E\right)}{1+{\mathrm{\Γk}}_e{\mathrm{\ϵ}}^{0.3}}{[1-{\left(\frac{E_{\mathrm{th}}}{E}\right)}^{\frac{1}{2}}]}^S---\left(4\right)$

其中：

$\mathrm{\Γ}=\frac{W\left(Z_2\right)}{1+{(M_1/7)}^3}---\left(5\right)$

$k_e=0.079\frac{{(M_1+M_2)}^{\frac{3}{2}}}{M_1^{\frac{3}{2}}{M}_2^{\frac{1}{2}}}\frac{Z_1^{\frac{2}{3}}{Z}_2^{\frac{1}{2}}}{{(Z_1^{\frac{2}{3}}+Z_2^{\frac{2}{3}})}^{\frac{3}{4}}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\ϵ}=\frac{0.03255}{Z_1{Z}_2{(Z_1^{\frac{2}{3}}+Z_2^{\frac{2}{3}})}^{\frac{1}{2}}}\frac{M_2}{M_1+M_2}E---\left(7\right)$

$S_n\left(E\right)=\frac{8.478Z_1{Z}_2}{{(Z_1^{\frac{2}{3}}+Z_2^{\frac{2}{3}})}^{\frac{1}{2}}}\frac{M_1}{M_1+M_2}{s}_n^{\mathrm{TF}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)---\left(8\right)$

$s_n^{\mathrm{TF}}\left(\mathrm{\ϵ}\right)=\frac{3.441\sqrt{\mathrm{\ϵ}}\ln (\mathrm{\ϵ}+2.718)}{1+6.355\sqrt{\mathrm{\ϵ}}+\mathrm{\ϵ}(6.882\sqrt{\mathrm{\ϵ}}-1.708)}---\left(9\right)$

以上表达式中各变量所代表的意义如下：

E——轰击壁面的离子能量；

ε——约化能；

Z₁——轰击壁面的离子序数；

Z₂——壁面材料的原子序数；

M₁——轰击壁面的离子质量；

M₂——壁面材料的原子质量；

S_n(E)——核阻止截面；

E_th——壁面材料的溅射阈值；

U₀——壁面材料的表面束缚能；

Γ——描述轻离子溅射靶材对总的溅射产额的贡献参数；

k_e——电子阻止本领的修正系数；

α——取决于基材的原子序数；

γ——能量传输因子；

s_n ^TF(ε)——约化核阻止截面；

Q，W——为经验参数。

3、根据权利要求1所述的霍尔推进器寿命的估算方法，其特征在于在步骤二中霍尔推进器径向侵蚀速率公式为：

$q=\frac{J_{i\⊥}S\left(E\right)Y^{\′}\left(\mathrm{\θ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}{N}---\left(1\right)$

其中，J_i⊥为与壁面发生碰撞的离子流密度。

4、根据权利要求1所述的霍尔推进器寿命的估算方法，其特征在于在步骤二中霍尔推进器壁面被侵蚀掉的厚度公式为：

h＝q·t    (2)

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