CN111199099A - 一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，通过将试验测量结果和数值仿真计算结果分别代入半经验分析模型，计算获得离子推力器的运行寿命，能够利用有限试验测试数据对离子推力器运行寿命进行评估，从而快速确定离子推力器寿命影响最关键因素，有效减少了失效后的推力器加工、制造、组装、试验、测试等环节，降低产品生产成本，因此，能够提前预测离子推力器应用范围及应用价值。

Description

一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法

技术领域

本发明属于离子体技术领域，具体涉及一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法。

背景技术

离子推力器高比冲、高效率特点可显著减少航天器推进剂携带量、减小航天器质量，因此被大量用于卫星位置保持、轨道机动和深空探测任务中。然而离子推力器固有低推力特点要求它在执行空间任务时必须具备高可靠、长寿命，一般要求可靠运行数万小时。

推力器运行过程中，等离子体对推力器溅射腐蚀效应主要集中在屏栅极、加速栅、放电室壁和放电阴极几个关键部组件上，其中加速栅的溅射刻蚀对推力器寿命影响最为严重，也是决定推力器寿命的最关键因素。因此国内外对推力器寿命的理论评估研究主要集中在栅极组件溅射腐蚀对推力器寿命的影响上。

传统离子推力器寿命评估方法通常是对单机进行长寿命测试，寿命测试时长一般要进行设计寿命的150％，例如美国NSTAR 30cm离子推力器寿命考核验证进行了30352小时，NEXT寿命考核试验超过35000小时。在没有明确栅极组件失效机理的前提下，对推力器进行数万小时的寿命试验花费是相当惊人的。半经验分析模型、数值仿真分析方法均可进行离子推力器寿命评估，但如何利用有限的试验测试数据，准确地评估推力器运行寿命，得到推力器最关键失效模式、影响因素，则成了一个亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，能够结合数值仿真计算模型、试验测试结果和半经验分析模型，准确地对离子推力器的运行寿命进行评估。

本发明提供的一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，包括以下步骤：

模拟待测推力器的束流引出过程、高能离子产生过程、高能离子对加速栅孔壁和下游表面的轰击溅射刻蚀过程，建立待测推力器栅极组件的数值仿真模型，采用所述数值仿真模型计算得到待测推力器的束流引出达到稳态时的溅射产额仿真值及溅射速率仿真值；

测量获得待测推力器运行到不同设定时间后的加速栅孔径、加速栅厚度、屏栅极孔径、屏栅极厚度及电子反流极限电压的取值，分析得到待测推力器发生加速栅结构失效时坑槽腐蚀深度及加速栅孔径的测量值，及待测推力器发生电子反流失效时反流极限电压的测量值；

将所述溅射产额仿真值、溅射速率仿真值、坑槽腐蚀深度测量值、加速栅孔径测量值及反流极限电压测量值分别输入待测推力器的加速栅结构失效寿命模型和电子反流失效寿命模型中，计算得到待测推力器的加速栅结构失效寿命和电子反流失效寿命，所述加速栅结构失效寿命和电子反流失效寿命中的较小值即为待测推力器的运行寿命。

有益效果：

本发明通过将试验测量结果和数值仿真计算结果分别代入半经验分析模型，计算获得离子推力器的运行寿命，能够利用有限试验测试数据对离子推力器运行寿命进行评估，从而快速确定离子推力器寿命影响最关键因素，有效减少了失效后的推力器加工、制造、组装、试验、测试等环节，降低产品生产成本，因此，能够提前预测离子推力器应用范围及应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、根据束流引出过程中加速栅孔径变大引起的势垒变化，建立加速加速栅孔直径变化率、鞍点电势与栅极组件几何结构参数和气电参数之间的关系，进而得到电子反流失效时对应推力器寿命与栅极组件几何结构参数和气电参数之间关系。同时，根据束流引出过程中高能交换电荷(CEX)离子的产生及其对加速栅孔壁和下游表面的轰击溅射刻蚀过程，建立栅截获的CEX离子流、原子溅射速率、加速栅溅射腐蚀速率、加速栅孔径及厚度变化率与栅极组件几何结构参数和气电参数之间的关系，进而得到加速栅结构失效时对应推力器寿命与栅极组件几何结构参数和气电参数之间的关系。

步骤2、选取栅极组件中选取相邻两个1/4小孔，计算区域包括从上游的放电等离子体到下游中和后的等离子体。建立束流引出、CEX离子产生及其轰击溅射过程数值仿真计算模型，给定每个时间步长进入计算区域模拟离子数量、初始位置、初始速度等，然后通过给定边界条件和离子所带电量，用体积权重法将离子所带电量向所在网格节点进行插值，得到网格节点上电荷密度；再利用网格节点上电荷密度计算每个网格点上电势和电场；再由网格节点上的电场向单个离子位置进行插值，计算出该离子所在位置电场强度，进而计算粒子所受电场力；用牛顿第二定律计算出离子运动方向和速度，从而得到该离子在下一时刻位置。下个时间步长内，重复以上步骤，直到计算区域中离子数目达到稳定，即束流引出达到稳态。计算过程中程序自动统计轰击到加速栅孔壁和下游表面的溅射产额、溅射速率、加速栅截获CEX离子电流等。

步骤3、用激光共聚焦三维表面轮廓仪获取推力器运行一段时间后栅极表面三维数据，计算出加速栅小孔孔径、加速栅表面“坑”和“槽”的溅射深度。

步骤4、采用步骤3相同手段对推力器运行不同时间段后的栅极表面刻蚀数据进行读取。根据不同时间段的测量数据，建立测量到的溅射深度、孔径变化速度、电子反流极限电压与运行时间的变化曲线，利用曲线外推方法，根据加速栅结构失效和电子反流失效的失效判据，得到推力器发生两种失效时对应坑、槽腐蚀深度、加速栅孔直径和电子反流极限电压。

步骤5、将步骤2仿真计算结果和步骤4试验测量结果代入步骤1中加速栅结构失效和电子反流失效对应寿命表达式，计算得到两种失效发生时分别对应推力器寿命。比较两种寿命大小，选取最小值即为推力器运行寿命，对应失效模式即为推力器最关键失效模式。

步骤6、根据步骤5分析结果即可得到离子推力器运行寿命和最关键失效模式。

其中，本发明中的加速栅结构失效寿命模型和电子反流失效寿命模型等半经验分析模型采用如下公式：

加速栅孔半径的溅射腐蚀变化率表示为：

其中Ψ为推进剂中性原子通量；

为平均每个栅极孔通过的束流电流；σ为电荷交换离子碰撞截面；d为双栅间距和加速栅厚度之和；Y为平均每个入射离子的法向入射溅射产额，溅射产额是入射离子能量、入射角、靶原子质量、靶材料结合能及入射角度的函数，在入射能量一定时，特定入射角的溅射产额最大；R_a为栅极孔直径；e为电子电量；f_a为加速栅开口面积分布；K_a为clausing因子；f为推力器引出束流的平直度因子；r₀为初始时加速栅孔半径；t为加速栅厚度；m和ρ为栅极材料的原子质量和密度；k_b为玻尔兹曼常数；T为栅面温度。

加速栅表面溅射腐蚀深度变化率R表示为：

式中，J为轰击离子电流密度，Y(E,θ)为与能量和入射角度相关的溅射产额，M。

栅极之间的推进剂中性原子密度由下式表示：

式中，n为推进剂中性原子密度，

为中性原子平均速度，K_c为克劳辛系数。

栅极原子溅射率表示为：

式中，J_mcex为电子反流密度通量。

电子反流失效推力器寿命：

其中τ为加速栅寿命；Δd_a为失效时加速栅孔直径变化量；

为栅极中心孔半径变化率。

交换电荷离子电流对加速栅造成溅射腐蚀可以表示为:

式中，λ_Y为溅射产额修正因子；m_Mo为钼原子质量，J_s为屏栅电流。

加速栅结构失效时寿命表达式为：

式中，w为加速栅表面溅射腐蚀凹槽宽度，ρ_Mo，l_cc为屏栅-加速栅间有效长度。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

模拟待测推力器的束流引出过程、高能离子产生过程、高能离子对加速栅孔壁和下游表面的轰击溅射刻蚀过程，建立待测推力器栅极组件的数值仿真模型，采用所述数值仿真模型计算得到待测推力器的束流引出达到稳态时的溅射产额仿真值及溅射速率仿真值；

测量获得待测推力器运行到不同设定时间后的加速栅孔径、加速栅厚度、屏栅极孔径、屏栅极厚度及电子反流极限电压的取值，分析得到待测推力器发生加速栅结构失效时坑槽腐蚀深度及加速栅孔径的测量值，及待测推力器发生电子反流失效时反流极限电压的测量值；

将所述溅射产额仿真值、溅射速率仿真值、坑槽腐蚀深度测量值、加速栅孔径测量值及反流极限电压测量值分别输入待测推力器的加速栅结构失效寿命模型和电子反流失效寿命模型中，计算得到待测推力器的加速栅结构失效寿命和电子反流失效寿命，所述加速栅结构失效寿命和电子反流失效寿命中的较小值即为待测推力器的运行寿命。

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