CN114329919A - 一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，通过构建仿真计算模型，建立高能离子与屏栅极表面溅射腐蚀速率之间的关系，实现对屏栅极失效发生的概率进行评估。一方面是基于离子推力器放电室的基础理论知识，进一步明确放电室气体放电过程和高能离子产生过程，另一方面是明晰高能离子对固体表面的轰击溅射刻蚀过程和工作机制，仿真计算结果可为设计人员在离子电推进产品研制及优化设计提供手段支持和数据参考，以达到大幅缩短产品研发周期、降低产品研制成本的目的。

Description

一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法
技术领域
本申请涉及空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法。
背景技术
推进系统是任何航天器不可缺少的核心系统之一，与化学推进系统相比，电推进系统具有推力小、比冲高、寿命长、推力可调节、安全性好等特点，这就意味着完成同样的轨道控制任务时，电推进系统的控制精度要远远高于化学推进系统，同时，因电推进系统的比冲高，其在执行航天使命时所消耗的推进剂量较少，使得航天器的有效载荷将显著增加，电推进作为先进的空间推进技术，除了需要克服强引力的地球(星体)表面发射或降落外，几乎可以应用于所有需要推进系统的航天器使命。
离子推力器由于其自身的优点如高比冲、低推力、推力可调节、寿命长及高可靠等特点，目前已经被用来执行位置保持、轨道转移、轨道提升及深空探测中。未来航天器在轨任务对离子推力器提出了迫切需求，但因离子推力器的推力较小，以致要完成空间任务需工作几万小时，这对推力器乃至其关键部组件的耐溅射能力提出了很高的要求。
目前大部分离子推力器的寿命研究主要集中在栅极组件的加速栅结构失效和电子反流失效，但是从在轨和地面试验测试结果来看，屏栅极结构失效也是导致离子推力器寿命终止的一个关键失效模式，屏栅极结构失效相比加速栅结构失效和电子反流发生的概率较小，但试验结果显示，当推力器放电室内部阳极电压大于某一个值后，屏栅极的结构会快速发生变化，厚度变薄或某些部位脱落，大量溅射物漂浮在放电室内部或沉积在放电室内壁表面，小块溅射物通过屏栅极孔进入栅极系统，若溅射物搭接在屏栅极和加速栅极之间，会使两栅瞬间短路，推力器寿命终止，该种情况下屏栅极结构失效成为了决定推力器寿命终止的最关键失效模式。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，通过构建仿真计算模型，建立高能离子与屏栅极表面溅射腐蚀速率之间的关系，实现对屏栅极结构失效发生的概率进行评估。
为了实现上述目的，本申请提供了一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，包括如下步骤：步骤1：根据推力器最大引出束流、工质利用率和几何结构参数、工作电气参数，计算放电室内中性气体密度和最大等离子体密度；步骤2：根据等离子体密度，确定计算区域中电子、离子的空间步长和时间步长；步骤3：求解麦克斯韦方程组，得到计算区域内的磁场分布和对应每个网格节点上的磁感应强度；步骤4：求解泊松方程，得到计算区域内的静电场分布、自洽电场分布和总电场分布；步骤5：利用牛顿第二定律，对阴极发射的原初电子进行加速，经过加速后的电子和计算区域内的中性气体进行碰撞，产生二次电子和一价氙离子；步骤6：阴极发射的原初电子和一次电离碰撞产生的二次电子和中性气体一价氙离子再次电离碰撞产生二价氙离子；步骤7：通过跟踪二价氙离子，获得二价氙离子对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程，得到溅射刻蚀速率；步骤8：根据收敛条件，即自洽电场变化率＜0.05％，判断程序是否收敛，若收敛，输出稳态计算结果，反之，回到步骤4，继续计算。
进一步的，步骤1中推力器为静电型离子电推力器。
进一步的，原初电子与中性原子之间的碰撞包括弹性碰撞、激发碰撞、一次电离碰撞以及二次电离碰撞。
进一步的，步骤6中二价氙离子的类型为轰击屏栅极表面的高能离子。
进一步的，步骤7中，利用粒子跟踪的方法，通过跟踪二价氙离子的运动，得到单个二价氙离子的产生、运动行为和其对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程。
本发明提供的一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，具有以下有益效果：
本申请利用数值仿真计算的方法研究离子推力器屏栅极结构失效的工作机理，通过仿真分析的手段，快速定位影响屏栅极发生失效的关键影响因素，获得该因素影响下的屏栅极发生结构失效的工作机制，对离子推力器的工作寿命进行快速预测，根据计算结果提出推力器产品优化设计方法，该手段或方法可以大幅缩短产品研发周期、降低研制成本。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
本申请提供了一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，包括如下步骤：步骤1：根据推力器最大引出束流、工质利用率和几何结构参数、工作电气参数，计算放电室内中性气体密度和最大等离子体密度；步骤2：根据等离子体密度，确定计算区域中电子、离子的空间步长和时间步长；步骤3：求解麦克斯韦方程组，得到计算区域内的磁场分布和对应每个网格节点上的磁感应强度；步骤4：求解泊松方程，得到计算区域内的静电场分布、自洽电场分布和总电场分布；步骤5：利用牛顿第二定律，对阴极发射的原初电子进行加速，经过加速后的电子和计算区域内的中性气体进行碰撞，产生二次电子和一价氙离子；步骤6：阴极发射的原初电子和一次电离碰撞产生的二次电子和中性气体一价氙离子再次电离碰撞产生二价氙离子；步骤7：通过跟踪二价氙离子，获得二价氙离子对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程，得到溅射刻蚀速率；步骤8：根据收敛条件，即自洽电场变化率＜0.05％，判断程序是否收敛，若收敛，输出稳态计算结果，反之，回到步骤4，继续计算。
进一步的，步骤1中推力器为静电型离子电推力器。
进一步的，原初电子与中性原子之间的碰撞包括弹性碰撞、激发碰撞、一次电离碰撞以及二次电离碰撞。
进一步的，步骤6中二价氙离子的类型为轰击屏栅极表面的高能离子。
进一步的，步骤7中，利用粒子跟踪的方法，通过跟踪二价氙离子的运动，得到单个二价氙离子的产生、运动行为和其对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程。
下面结合计算过程对本申请实施例进行具体的说明，步骤1：根据推力器最大引出束流、工质利用率和几何结构参数、工作电气参数，计算放电室内中性气体密度和最大等离子体密度，
Figure BDA0003402735150000051
其中n0为中性气体密度；Ib为束流；ηm为工质利用率；v0为中性气体速度；e为电子电量；Ag为栅极面积；Ta为离子透明度；ηc为clausing因子。
Figure BDA0003402735150000061
其中k为玻尔兹曼常数；Te为电子温度；M为氙离子质量。
步骤2：：根据等离子体密度，确定计算区域中电子、离子的空间步长和时间步长，
Figure BDA0003402735150000062
其中λ为德拜长度；ε0为真空介电常数。
Figure BDA0003402735150000063
其中ωp为等离子体振荡频率；me为电子质量。
电子时间步长为：
Figure BDA0003402735150000064
离子时间步长为电子时间步长的
Figure BDA0003402735150000065
倍。
步骤3：离子推力器中磁体系统产生的静磁场远远大于等离子体产生的自洽磁场，因此在麦克斯韦方程组中忽略了自洽磁场的部分，麦克斯韦方程组变为
Figure BDA0003402735150000066
柱坐标系下，磁势的表达式为：
Figure BDA0003402735150000071
Figure BDA0003402735150000072
求解上式，得到计算区域内的磁势；根据磁势和磁感应强度之间的关系，得到轴向和径向的磁感应强度，
Figure BDA0003402735150000073
Figure BDA0003402735150000074
进而得到计算区域内的磁场分布和对应每个网格节点上的磁感应强度。
步骤4：求解泊松方程
Figure BDA0003402735150000075
得到计算区域内的静电场分布、自洽电场分布和总电场分布；
其中当上述等式右端为0时，求解得到的电势为静电势；当右端不为0时，得到的电势为自洽电势；总电势为静电势和自洽电势的和，电势和电场强度之间的关系为：
Figure BDA0003402735150000076
步骤5：利用牛顿第二定律，
Figure BDA0003402735150000077
Figure BDA0003402735150000078
对阴极发射的原初电子进行加速，经过加速后的电子和计算区域内的中性气体进行碰撞，产生二次电子和一价氙离子，二次电子和一价氙离子在电磁场作用下加速运动；
步骤6：阴极发射的原初电子和一次电离碰撞产生的二次电子和中性气体一价氙离子再次电离碰撞产生二价氙离子，二价氙离子在电场作用下加速运动；其中电子和一价离子的二次电离过程为：
Figure BDA0003402735150000081
其中，碰撞截面为：
Figure BDA0003402735150000082
步骤7：通过跟踪二价氙离子，获得二价氙离子对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程，得到溅射刻蚀速率
Figure BDA0003402735150000084
Figure BDA0003402735150000083
其中，N为轰击到屏栅极表面的二价氙离子个数；M、vi分别为离子质量和速度；t为时间步长；f为碰撞频率；h为屏栅极厚度。
步骤8：根据收敛条件，即自洽电场变化率＜0.05％，判断程序是否收敛，若收敛，输出稳态计算结果，反之，回到步骤4，继续计算。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤l：根据推力器最大引出束流、工质利用率和几何结构参数、工作电气参数，计算放电室内中性气体密度和最大等离子体密度；
步骤2：根据等离子体密度，确定计算区域中电子、离子的空间步长和时间步长；
步骤3：求解麦克斯韦方程组，得到计算区域内的磁场分布和对应每个网格节点上的磁感应强度；
步骤4：求解泊松方程，得到计算区域内的静电场分布、自洽电场分布和总电场分布；
步骤5：利用牛顿第二定律，对阴极发射的原初电子进行加速，经过加速后的电子和计算区域内的中性气体进行碰撞，产生二次电子和一价氙离子；
步骤6：阴极发射的原初电子和一次电离碰撞产生的二次电子和中性气体一价氙离子再次电离碰撞产生二价氙离子；
步骤7：通过跟踪二价氙离子，获得二价氙离子对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程，得到溅射刻蚀速率；
步骤8：根据收敛条件，即自洽电场变化率＜0.05％，判断程序是否收敛，若收敛，输出稳态计算结果，反之，回到步骤4，继续计算。
2.如权利要求1所述的离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，其特征在于，所述步骤1中推力器为静电型离子电推力器。
3.如权利要求1所述的离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，其特征在于，原初电子与中性原子之间的碰撞包括弹性碰撞、激发碰撞、一次电离碰撞以及二次电离碰撞。
4.如权利要求1所述的离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，其特征在于，步骤6中二价氙离子的类型为轰击屏栅极表面的高能离子。
5.如权利要求1所述的离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，其特征在于，步骤7中，利用粒子跟踪的方法，通过跟踪二价氙离子的运动，得到单个二价氙离子的产生、运动行为和其对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030102402A1 (en) * 2001-12-04 2003-06-05 Williams John D. Automatic accel voltage tracking system for an ion thruster
US20150128560A1 (en) * 2013-10-04 2015-05-14 The Regents Of The University Of California Magnetically shielded miniature hall thruster
CN111199099A (zh) * 2019-12-26 2020-05-26 兰州空间技术物理研究所 一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法
CN112329201A (zh) * 2020-09-30 2021-02-05 兰州空间技术物理研究所 一种集成化离子电推进仿真模型及方法
CN112347610A (zh) * 2020-09-30 2021-02-09 兰州空间技术物理研究所 一种基于空心阴极的霍尔推力器的寿命评估方法
CN113221432A (zh) * 2021-05-20 2021-08-06 大连理工大学 一种基于人工智能的离子推力器栅极寿命动态预测方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030102402A1 (en) * 2001-12-04 2003-06-05 Williams John D. Automatic accel voltage tracking system for an ion thruster
US20150128560A1 (en) * 2013-10-04 2015-05-14 The Regents Of The University Of California Magnetically shielded miniature hall thruster
CN111199099A (zh) * 2019-12-26 2020-05-26 兰州空间技术物理研究所 一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法
CN112329201A (zh) * 2020-09-30 2021-02-05 兰州空间技术物理研究所 一种集成化离子电推进仿真模型及方法
CN112347610A (zh) * 2020-09-30 2021-02-09 兰州空间技术物理研究所 一种基于空心阴极的霍尔推力器的寿命评估方法
CN113221432A (zh) * 2021-05-20 2021-08-06 大连理工大学 一种基于人工智能的离子推力器栅极寿命动态预测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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李娟;刘洋;楚豫川;曹勇;: "离子推力器欠聚焦冲击电流的数值模拟", 推进技术 *

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