LIPS-300離子推力器雙柵極壽命的數值分析

陳娟娟，張天平，賈艷輝，耿　海

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州　730000)

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LIPS-300離子推力器雙柵極壽命的數值分析

陳娟娟，張天平，賈艷輝，耿海

(蘭州空間技術物理研究所，蘭州730000)

LIPS-300離子推力器為蘭州空間技術物理研究所自主研制的雙模式離子推力器。推力器在軌運行壽命是決定其是否能夠滿足未來航天使命需求的關鍵因素之一。根據未來航天任務對LIPS-300離子推力器系統壽命的要求，即采用LIPS-300離子推力器完成所有在軌任務所需要的時間為10 098 h。因此，為了準確預測LIPS-300離子推力器運行過程中其關鍵部組件單點失效的柵極組件壽命，文中建立了LIPS-300離子推力器柵極組件壽命模型，利用數值仿真計算的方法(PIC/MCC)預測了推力器分別單獨工作在210 mN和80 mN時柵極發生失效所對應的壽命，并分析了關鍵失效模式，同時計算了推力器在大推力210 mN模式下工作6 000 h后，繼續在小推力模式80 mN工況下柵極對應的壽命和關鍵失效模式。另外，分析了不同工況下LIPS-300離子推力器柵極壽命是否滿足未來航天使命的壽命需求，即安全裕度。數值結果顯示，LIPS-300離子推力器分別單獨工作在210 mN和80 mN時，其柵極工作壽命分別為16 064.3、26 633.2 h，安全裕度分別為1.3、2.2，兩種情況對應的關鍵失效失效模式均為電子反流失效；LIPS-300離子推力器在210 mN大推力模式下工作6 000 h后，繼續在小推力80 mN下工作，此時對應的壽命約為22 064.3 h，安全裕度為1.8，關鍵失效模式為電子反流失效；推力器單獨工作在210 mN和80 mN及雙模式下工作時的安全裕度分別為1.6、2.6和2.2。

LIPS-300離子推力器；柵極壽命；數值仿真模型

0　引言

離子推力器因其推力可調節、高比沖、高效率、長壽命等特點，目前已經被用來執行位置保持、部分軌道轉移、深空探測主推進等使命[1]。對離子推力器來說，限制其空間應用的主要因素為長壽命需求。基于對推力器失效模式和失效機理的研究，推力器的性能才能不斷提升、壽命不斷提高，識別推力器潛在失效模式的主要手段是進行大量的空間飛行和地面磨損試驗。目前發現的離子推力器磨損相關失效模式多達20余種，有些通過優化設計后已經消除。基于LIPS-300離子推力器整機及其關鍵部組件考核和推力器設計結果及應用模式，分析LIPS-300離子推力器可能出現的失效模式發現，影響LIPS-300離子推力器壽命的關鍵失效模式為電子反流失效和加速柵結構失效[2-3]。這2種失效模式均屬于柵極系統失效，即為單點失效，其一旦失效就意味著離子推力器失效[4]。因此，準確評估推力器束流引出過程中束流離子和中性氣體發生電荷交換碰撞產生的交換電荷離子對加速柵孔壁及表面的濺射腐蝕[5]及等離子體中的電子發生反流[6]引起的推力器極限壽命，對滿足衛星任務需求是非常關鍵的。

離子推力器壽命預測模型是基于失效模式、失效機理和失效判據對推力器壽命進行預測的。柵極壽命模型可分為半經驗分析模型[7-10]和數值仿真計算模型[11-13]。LIPS-300離子推力器是蘭州空間技術物理研究所自主研制的雙模式離子推力器，其推力分別為80、210 mN、比沖分別為4 100、3 500 s。為了能準確預測LIPS-300離子推力器不同工作模式下的柵極運行壽命，在此擬采用數值仿真計算的方法，對2種關鍵失效模式下的LIPS-300離子推力器柵極壽命做出預測和評價。

1　交換電荷離子CEX的產生加速及引出過程

電荷交換碰撞為快速的推進劑離子與熱運動速度的慢速原子發生交換電荷碰撞，對于氙電荷交換過程可表示為

(1)

在一個時間步長Δt內，第i個離子與所處空間位置中性原子密度為nn(xi)的推進劑原子發生碰撞的幾率為

(2)

式中xi為第i個粒子所在的空間位置；vi為其速度；σ(vi)為第i個粒子的碰撞截面。

離子的加速運動根據運動學原理可表示為

(3)

電子反流失效對應的柵極壽命可表示為

(4)

式中Δda和da分別為失效時加速柵孔直徑變化率和直徑變化量。

加速柵結構失效對應的柵極壽命為

(5)

式中λs為面積修正因子；lcc為加速柵相鄰孔圓心的距離；ω為加速柵下游表面濺射腐蝕凹槽寬度；ta為加速柵厚度；ρMo為鉬原子密度；e為電子電量；Js為加速柵中心孔截獲交換電荷離子電流；λY為濺射產額修正因子；Y為濺射產額；MMo為鉬原子質量。

考慮柵極組件束流離子引出特征及求解計算區域電場的便利，計算機數值計算模型采用等離子體粒子模擬中的網格粒子方法(PIC)，對柵極組件離子引出過程進行模擬。交換電荷離子的產生利用MC方法進行計算，產生交換電荷離子后，電荷交換離子與主束流離子相同參與到PIC計算中，利用程序統計柵極截獲電流和柵極濺射腐蝕率。計算流程如圖1所示。

還是回了，兩個人都是濕漉漉的。房間里暖暖的，月光灑了一地，她拿絲巾蒙了他的眼，一點點褪去他的衣服，手指和舌尖觸過他的每一寸肌膚，軟軟的，熱熱的，水滴一樣劃過，惹得他的心生生疼起來。他看不到她的臉，卻是感覺到她指尖的絕望，過往的片段幕幕回放，那些不懂愛情的日子，他們是如何那么蠢笨地輕易說了放手。

圖1　計算流程圖

2　計算結果

本文分2種工況，分別對LIPS-300離子推力器柵極的壽命進行評估：

(1)分別討論LIPS-300離子推力器分別工作在2種工作模式，即大推力210 mN、小推力80 mN時柵極的極限壽命及對應的失效模式；

(2)當LIPS-300離子推力器在大推力模式下工作6 000 h后，然后在小推力模式下進行位置保持，此時小推力工作模式的極限壽命及對應的失效模式。

2.12種工作模式下的壽命評估

2.1.1210 mN工作模式

圖2為靜電勢分布和穩態下的電勢分布，圖3為無碰撞發生時的主束流離子空間位置分布，圖4為交換電荷離子空間位置分布，圖5為束流離子空間位置分布。

(a)靜電勢分布

(b)穩態下的電勢分布

圖3　無碰撞發生時的主束流離子空間位置分布

圖4　交換電荷離子空間位置分布

圖5　 束流離子空間位置分布

表1、表2分別為LIPS-300離子推力器柵極雙柵極組件幾何結構尺寸和工作電參數。表3所示為穩態后加速柵上游、下游及內壁面統計到的交換電荷總電量和電流。表4為程序統計到的屏柵和加速柵電流。表5所示為程序統計到的濺射產額。

表1　幾何結構尺寸

表2　工作電參數

表3　加速柵交換電荷總電量和電流

表4　屏柵和加速柵電流

表5　濺射產額

根據柵極孔壁材料初始體積濺射率可知，加速柵之間的變化率約為2.804 6×10-11m/s。此時，加速柵孔半徑為0.6 mm，對應的電子反流閾值電壓為-110.496 V，當加速柵電壓為-375 V時，對應的加速柵孔半徑約為0.001 1 mm，得到加速柵孔直徑變化量為0.598 9 mm。將其代入式(4)可知，對應的電子反流失效的壽命約為16 064.3 h。

根據表1、表2所示的幾何結構尺寸和工作電參數和式(5)，得到210 mN模式下加速柵結構失效對應的LIPS-300離子推力器柵極壽命為20 754.3 h。

2.1.280 mN工作模式

圖6為靜電勢分布和穩態下的電勢分布。

(a)靜電勢分布

(b)穩態下的電勢分布

計算結果顯示，束流引出過程達到穩態后，兩柵之間的電勢變化不大，而在加速柵下游區域的電勢變化很大。說明交換電荷離子產生的主要區域為加速柵下游。

圖7為無碰撞發生時的主束流離子空間位置分布，圖8為交換電荷離子空間位置分布，圖9為束流離子空間位置分布。模擬結果顯示，中性原子和放電室內通過屏柵孔進入柵極之間的離子發生電荷交換碰撞產生的交換電荷離子中，有很少的一部分碰撞到加速柵內表面。而主束流離子和穩定后的束流離子空間位置分布，則沒有發生欠聚焦。

圖7　無碰撞發生時的主束流離子空間位置分布

圖8　交換電荷離子空間位置分布

圖9　束流離子空間位置分布

表6為穩態后加速柵上游、下游及內壁面統計到的交換電荷總電量和電流，表7為程序統計到的屏柵和加速柵電流。統計結果顯示，在加速柵電流為0，說明束流引出過程中，并沒有離子被加速柵所截獲。表8為程序統計到的濺射產額。

表6　加速柵交換電荷總電量和電流

表7　屏柵和加速柵電流

表8　濺射產額

根據柵極孔壁材料初始體積濺射率得知，加速柵孔直徑的變化率為6.987×10-12。而根據加速柵孔半徑與電子反流閾值電壓之間的關系可知，當加速柵半徑為0.6 mm時，對應的電子反流閾值電壓為-196.511 V，而加速電壓為-300 V時，對應的加速柵半徑為0.723 mm。因此，加速柵半徑的變化量為0.123 mm，將其代入式(4)可知，加速柵出現電子反流失效的壽命為26 633.2 h。

根據表1、表2所示的幾何結構尺寸和工作電參數和式(5)，得到80 mN模式下加速柵結構失效對應的LIPS-300離子推力器柵極壽命為29 974.8 h。

綜合兩種失效模式得知，LIPS-300離子推力器的壽命約為26 633.2 h，關鍵失效模式為電子反流失效。

2.2210 mN大推力模式和80 mN小推力模式(雙模式)

首先是LIPS-300離子推力器工作在210 mN大推力模式下6 000 h，在此基礎上，該推力器繼續在80 mN小推力模式下工作。

210 mN模式工作了6 000 h后的推力器柵極組件電勢和粒子位置分布情況：

圖10所示為靜電勢分布和穩態下的電勢分布，圖11所示為無碰撞發生時的主束流離子空間位置分布。

(a)靜電勢分布

(b)穩態下的電勢分布

圖11　無碰撞發生時的主束流離子空間位置分布

圖12為交換電荷離子空間位置分布，圖13為束流離子空間位置分布。在此基礎上，該推力器運行在80 mN的小推力模式。

圖12　交換電荷離子空間位置分布

圖13　束流離子空間位置分布

在此基礎上，該推力器運行在80 mN的小推力模式。

表9所示為穩態后加速柵上游、下游及內壁面統計到的交換電荷總電量和電流。表10所示為程序統計到的屏柵和加速柵電流。表11所示為程序統計到的濺射產額。

根據柵極孔壁材料初始體積濺射率可知，加速柵之間的變化率約為2.257 2×10-11m/s。此時，加速柵孔半徑為0.6 mm，對應的電子反流閥值電壓為-157.647 V。當加速柵電壓為-375 V時，對應的加速柵孔半徑為0.252 2 mm，得到加速柵孔直徑變化量為0.347 8 mm。則對應的電子反流失效的壽命約為19 329.04 h。

表9　加速柵交換電荷總電量和電流

表11　濺射產額

綜上可知，當推力器在大推力模式下工作6 000 h后，繼續在小推力器模式下工作，其運行壽命約為19 329.04+6 000=25 329.04 h，關鍵失效模式為電子反流失效。

3　結論

(1)主要針對蘭州空間技術物理研究所自主研制的LIPS-300離子推力器，建立了推力器柵極組件壽命模型，采用數值仿真計算的方法，對LIPS-300離子推力器束流引出過程進行了數值仿真，利用程序自動統計到的推力器束流引出達到穩態時的加速柵交換電荷總電量和電流、屏柵和加速柵電流及濺射產額，分析了不同工況(大推力210 mN、小推力80 mN及雙模式)下柵極組件的壽命及關鍵失效模式。

(2)計算結果顯示，在現有幾何結構參數和工作電參數下，推力器不同工況不會影響束流在柵極組件中的加速、聚焦及引出，只會影響柵極組件的壽命。

(3)數值仿真結果能夠為LIPS-300離子推力器進一步試驗測試及推力器優化提供一定的參考價值。

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(編輯：崔賢彬)

Numerical study on lifetime of LIPS-300 ion thruster ion optics

CHEN Juan-juan,ZHANG Tian-ping,JIA Yan-hui,GENG Hai

(Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou730000,China)

LIPS-300 ion thruster,which is developed by Lanzhou Institute of Physics,is a dual-mode plasma thruster.As one of the key factor,thruster lifetime is to determine whether it can meet the needs of future space missions.According to the requirements of future space mission on the LIPS-300 ion thruster,its lifetime must be 10 098 h for completing all the space tasks.Therefore,in order to precisely estimate the lifetime of the multi-mode LIPS-300 ion thruster multi-aperture grids developed by the Lanzhou Institute of Physics, the simulation method (PIC/MCC)was used to establish the numerical model and calculate the lifetime of the grid that operates on the 210 mN and 80 mN respectively,and analyze the key failure mode.Furthermore,the lifetime and corresponding key failure mode for the thruster working on the 80 mN is also calculated,while the thruster has worked on the 210 mN mode for 6 000 h.In addition,the safety maryin is analyzed for different working mode.The results show that when the LIPS-300 ion thruster operates on the 210 mN and 80 mN respectively,the lifetime of the grids is 16 064.3 h and 26 633.2 h respectively,and the reliability of failure mode is 1.3 and 2.2.The lifetime of LIPS-300 ion thruster that workes for 600 h at 210 mN mode and operates at 80 mN mode is about 22 064.3 h,the safety maryin is 1.8.The key failure mode is electron back streaming.The safety margin for LIPS-300 ion thruster at 210 mN,80 mN and multi-mode are 1.6,2.6 and 2.2 respestively.

LIPS-300 ion thruster;lifetime;numerical model

2014-09-11；

2014-11-12。

真空低溫技術與物理重點實驗室基金(9140c550206130c5503)。

陳娟娟(1983—)，女，博士，研究領域為離子電推進技術。E-mail：chenjjgontp@126.com

V439+.1

A

1006-2793(2016)01-0044-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.008