LIPS-300離子推力器加速柵電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳娟娟 張?zhí)炱?賈艷輝 吳辰宸

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

LIPS-300離子推力器加速柵電壓的優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳娟娟 張?zhí)炱?賈艷輝 吳辰宸

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000)

在不改變推力器幾何結(jié)構(gòu)的前提下，為了獲得LIPS-300離子推力器的最佳加速柵電壓，采用半經(jīng)驗(yàn)分析和數(shù)值仿真計(jì)算相結(jié)合的方法分析了加速柵電壓分別為-180 V、-190 V、-200 V、-210 V和-220 V時(shí)LIPS-300離子推力器柵極組件引出束流過程中束流離子從非平衡態(tài)到平衡態(tài)的演化過程，通過數(shù)值模擬計(jì)算得到了推力器運(yùn)行過程中交換電荷離子轟擊濺射到加速柵壁面的產(chǎn)額，利用壽命預(yù)測(cè)的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法對(duì)5種情況下LIPS-300離子推力器的柵極壽命進(jìn)行估計(jì)，分析了關(guān)鍵失效模式，通過對(duì)比獲得了LIPS-300離子推力器的最佳加速柵電壓。計(jì)算結(jié)果顯示，在現(xiàn)有幾何結(jié)構(gòu)下加速柵電壓的變化不會(huì)影響柵極組件的引出性能；加速柵下游更易受到交換電荷離子的轟擊濺射；加速柵電壓從-180 V變化至-220 V過程中，影響柵極壽命的關(guān)鍵失效模式為電子反流失效；對(duì)比5種情況下發(fā)生電子反流和結(jié)構(gòu)失效時(shí)對(duì)應(yīng)的柵極壽命可以發(fā)現(xiàn)，LIPS-300離子推力器加速柵電壓最佳值應(yīng)為-220 V，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵極壽命為16 170.4 h。

離子推力器；加速柵電壓；壽命；半經(jīng)驗(yàn)分析；仿真

1 引言

離子推力器因其推力可調(diào)節(jié)、高比沖、高效率及長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被用來執(zhí)行位置保持、部分軌道轉(zhuǎn)移、深空探測(cè)主推進(jìn)等使命[1]。柵極組件作為離子推力器的重要組成部件，其主要作用是將放電室內(nèi)氣體放電過程中產(chǎn)生的等離子體中的離子進(jìn)行加速、聚焦、引出，形成推力[2-3]。柵極的引出性能和壽命對(duì)推力器的性能和壽命具有直接影響[4-6]。對(duì)柵極組件的壽命評(píng)估可通過試驗(yàn)不斷測(cè)試的方法來實(shí)現(xiàn)[7]，但由于試驗(yàn)周期和開支問題，通過試驗(yàn)進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)也變得越來越不現(xiàn)實(shí)。因此，通常采用半經(jīng)驗(yàn)分析[8-11]和數(shù)值仿真計(jì)算的方法[12-14]來實(shí)現(xiàn)推力器柵極壽命的評(píng)估。文獻(xiàn)[9]利用半經(jīng)驗(yàn)分析計(jì)算了雙柵極離子推力器轟擊電流的腐蝕特點(diǎn)，利用模型計(jì)算了加速柵下游表面腐蝕凹槽和凹坑的深度，與試驗(yàn)值符合較好。文獻(xiàn)[15]開發(fā)了柵極的等離子體磨損效應(yīng)數(shù)值計(jì)算程序SAPPHIRE，模擬了柵極離子束流的引出過程，建立了柵極的腐蝕率計(jì)算模型。文獻(xiàn)[16]開發(fā)了等離子體對(duì)離子推力器腐蝕效應(yīng)的二維、三維模型，計(jì)算了加速柵下游表面腐蝕深度、電子反流極限和電子反流電流的大小。以上文獻(xiàn)分別利用半經(jīng)驗(yàn)分析方法和數(shù)值仿真計(jì)算方法研究了柵極束流引出過程和交換電荷離子對(duì)加速柵壁面的轟擊濺射，但都沒有具體地分析加速柵電壓對(duì)束流離子加速、聚焦、引出過程及其空間位置分布、轟擊濺射產(chǎn)生的產(chǎn)額對(duì)推力器柵極壽命的影響。加速柵電壓的合理選取可以有效地避免大量電子反流，降低加速柵結(jié)構(gòu)失效的概率。加速柵結(jié)構(gòu)失效和電子反流失效是決定離子推力器壽命的最關(guān)鍵的失效模式，通常定義為電子反流時(shí)電流與束流電流之比為1%。加速柵結(jié)構(gòu)失效的判據(jù)定義為凹槽濺射完全穿透加速柵后，柵極孔周圍的6個(gè)橋連接完全斷裂，使形成的小環(huán)脫落。

為了能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)LIPS-300離子推力器柵極組件的壽命，分析加速柵電壓對(duì)柵極組件壽命的影響，得到不同加速柵電壓下柵極發(fā)生電子反流失效和加速柵結(jié)構(gòu)失效的概率，進(jìn)一步提出加速柵電壓優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，本文擬考慮在不改變推力器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，首次采用半經(jīng)驗(yàn)分析和數(shù)值仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，通過計(jì)算不同加速柵電壓下LIPS-300離子推力器柵極組件壽命來實(shí)現(xiàn)該推力器加速柵電壓的優(yōu)化。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：1)交換電荷離子對(duì)加速柵孔壁和下游表面濺射腐蝕率及柵極單孔引出束流直徑無法利用試驗(yàn)的方法來直接測(cè)量得到，利用數(shù)值仿真計(jì)算方法可以分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和獲得；2)直接利用數(shù)值仿真計(jì)算模型進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)比較耗時(shí)，而利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢钥焖俚玫接?jì)算結(jié)果，并且以數(shù)值計(jì)算的部分?jǐn)?shù)據(jù)作為模型輸入也會(huì)降低半經(jīng)驗(yàn)分析模型的計(jì)算誤差。本文將這兩種計(jì)算方法有機(jī)結(jié)合，既可保證計(jì)算速度，又可以提高計(jì)算結(jié)果精度。

LIPS-300離子推力器加速柵電壓的設(shè)計(jì)值為-200 V，為了利用數(shù)值仿真計(jì)算的方法獲取最佳加速柵電壓，本文在取值時(shí)將其設(shè)計(jì)值作為基準(zhǔn)值，以10 V為電勢(shì)梯度，共取5個(gè)值(即-180 V、-190 V、-200 V、-210 V和-220 V)作為仿真的加速柵電壓參考值，將計(jì)算機(jī)程序中統(tǒng)計(jì)的濺射產(chǎn)額數(shù)值代入半經(jīng)驗(yàn)分析模型得到不同電壓下LIPS-300離子推力器柵極組件發(fā)生電子反流和加速柵結(jié)構(gòu)失效時(shí)分別對(duì)應(yīng)的柵極壽命，通過分析比對(duì)計(jì)算結(jié)果，獲取LIPS-300離子推力器加速柵最佳電壓值。

2 半經(jīng)驗(yàn)分析模型

半經(jīng)驗(yàn)壽命模型是將一些物理過程視為線性變化，利用簡(jiǎn)化得到分析解或利用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式對(duì)問題進(jìn)行研究。

(1)電荷交換離子CEX的產(chǎn)生

電荷交換碰撞為快速的推進(jìn)劑離子與熱運(yùn)動(dòng)速度的慢速原子發(fā)生交換電荷碰撞，即：

(1)

(2)電子反流半經(jīng)驗(yàn)分析模型

柵極組件中心孔對(duì)引出的束流離子電流Jm為

(2)

利用柵極直徑變化量和出現(xiàn)電子反流的加速柵孔徑變化量，就可以計(jì)算得到加速柵出現(xiàn)電子反流失效時(shí)的壽命τE：

(3)

(3)加速柵結(jié)構(gòu)失效半經(jīng)驗(yàn)分析模型

Architecture Design of REST-Based Workflow Engine on the Cloud……………XIA Huaiting， PAN Jintao(4·59)

加速柵結(jié)構(gòu)失效時(shí)壽命τS可表示為

(4)

式中λs為面積修正因子；lcc為加速柵相鄰孔圓心的距離；w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；Js為加速柵中心孔截獲交換電荷離子電流；λY為濺射產(chǎn)額修正因子；mMo為鉬原子質(zhì)量；Y為濺射額。

3 數(shù)值仿真計(jì)算模型

圖1 計(jì)算區(qū)域和邊界條件Fig.1 Computation region and boundary

圖1為本文建立的數(shù)值仿真計(jì)算模型。其中Vs、Va、Vp分別為屏柵電位、加速柵電位和放電室內(nèi)等離子體電位；ts、rs分別為屏柵厚度和半徑；Z、R分別為計(jì)算邊界軸向、徑向長(zhǎng)度；其中φ為計(jì)算區(qū)域內(nèi)電勢(shì)。

為了能較好地分析柵極引出性能、氙離子對(duì)加速柵表面的濺射產(chǎn)額及不同加速柵電壓對(duì)應(yīng)的柵極壽命，在不影響數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果的前提下，本模型作以下假設(shè)：

1)對(duì)于柵極來說，其屏柵、加速柵的柵孔個(gè)數(shù)非常多，但每個(gè)孔的直徑、離子和原子透明度均相同，因此本文僅選取一個(gè)柵極孔作為數(shù)值仿真對(duì)象；

2)屏柵、加速柵的柵孔具有軸對(duì)稱性，因此取其一半作為研究對(duì)象；

3)模型左邊界位于放電室內(nèi)部等離子體發(fā)射面(鞘層面)；

表1、表2分別為L(zhǎng)IPS-300離子推力器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)。

表1 幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 運(yùn)行參數(shù)

圖2 仿真計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow chart

考慮到柵極組件束流離子的引出特性及求解區(qū)域電場(chǎng)的便利，本文根據(jù)表1、表2所示的參數(shù)，利用圖1所示的數(shù)值仿真模型，采用等離子體粒子模擬中的網(wǎng)格粒子方法(PIC)對(duì)柵極組件中交換電荷離子的產(chǎn)生及加速柵表面的濺射腐蝕過程進(jìn)行數(shù)值仿真。交換電荷粒子的產(chǎn)生利用蒙特卡洛碰撞(MCC)方法來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的交換電荷離子與主束流離子一樣參與到PIC計(jì)算中，利用程序統(tǒng)計(jì)柵極截獲電流和柵極濺射腐蝕率。計(jì)算流程如圖2所示。

4 結(jié)果分析及討論

圖3為加速柵電壓分別為-220 V、-210 V、-200 V、-190 V和-180 V時(shí)LIPS-300離子推力器柵極組件束流引出過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的束流離子空間位置分布。

圖3 束流離子空間位置分布Fig.3 Distribution of position for beam ion

圖4 加速柵電流與加速柵電壓之間的關(guān)系Fig.4 Relationship between the electric current and the voltage

模擬結(jié)果顯示，在現(xiàn)有LIPS-300離子推力器幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)下，改變加速柵電壓不會(huì)影響束流離子的正常引出，即不同的加速柵電壓下LIPS-300離子推力器現(xiàn)有的柵極組件能很好地將放電室內(nèi)氣體放電過程中離子化產(chǎn)生的等離子體中的離子加速、引出。

圖4為數(shù)值計(jì)算模型中程序統(tǒng)計(jì)到的5種不同加速柵電壓下加速柵截獲的交換電荷離子總電流。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示LIPS-300離子推力器兩柵之間的束流離子從非平衡態(tài)演化到平衡態(tài)的過程中，相比加速柵的上游和內(nèi)表面，其下游區(qū)域更容易受到交換電荷離子的轟擊濺射。

圖5為數(shù)值計(jì)算模型中程序統(tǒng)計(jì)到的不同加速柵電壓下交換電荷離子對(duì)加速柵孔壁的濺射產(chǎn)額及質(zhì)量濺射速率。

圖5 不同加速柵電壓下的濺射產(chǎn)額和加速柵孔壁質(zhì)量濺射速率Fig.5 Sputtering yield and rate of accelerator grid for different voltages

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，濺射產(chǎn)額和加速柵孔壁質(zhì)量濺射速率隨加速柵電壓的變化趨勢(shì)相同，加速柵電壓為-220 V時(shí)對(duì)應(yīng)的濺射產(chǎn)額最大，而-180 V的加速柵電壓對(duì)應(yīng)的濺射產(chǎn)額則最小。

根據(jù)表1、表2所示參數(shù)和圖4、圖5程序統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，利用式(1)～(4)計(jì)算不同加速柵電壓對(duì)應(yīng)的濺射率和加速柵直徑變化率。

表3為利用半經(jīng)驗(yàn)分析模型計(jì)算得到的濺射率和加速柵柵孔直徑變化率。

表3 濺射率和加速柵孔直徑變化率

圖6 壽命計(jì)算結(jié)果Fig.6 Relationship between the lifetime and accelerator voltage

綜合考慮兩種不同的柵極失效模式，比較兩種模式下分別對(duì)應(yīng)的壽命，得到LIPS-300離子推力器柵極組件壽命隨加速柵電壓之間的關(guān)系，如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)加速柵電壓從-220 V增加至-180 V時(shí)，影響柵極壽命的關(guān)鍵失效模式為電子反流失效。

通過對(duì)比圖6中5個(gè)不同加速柵電壓下柵極組件發(fā)生電子反流和加速柵結(jié)構(gòu)失效時(shí)分別對(duì)應(yīng)的壽命可知，對(duì)LIPS-300離子推力器柵極組件來說，其最優(yōu)化的加速柵電壓為-220 V，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵極壽命約為16 170.4 h，關(guān)鍵失效模式為電子反流失效。

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的LIPS-300離子推力器，利用半經(jīng)驗(yàn)分析和數(shù)值仿真計(jì)算相結(jié)合的方法數(shù)值模擬和理論計(jì)算了加速柵電壓對(duì)柵極束流引出性能和壽命的影響。計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)推力器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和其他工作電參數(shù)不變時(shí)，加速柵電壓從-220 V增至-180 V，放電室內(nèi)離子化產(chǎn)生的等離子體都可以在整個(gè)柵極系統(tǒng)的作用下實(shí)現(xiàn)無障礙引出，并且沒有任何離子轟擊到加速柵壁面，說明加速柵電壓對(duì)主束流離子的引出性能影響不大，但從壽命計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)加速柵電壓將制約柵極壽命。

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(編輯：高珍)

Optimization of LIPS-300 Ion Thruster Accelerator Voltage

CHEN Juanjuan ZHANG Tianping JIA Yanhui WU Chenchen

(Science and Technology on Vacuum & Cryogenic Technology and Physics Laboratory,Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000)

Accelerator voltage directly affects the electron back streaming and acceleration grid sputter erosion. Therefore, how to obtain the best values of accelerator voltage is important for an ion thruster.The semi-empirical analysis method combined with the numerical simulation was used to analyze the equilibrium evolution of the beam current extracted from the LIPS-300 ion thruster grid and the grid lifetime was calculated. By using the numerical model, the sputter erosion rate that CEX sputtered on the surface of the acceleration grid was obtainded. Then applying this erosion rate to the theoretical model, the lifetime of the LIPS-300 ion thruster was estimated and the failure modes for the five different accelerator voltages were analyzed. The results show that the change of the accelerator voltage would not affect the performance of the LIPS-300 ion thruster gird.For the LIPS-300 ion thruster, the downstream of the acceleration grid would be more vulnerable to CEX sputtering erosion.While the accelerator voltage is changed from -220 V to -190 V, the key failure modes of the LIPS-300 ion thruster gid is electron backstreaming failure. By comparing the lifetime of the grid for the five different accelerator voltages,the best voltage is -220 V and the corresponding lifetime is 16 170.4 h.

Ion thruster；Accelerator voltage；Lifetime; Theoretical analysis; Simulation

真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140C550206130C55003)資助項(xiàng)目

2014-08-14。收修改稿日期：2014-09-23

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.02.010

陳娟娟 1983年生，2013年獲中國(guó)空間技術(shù)研究院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)榉烹姷入x子電推力器技術(shù)與工程。