離子推力器空心陰極點火可靠性評價研究

楊　威，陳繼巍，賈艷輝，孟　偉，黃永杰

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州　730000）

離子推力器空心陰極點火可靠性評價研究

楊威，陳繼巍，賈艷輝，孟偉，黃永杰

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州730000）

空心陰極作為離子推力器放電室等離子體電離源初電子和束流中和電子的電子源，其點火可靠性直接影響到推力器的工作可靠性。以20 cm離子推力器在軌工作剖面為例，對空心陰極預期壽命下的可靠度進行了評價。采用小樣本的可靠性試驗與可靠性評價理論結合的方法，得到了LHC-5空心陰極點火6 000次時在置信區間0.90和0.95的點火可靠性好于0.98。結果證明LHC-5空心陰極可靠性滿足空間應用要求。研究成果對空心陰極可靠性增長設計和電推進產品可靠性評價方法研究具有積極意義。

離子推力器；空心陰極；開關點火；可靠性

0　引言

空心陰極是離子和霍爾推力器的關鍵部組件之一［1］。在啟動離子推力器時，必須首先實現主陰極和中和器點火，因此如果空心陰極未正常啟動，整臺推力器將無法工作。空心陰極作為離子推力器的單點失效部件，失效模式包括加熱器失效、發射體失效、離子刻蝕失效及空心陰極孔板離子刻蝕失效等［2］。

目前電推進空心陰極可靠性評價仍需依賴試驗［3］。作為離子推力器的獨立組件，空心陰極組件可以單獨開展可靠性評價試驗。20世紀90年代，美國NASA LeRC針對空心陰極6 000次開關點火要求，采用8支空心陰極加熱器樣本開展了加熱器開關次數可靠性評價試驗，以對預期壽命的可靠性開展評價［4］，其中一支試驗樣本完成32 000次開關點火［5］。2008年，美國GRC依據NEXT40離子推力器應用需求，針對空心陰極加熱器開展了可靠性驗證與評價研究，采用5支加熱器樣本開展了開關次數可靠性考核試驗，開機6 min，關機4 min循環，三支加熱器在13 000次時加熱絲開路失效，另外兩支完成10 000次開關后停止試驗，利用實驗數據結合小樣本可靠性評價方法，得到加熱器在置信度0.9時，空心陰極預期12 615次開關的可靠度0.90［6-7］。日本在1993年完成了針對ETS-VI平臺離子推力器空心陰極的可靠性評價試驗，采用10支樣本按照真實在軌工作剖面進行點火驗證試驗，但未結合可靠性評價理論對預期壽命可靠度給出評價［8-9］。另外，美國L-3通信電子公司［10］，意大利Laben/Protel公司［11-12］和英國的QinetiQ公司［13-14］等都針對不同的應用目標對空心陰極組件開展了可靠性評價試驗。

LHC-5空心陰極是蘭州空間技術物理研究所研制的LIPS-200離子推力器的放電陰極。其設計壽命為開關次數大于6 000次，11 000 h。空心陰極采用的電子發射材料，即發射體為LaB6。LaB6與Ba-W發射體相比具有發射電流密度大，抗中毒能力強的優點。因此，LaB6工作時對工質氣體的純度要求比Ba-W低兩個數量級。但是，LaB6發射體的發射功函數為2.67 eV比Ba-W的2.06 eV高，在相同的電流發射密度下電子發射溫度分別為1 650℃和1 100℃。因此，LaB6空心陰極更為關心加熱器開關點火可靠性。蘭州空間物理研究所針對加熱器開關點火可靠性評價開展了專項研究。

文章介紹了加熱器可靠性考核實驗的設備和考核結果分析情況，并基于試驗結果，對加熱器達到預期開關次數點火成功的可靠度做了理論分析。

1　試驗設備

長壽命可靠性評價試驗在蘭州空間技術物理研究所空心陰極地面專用真空設備TS-5［15］上開展。該設備主艙直徑800 mm，高度800 mm，4個副艙均直徑為200 mm，長度500 mm。副艙上配置磁傳動裝置，副艙和主艙之間用閘閥隔離。副艙主要用于更換試驗件，磁傳動用于將試驗件從副艙推到主艙。在4個副艙與主艙全貫通的情況下，系統本底真空度可以達到2×10-4Pa。

空心陰極開關次數和點火可靠性試驗按照以下兩種試驗工況開展：（1）空心陰極加熱電流7.5 A，點火成功1 min后關閉，冷卻30 min為1次循環；（2）空心陰極加熱電流7.5 A，點火成功后持續放電120 min，冷卻30 min為1次循環。

圖1　TS-5真空系統配置示意圖

2　試驗過程

空心陰極點火可靠性試驗共計4個批次9支樣本，其中第一、二批次各2支，第三批次1支，第四批次4只。試驗裝置的接線如圖2所示。

圖2　空心陰極試驗的接線示意圖

3　試驗結果和討論

空心陰極開關點火可靠性試驗結果如表1所列。目前為止，無失效數據。采用無失效數據開展可靠性分析通常比較困難，研究結果可以為空心陰極點火可靠性評價給出階段性分析結果，同時也是空心陰極點火可靠性評價方法的探索。

加熱絲材料的高溫蒸發和冷熱交變引起的熱絲微觀組織改變是影響空心陰極點火可靠性的主要因素，其失效服從威布爾分布，如式（1）：

式中：P（t）為失效概率；t為運行時間；β為形狀因子；η為位置因子［15］。對于N個零失效數據壽命試驗，即在空心陰極失效之前試驗終止，假設終止的時間為t。在置信度C下確定位置因子：

威布爾分布的可靠度可以表示為：

當產品壽命服從威布爾分布時，可以通過對數威布爾分布的位置因子和形狀因子的最好線性無偏估計方法，獲得產品各種壽命特征的估計值。利用該方法結合表1數據確定了形狀因子β和位置因子η的值分別為8.335 7和16 952。因此，預測的空心陰極加熱器開關點火的相對概率分布曲線如圖3所示。

表1　空心陰極開關點火可靠性

圖3　LHC-5空心陰極點火可靠性相對概率分布

圖3為空心陰極開關點火試驗進行至14 000～19 000次之間時，空心陰極發生故障概率最大，期間在16 900次左右時空心陰極發生故障的概率最大。

采用威布爾分布預測的LHC-5空心陰極在置信度為90%和95%下的開關點火可靠性分布曲線，如圖4所示。

圖4　LHC-5空心陰極預期點火次數可靠度曲線

圖4顯示LHC-5空心陰極預期開關點火6 000次時，可靠度預測結果為：90%置信度下的可靠度為0.999 895%置信度下可靠度為0.999 5。隨著空心陰極可靠性考核試驗的不斷積累，可靠性評價數據將會更加完善。另外，該結果也為推力器可靠性評價提供了數據支持。

4　結論

LHC-5空心陰極作為20 cm離子推力器的關鍵組件是推力器的可靠性單點。LHC-5空心陰極點火失效，20 cm離子推力器將無法工作。蘭州空間技術物理研究所針對LHC-5空心陰極空間應用目標開展了開關點火可靠性試驗，9支試驗樣本中4支完成考核目標終止試驗，5支驗證試驗正在繼續。結合階段性試驗結果對可靠性開展了理論評價。分析結果顯示置信度90%和95%下，LHC-5空心陰極達到6 000次開關點火的可靠度分別為0.999 8和0.999 5。本研究對空心陰極可靠性評價經驗和數據積累具有促進作用，為推力器或其他部組件的可靠性評價提供了方法參考。參考文獻：

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［2］郭寧，江豪成，高軍，等.離子發動機空心陰極失效形式分析［J］.真空與低溫，2005，11（4）：239-242.

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［15］BrophyJR，PolkJE，RandolphTM，etal.LifetimeQualification of Electric Thrusters for Deep-Space Missions［C］//44th Joint Propulsion Conference，AIAA-2008-5184，Hartford，CT.2008.

STUDY ON THE EVALUATION OF THE IGNITION RELIABILITY FOR ION THRUSTER’S HOLLOW CATHODE

YANG Wei，CHEN Ji-wei，JIAYan-hui，MENG Wei，HUANG Yong-jie
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

As hollow cathode is the primary electron source for Ion thruster discharge chamber plasma ionization and also for electron beam neutralization，its ignition reliability directly affects the reliability of thruster operation.This paper depicted the evaluation of the reliability of ignition under the expected life of the hollow cathode by taking 20 cm ion thruster in orbit cross-section as an example.By using the method of a small sample of the reliability testing and combination of reliability assessment theory，the results were obtained that between confidence intervals 0.9 to 0.95，hollow cathode ignition reliability is better than 0.98 when LHC-5 hollow cathode ignition times reaching 6 000 times.The results proved that the reliability of the hollow cathode of LHC-5 meeting the requirements of space applications.The research results showed positive significance to reliability growth design of hollow cathode and research in reliability evaluation method of electric propulsion products.

Ion thruster；hollow cathode；Ignition；reliability

V439+.1

A

1006-7086（2015）02-0096-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.008

2014-11-27

科工局國防基礎科研（B0320132008），蘭州空間技術研究所自主研發項目

楊威（1983-），男，內蒙古通遼市人，工程師，從事真空放電空心陰極技術研究。E-mail：qiqi94520@126.com。