LIPS-300離子推力器雙柵極壽命的數(shù)值分析

陳娟娟，張?zhí)炱剑Z艷輝，耿　海

(蘭州空間技術(shù)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(shù)值分析

陳娟娟，張?zhí)炱剑Z艷輝，耿海

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州730000)

LIPS-300離子推力器為蘭州空間技術(shù)物理研究所自主研制的雙模式離子推力器。推力器在軌運(yùn)行壽命是決定其是否能夠滿足未來(lái)航天使命需求的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)未來(lái)航天任務(wù)對(duì)LIPS-300離子推力器系統(tǒng)壽命的要求，即采用LIPS-300離子推力器完成所有在軌任務(wù)所需要的時(shí)間為10 098 h。因此，為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)LIPS-300離子推力器運(yùn)行過(guò)程中其關(guān)鍵部組件單點(diǎn)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(shù)值仿真計(jì)算的方法(PIC/MCC)預(yù)測(cè)了推力器分別單獨(dú)工作在210 mN和80 mN時(shí)柵極發(fā)生失效所對(duì)應(yīng)的壽命，并分析了關(guān)鍵失效模式，同時(shí)計(jì)算了推力器在大推力210 mN模式下工作6 000 h后，繼續(xù)在小推力模式80 mN工況下柵極對(duì)應(yīng)的壽命和關(guān)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(lái)航天使命的壽命需求，即安全裕度。數(shù)值結(jié)果顯示，LIPS-300離子推力器分別單獨(dú)工作在210 mN和80 mN時(shí)，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(duì)應(yīng)的關(guān)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(xù)在小推力80 mN下工作，此時(shí)對(duì)應(yīng)的壽命約為22 064.3 h，安全裕度為1.8，關(guān)鍵失效模式為電子反流失效；推力器單獨(dú)工作在210 mN和80 mN及雙模式下工作時(shí)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(shù)值仿真模型

0　引言

離子推力器因其推力可調(diào)節(jié)、高比沖、高效率、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被用來(lái)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]。對(duì)離子推力器來(lái)說(shuō)，限制其空間應(yīng)用的主要因素為長(zhǎng)壽命需求。基于對(duì)推力器失效模式和失效機(jī)理的研究，推力器的性能才能不斷提升、壽命不斷提高，識(shí)別推力器潛在失效模式的主要手段是進(jìn)行大量的空間飛行和地面磨損試驗(yàn)。目前發(fā)現(xiàn)的離子推力器磨損相關(guān)失效模式多達(dá)20余種，有些通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后已經(jīng)消除。基于LIPS-300離子推力器整機(jī)及其關(guān)鍵部組件考核和推力器設(shè)計(jì)結(jié)果及應(yīng)用模式，分析LIPS-300離子推力器可能出現(xiàn)的失效模式發(fā)現(xiàn)，影響LIPS-300離子推力器壽命的關(guān)鍵失效模式為電子反流失效和加速柵結(jié)構(gòu)失效[2-3]。這2種失效模式均屬于柵極系統(tǒng)失效，即為單點(diǎn)失效，其一旦失效就意味著離子推力器失效[4]。因此，準(zhǔn)確評(píng)估推力器束流引出過(guò)程中束流離子和中性氣體發(fā)生電荷交換碰撞產(chǎn)生的交換電荷離子對(duì)加速柵孔壁及表面的濺射腐蝕[5]及等離子體中的電子發(fā)生反流[6]引起的推力器極限壽命，對(duì)滿足衛(wèi)星任務(wù)需求是非常關(guān)鍵的。

離子推力器壽命預(yù)測(cè)模型是基于失效模式、失效機(jī)理和失效判據(jù)對(duì)推力器壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)的。柵極壽命模型可分為半經(jīng)驗(yàn)分析模型[7-10]和數(shù)值仿真計(jì)算模型[11-13]。LIPS-300離子推力器是蘭州空間技術(shù)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)LIPS-300離子推力器不同工作模式下的柵極運(yùn)行壽命，在此擬采用數(shù)值仿真計(jì)算的方法，對(duì)2種關(guān)鍵失效模式下的LIPS-300離子推力器柵極壽命做出預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

1　交換電荷離子CEX的產(chǎn)生加速及引出過(guò)程

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，對(duì)于氙電荷交換過(guò)程可表示為

(1)

在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)Δt內(nèi)，第i個(gè)離子與所處空間位置中性原子密度為nn(xi)的推進(jìn)劑原子發(fā)生碰撞的幾率為

(2)

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

離子的加速運(yùn)動(dòng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理可表示為

(3)

電子反流失效對(duì)應(yīng)的柵極壽命可表示為

(4)

式中Δda和da分別為失效時(shí)加速柵孔直徑變化率和直徑變化量。

加速柵結(jié)構(gòu)失效對(duì)應(yīng)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(chǎn)額修正因子；Y為濺射產(chǎn)額；MMo為鉬原子質(zhì)量。

考慮柵極組件束流離子引出特征及求解計(jì)算區(qū)域電場(chǎng)的便利，計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算模型采用等離子體粒子模擬中的網(wǎng)格粒子方法(PIC)，對(duì)柵極組件離子引出過(guò)程進(jìn)行模擬。交換電荷離子的產(chǎn)生利用MC方法進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)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(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1所示。

還是回了，兩個(gè)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(diǎn)點(diǎn)褪去他的衣服，手指和舌尖觸過(guò)他的每一寸肌膚，軟軟的，熱熱的，水滴一樣劃過(guò)，惹得他的心生生疼起來(lái)。他看不到她的臉，卻是感覺(jué)到她指尖的絕望，過(guò)往的片段幕幕回放，那些不懂愛(ài)情的日子，他們是如何那么蠢笨地輕易說(shuō)了放手。

圖1　計(jì)算流程圖

2　計(jì)算結(jié)果

本文分2種工況，分別對(duì)LIPS-300離子推力器柵極的壽命進(jìn)行評(píng)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(shí)柵極的極限壽命及對(duì)應(yīng)的失效模式；

(2)當(dāng)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(jìn)行位置保持，此時(shí)小推力工作模式的極限壽命及對(duì)應(yīng)的失效模式。

2.12種工作模式下的壽命評(píng)估

2.1.1210 mN工作模式

圖2為靜電勢(shì)分布和穩(wěn)態(tài)下的電勢(shì)分布，圖3為無(wú)碰撞發(fā)生時(shí)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(shì)分布

(b)穩(wěn)態(tài)下的電勢(shì)分布

圖3　無(wú)碰撞發(fā)生時(shí)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L(zhǎng)IPS-300離子推力器柵極雙柵極組件幾何結(jié)構(gòu)尺寸和工作電參數(shù)。表3所示為穩(wěn)態(tài)后加速柵上游、下游及內(nèi)壁面統(tǒng)計(jì)到的交換電荷總電量和電流。表4為程序統(tǒng)計(jì)到的屏柵和加速柵電流。表5所示為程序統(tǒng)計(jì)到的濺射產(chǎn)額。

表1　幾何結(jié)構(gòu)尺寸

表2　工作電參數(shù)

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(chǎn)額

根據(jù)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(shí)，加速柵孔半徑為0.6 mm，對(duì)應(yīng)的電子反流閾值電壓為-110.496 V，當(dāng)加速柵電壓為-375 V時(shí)，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的電子反流失效的壽命約為16 064.3 h。

根據(jù)表1、表2所示的幾何結(jié)構(gòu)尺寸和工作電參數(shù)和式(5)，得到210 mN模式下加速柵結(jié)構(gòu)失效對(duì)應(yīng)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(shì)分布和穩(wěn)態(tài)下的電勢(shì)分布。

(a)靜電勢(shì)分布

(b)穩(wěn)態(tài)下的電勢(shì)分布

計(jì)算結(jié)果顯示，束流引出過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，兩柵之間的電勢(shì)變化不大，而在加速柵下游區(qū)域的電勢(shì)變化很大。說(shuō)明交換電荷離子產(chǎn)生的主要區(qū)域?yàn)榧铀贃畔掠巍?/p>

圖7為無(wú)碰撞發(fā)生時(shí)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(jié)果顯示，中性原子和放電室內(nèi)通過(guò)屏柵孔進(jìn)入柵極之間的離子發(fā)生電荷交換碰撞產(chǎn)生的交換電荷離子中，有很少的一部分碰撞到加速柵內(nèi)表面。而主束流離子和穩(wěn)定后的束流離子空間位置分布，則沒(méi)有發(fā)生欠聚焦。

圖7　無(wú)碰撞發(fā)生時(shí)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(wěn)態(tài)后加速柵上游、下游及內(nèi)壁面統(tǒng)計(jì)到的交換電荷總電量和電流，表7為程序統(tǒng)計(jì)到的屏柵和加速柵電流。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在加速柵電流為0，說(shuō)明束流引出過(guò)程中，并沒(méi)有離子被加速柵所截獲。表8為程序統(tǒng)計(jì)到的濺射產(chǎn)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(chǎn)額

根據(jù)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(jù)加速柵孔半徑與電子反流閾值電壓之間的關(guān)系可知，當(dāng)加速柵半徑為0.6 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的電子反流閾值電壓為-196.511 V，而加速電壓為-300 V時(shí)，對(duì)應(yīng)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(xiàn)電子反流失效的壽命為26 633.2 h。

根據(jù)表1、表2所示的幾何結(jié)構(gòu)尺寸和工作電參數(shù)和式(5)，得到80 mN模式下加速柵結(jié)構(gòu)失效對(duì)應(yīng)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(guān)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(chǔ)上，該推力器繼續(xù)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(shì)和粒子位置分布情況：

圖10所示為靜電勢(shì)分布和穩(wěn)態(tài)下的電勢(shì)分布，圖11所示為無(wú)碰撞發(fā)生時(shí)的主束流離子空間位置分布。

(a)靜電勢(shì)分布

(b)穩(wěn)態(tài)下的電勢(shì)分布

圖11　無(wú)碰撞發(fā)生時(shí)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(chǔ)上，該推力器運(yùn)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(chǔ)上，該推力器運(yùn)行在80 mN的小推力模式。

表9所示為穩(wěn)態(tài)后加速柵上游、下游及內(nèi)壁面統(tǒng)計(jì)到的交換電荷總電量和電流。表10所示為程序統(tǒng)計(jì)到的屏柵和加速柵電流。表11所示為程序統(tǒng)計(jì)到的濺射產(chǎn)額。

根據(jù)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(shí)，加速柵孔半徑為0.6 mm，對(duì)應(yīng)的電子反流閥值電壓為-157.647 V。當(dāng)加速柵電壓為-375 V時(shí)，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(chǎn)額

綜上可知，當(dāng)推力器在大推力模式下工作6 000 h后，繼續(xù)在小推力器模式下工作，其運(yùn)行壽命約為19 329.04+6 000=25 329.04 h，關(guān)鍵失效模式為電子反流失效。

3　結(jié)論

(1)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，建立了推力器柵極組件壽命模型，采用數(shù)值仿真計(jì)算的方法，對(duì)LIPS-300離子推力器束流引出過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，利用程序自動(dòng)統(tǒng)計(jì)到的推力器束流引出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)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(chǎn)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(guān)鍵失效模式。

(2)計(jì)算結(jié)果顯示，在現(xiàn)有幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作電參數(shù)下，推力器不同工況不會(huì)影響束流在柵極組件中的加速、聚焦及引出，只會(huì)影響柵極組件的壽命。

(3)數(shù)值仿真結(jié)果能夠?yàn)長(zhǎng)IPS-300離子推力器進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)試及推力器優(yōu)化提供一定的參考價(jià)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(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(9140c550206130c5503)。

陳娟娟(1983—)，女，博士，研究領(lǐng)域?yàn)殡x子電推進(jìn)技術(shù)。E-mail：chenjjgontp@126.com

V439+.1

A

1006-2793(2016)01-0044-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.008