30cm離子推力器柵極組件壽命預(yù)估及試驗(yàn)驗(yàn)證

孫明明,耿 海,楊俊泰,岳士超

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

30 cm離子推力器是蘭州空間技術(shù)物理研究所針對(duì)DFH-5衛(wèi)星平臺(tái)所研制的長(zhǎng)壽命、高比沖、大推力離子推力器,其具有5 kW和3 kW兩種工作模式,高功率即5 kW工作模式主要用于衛(wèi)星入軌階段的軌道轉(zhuǎn)移及姿態(tài)調(diào)整,而低功率即3 kW工作模式則用于衛(wèi)星在軌階段的軌道維持[1-2]。2019年12月,30 cm離子推力器搭載DFH-5平臺(tái)首發(fā)星SJ-20衛(wèi)星入軌并開(kāi)展工作,截至目前推力器已工作約900 h。根據(jù)SJ-20衛(wèi)星在軌服役全周期要求[3],推力器的整體設(shè)計(jì)壽命需滿足20 000 h(5 kW工況要求工作5 000 h,3 kW工況為15 000 h)。前期大量的研究證明[4-5],柵極組件的工作壽命基本決定了推力器在軌服務(wù)周期,而離子對(duì)柵極的刻蝕效應(yīng)[6]是造成柵極最終失效的決定性因素。因此分析并預(yù)估當(dāng)前設(shè)計(jì)狀態(tài)下的柵極組件在現(xiàn)有工作參數(shù)下的整體壽命,對(duì)評(píng)價(jià)推力器能否滿足衛(wèi)星在軌20 000 h的壽命需求,以及壽命提升優(yōu)化具有重要理論和工程價(jià)值。

對(duì)于離子推力器柵極組件的壽命預(yù)估,國(guó)內(nèi)外研究途徑主要是建立單個(gè)或數(shù)個(gè)柵孔的數(shù)值分析模型,計(jì)算刻蝕速率并同步開(kāi)展壽命試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及試驗(yàn)現(xiàn)象修正模型,以得到較為準(zhǔn)確的柵極預(yù)估壽命。柵孔數(shù)值分析模型的建立方法主要包括較早的半經(jīng)驗(yàn)方法、流體方法以及目前應(yīng)用廣泛的粒子網(wǎng)格蒙特卡羅碰撞模擬(particle-in-cell-Monte Carlo collision, PIC-MCC)方法。2006年,NSTAR離子推力器[7]的柵極壽命預(yù)估采用了半經(jīng)驗(yàn)方法,即在計(jì)算得到柵極上游等離子體密度后,按照試驗(yàn)測(cè)定比例估計(jì)柵極下游電荷交換(charge exchange, CEX)離子密度,并結(jié)合柵極電勢(shì)分布得到相應(yīng)的材料濺射產(chǎn)額,最后根據(jù)柵孔擴(kuò)大率和柵極厚度變化情況估算柵極壽命。同步進(jìn)行的壽命試驗(yàn)結(jié)果顯示,在30 352 h試驗(yàn)后,CEX離子引起的加速柵“坑-槽”腐蝕已導(dǎo)致柵孔間的“孔筋”穿透,最終造成加速柵失去聚焦能力且脫落小環(huán)引起柵間短路從而導(dǎo)致推力器失效,但仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差且未能反映柵極的刻蝕趨勢(shì)。2010年,日本研究人員采用PIC-MCC方法建立μ-10離子推力器柵極壽命模型[8-9],獲得了柵孔壁面隨時(shí)間的刻蝕形貌變化,但計(jì)算過(guò)程并未考慮柵極間距自身變化所造成的影響。隨后開(kāi)展的18 000 h壽命試驗(yàn)結(jié)果顯示,在試驗(yàn)前期(1 000～1 500 h),柵孔徑刻蝕增幅呈現(xiàn)非線性,束流的欠聚焦?fàn)顟B(tài)是造成這一現(xiàn)象的主要因素,而在試驗(yàn)后期,柵孔的變化則呈現(xiàn)均勻趨勢(shì)。德國(guó)RIT-22射頻離子推力器柵極壽命預(yù)估模型同樣采用PIC-MCC方法,在固定柵極間距的條件下,對(duì)柵極進(jìn)行了分段壽命預(yù)估。相應(yīng)的壽命試驗(yàn)結(jié)果顯示[10],柵極組件在前期(0～2 500 h)呈現(xiàn)快速刻蝕特點(diǎn),而之后的柵孔徑刻蝕則呈明顯線性增大趨勢(shì),前期的刻蝕速率近似為線性段刻蝕速率的5倍,仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為接近。針對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象,經(jīng)分析認(rèn)為在壽命試驗(yàn)的早期階段,柵極初始裝配的柵孔對(duì)中性基本都會(huì)存在一定偏差(越遠(yuǎn)離中心越明顯),使得束流直接轟擊柵孔的概率大幅提升,而在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,柵孔對(duì)中偏差被離子刻蝕消失后,柵孔的刻蝕主要由CEX離子造成,此時(shí)的刻蝕速率遠(yuǎn)小于前期的刻蝕速率。

國(guó)內(nèi)近年來(lái)開(kāi)展了少量柵極壽命仿真分析,但模型尚不具備邊界修正功能,即柵孔形貌無(wú)法隨刻蝕量改變,且推力器進(jìn)行的壽命試驗(yàn)次數(shù)較少。2017年,蘭州空間技術(shù)物理研究所對(duì)30 cm離子推力器工程樣機(jī)進(jìn)行了1 500 h的壽命試驗(yàn)[11]。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在5 kW模式下,減速柵中間區(qū)域(中心和邊緣的環(huán)形區(qū)域)刻蝕程度最為明顯,大部分區(qū)域柵孔出現(xiàn)了“斷筋”現(xiàn)象;加速柵的刻蝕程度次之,但在靠近加速柵中心區(qū)域,部分加速柵孔出現(xiàn)了明顯的“坑-槽”腐蝕現(xiàn)象,證明柵孔的對(duì)中性改變引起了束流的聚焦?fàn)顟B(tài)變化,從而導(dǎo)致在試驗(yàn)早期出現(xiàn)嚴(yán)重刻蝕;屏柵孔的刻蝕程度相對(duì)較輕,孔徑基本無(wú)明顯變化。

綜上所述,柵極組件是影響離子推力器壽命的關(guān)鍵,本文首先采用有限元分析對(duì)柵極熱平衡狀態(tài)下的間距進(jìn)行計(jì)算,在獲得較為精確的熱態(tài)柵間距基礎(chǔ)上,采用PIC-MCC方法預(yù)估在5 kW工況下、不同時(shí)間段內(nèi)、柵極不同區(qū)域的刻蝕速率,并結(jié)合已完成的5 700 h壽命試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),最后對(duì)柵極的整體壽命進(jìn)行預(yù)估,并評(píng)價(jià)推力器在軌服務(wù)能力。

1 柵極熱態(tài)平衡間距

離子推力器在工作過(guò)程中會(huì)在不同部件形成熱量沉積效應(yīng),導(dǎo)致柵極組件自身發(fā)生熱變形并產(chǎn)生相對(duì)位移,引起柵極間距的變化,而柵極間距的變化會(huì)直接引起束流聚焦特性及CEX離子分布和刻蝕速度的改變,因此獲得30 cm離子推力器熱態(tài)平衡間距是開(kāi)展壽命預(yù)估的前提。本文采用有限元分析方法對(duì)5 kW工況下的柵極熱態(tài)間距進(jìn)行模擬。

30 cm離子推力器采用三柵極組件,由內(nèi)至外分別為屏柵、加速柵和減速柵。為了降低柵極組件的離子刻蝕效應(yīng),在柵極設(shè)計(jì)過(guò)程中采取了變孔徑設(shè)計(jì),即將柵極表面開(kāi)孔區(qū)域進(jìn)行人為分區(qū),劃分為不同區(qū)域。其中,30 cm離子推力器的柵極表面最大開(kāi)孔區(qū)域?yàn)?90 mm,在設(shè)計(jì)過(guò)程中,以柵極幾何中心為原點(diǎn),直徑70 mm以內(nèi)的柵極面積定義為區(qū)域1,直徑70～140 mm內(nèi)的柵極環(huán)形面積定義為區(qū)域2,直徑140～230 mm內(nèi)的柵極環(huán)形面積定義為區(qū)域3,之后的直徑每增加10 mm的環(huán)形區(qū)域定義為新區(qū)域,由此,對(duì)總開(kāi)孔區(qū)域?yàn)?90 mm的柵極表面一共劃分為9個(gè)不同孔徑區(qū)域,如表1所示。對(duì)于推力器的熱分析過(guò)程,課題組前期已進(jìn)行過(guò)研究[12-13],本文中不再進(jìn)行建模以及熱邊界條件的介紹,而直接給出推力器熱平衡狀態(tài)下(工作4 h后)的柵間距仿真結(jié)果,如表1所示,表中負(fù)值表示二者間距拉大,正值表示間距縮小。其次,為反映柵極整體熱形變情況,表1數(shù)據(jù)為在相應(yīng)區(qū)域內(nèi),沿半徑方向取20個(gè)點(diǎn)后計(jì)算得到的平均值。

從表1結(jié)果來(lái)看,減速柵在1～2中心區(qū)域形變量較小,而3～5區(qū)域變形較大但形變量較為均勻,越往邊緣區(qū)域,即6～9區(qū)域減速柵形變量逐漸降低,由此導(dǎo)致的結(jié)果為,減速柵整體變形呈現(xiàn)明顯的中心局部凹陷特征,如圖1(a)所示。加速柵同樣在1～2中心區(qū)域變形較小,而在3～8區(qū)域內(nèi),形變量為均勻增加,因此加速柵整體變形基本呈現(xiàn)均勻突起特征,如圖1(b)所示。

(a) 減速柵形變量(a) Deformation of decelerator grid

(b) 加速柵形變量(b) Deformation of accelerator grid圖1 減速柵和加速柵的熱形變位移Fig.1 Thermal deformation of the decelerator grid and the accelerator grid

表2 柵極中心點(diǎn)的間距變化量(5 kW工況下)

2 壽命預(yù)估方法及仿真模型

全壽命周期預(yù)估方法為:結(jié)合壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行全壽命周期預(yù)測(cè),基于柵孔濺射腐蝕模型(一般采用PIC-MCC方法),計(jì)算柵孔質(zhì)量刻蝕速率,并根據(jù)模擬時(shí)長(zhǎng)片段的分析結(jié)果(30 cm推力器壽命試驗(yàn)取300 h為一小節(jié)),對(duì)模型邊界條件進(jìn)行修正,重新計(jì)算柵孔質(zhì)量刻蝕速率,最終給出每小節(jié)完成后的預(yù)計(jì)壽命。過(guò)程如圖2所示。

圖2 全壽命周期預(yù)估方法示意圖Fig.2 The whole life estimate method of the grids

圖2所示方法可簡(jiǎn)述為:假設(shè)初始孔徑為r1,在此邊界條件下(r1時(shí)的電場(chǎng)、磁場(chǎng))的模型預(yù)估刻蝕速率為v1(根據(jù)最大可刻蝕質(zhì)量預(yù)估得到預(yù)估壽命h1);經(jīng)過(guò)T1時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)后,孔徑變?yōu)閞2,此時(shí)重新計(jì)算模型邊界條件(r2對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)、磁場(chǎng)),計(jì)算得到經(jīng)過(guò)T1時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)后的柵孔刻蝕速率v2(根據(jù)最大可刻蝕質(zhì)量減去已刻蝕質(zhì)量,以剩余質(zhì)量得到預(yù)估壽命h2);再經(jīng)過(guò)T2時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)后,孔徑變?yōu)閞3,再次修正模型并計(jì)算預(yù)估刻蝕速率v3以及預(yù)估壽命h3,以此類推。

柵孔腐蝕模型的構(gòu)建思路是基于柵極不同區(qū)域的柵孔尺寸和熱平衡間距,以及電場(chǎng)分布和上游等離子體密度等初值條件,計(jì)算該區(qū)域柵孔的離子濺射腐蝕速率,并將柵極單孔近似為圓孔以便于進(jìn)行壽命預(yù)估。保守壽命預(yù)估方法為當(dāng)加速柵孔徑等于屏柵孔徑后,即認(rèn)為壽命終結(jié);拓展壽命預(yù)估方法為當(dāng)柵孔發(fā)生“斷筋”現(xiàn)象,且“斷筋”的標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)柵孔的濺射腐蝕程度達(dá)到原始孔徑的90%,即發(fā)生結(jié)構(gòu)失效則認(rèn)為壽命終結(jié)。本文采用拓展壽命預(yù)估方法。

對(duì)于柵孔腐蝕模型,本課題組前期已開(kāi)展過(guò)相應(yīng)研究[14-15],本文不再進(jìn)行PIC-MCC算法介紹,僅給出模型的建立和邊界條件設(shè)置過(guò)程。模型計(jì)算區(qū)域如圖3(a)所示,圖中ds-a和da-d分別為屏柵與加速柵間距、加速柵與減速柵間距(計(jì)算中根據(jù)表1和表2所給出的柵極不同區(qū)域的間距值進(jìn)行選取),其余參數(shù)定義如表3所示。圖3(b)為計(jì)算區(qū)域的邊界條件設(shè)置,其中左邊界為等離子體入口,右邊界即減速柵下游區(qū)域?yàn)榈入x子體出口;三個(gè)柵極表面均設(shè)置為等離子體吸收邊界,下邊界由于是計(jì)算區(qū)域的對(duì)稱軸,因此設(shè)置為反射邊界,并且柵極間距區(qū)域同樣設(shè)置為反射邊界,即當(dāng)一個(gè)離子進(jìn)入計(jì)算區(qū)域的同時(shí),原計(jì)算區(qū)域的一個(gè)離子脫離計(jì)算區(qū)域。

(a) 計(jì)算區(qū)域(a) Calculation region

(b) 邊界設(shè)置(b) Boundaries setting圖3 三柵極組件的計(jì)算區(qū)域示意圖及邊界設(shè)置Fig.3 Calculation region and boundaries setting of the triple grid

表3為采用PIC-MCC方法的計(jì)算區(qū)域參數(shù)設(shè)置。其中rsc、rac和rdel分別為屏柵、加速柵和減速柵的柵孔半徑,tsc、tac和tdel分別為屏柵、加速柵和減速柵厚度,Vacc、Vsc和Vdel分別為加速柵、屏柵及減速柵電壓,Nm為柵極上游的最大離子密度(根據(jù)前期研究結(jié)果[16]取為6×1018m-3),Ti為離子溫度(近似認(rèn)為離子溫度與放電室溫度一致[17-18]),Vp為等離子體電勢(shì),Teu為柵極上游區(qū)域電子溫度(該區(qū)域電子主要來(lái)源為主陰極發(fā)射以及放電室電離產(chǎn)生),Ted為柵極下游區(qū)域電子溫度(該區(qū)域電子主要來(lái)源為中和器發(fā)射以及羽流區(qū)電離產(chǎn)生)[19-21]。

表3 計(jì)算區(qū)域的參數(shù)設(shè)置

在得到濺射刻蝕速率后,為預(yù)估壽命,需計(jì)算柵孔的最大可刻蝕質(zhì)量。其中最大可濺射質(zhì)量以柵孔90%的腐蝕程度進(jìn)行考慮。最大可濺射質(zhì)量可根據(jù)圖4所示柵孔的結(jié)構(gòu)等效來(lái)進(jìn)行預(yù)估。圖4所示六邊形為取各相鄰柵孔中線(即孔筋)構(gòu)成,S1以及S2分別為內(nèi)孔圓面積以及外孔圓面積,其中內(nèi)孔圓半徑與柵孔半徑一致,外孔圓半徑為圓心至六邊形頂點(diǎn)距離的90%。由于柵孔是同步發(fā)生刻蝕,因此所有相鄰等效圓的半徑同時(shí)擴(kuò)大,即當(dāng)內(nèi)孔圓半徑擴(kuò)大至與外孔圓半徑相等時(shí),則認(rèn)為發(fā)生“斷筋”。單孔最大可濺射腐蝕質(zhì)量可表述為式(1),式中MS為最大可濺射腐蝕質(zhì)量,ρ為材料密度(柵極采用Mo材料加工制成,Mo材料的密度為10.2×103kg/m3),ht為孔壁厚度。通過(guò)計(jì)算得到,加速柵孔的最大可濺射質(zhì)量為4.6×10-6kg, 減速柵孔的最大可濺射質(zhì)量為3.9×10-6kg。

MS=ρht(S2-S1)

(1)

圖4 柵孔最大可刻蝕質(zhì)量計(jì)算Fig.4 The largest erosion mass of the grid apertures

根據(jù)得到的30 cm離子推力器柵孔離子質(zhì)量濺射速率以及最大可刻蝕質(zhì)量,則可以對(duì)每小節(jié)后的壽命進(jìn)行預(yù)估。

3 柵極壽命預(yù)估

結(jié)合2017年完成的30 cm離子推力器工程樣機(jī)的1 500 h壽命試驗(yàn)結(jié)果[11],對(duì)于柵極刻蝕過(guò)程,最值得關(guān)注的區(qū)域?yàn)榭拷鼫p速柵邊緣的環(huán)形區(qū)域3內(nèi)的刻蝕(在1 500 h壽命試驗(yàn)中該區(qū)域出現(xiàn)大量“斷筋”現(xiàn)象)。根據(jù)表1、表2分析結(jié)果和表3的邊界設(shè)置,柵極組件區(qū)域3內(nèi)的加速柵和減速柵間距增大0.043 mm,變?yōu)?.893 mm,屏柵對(duì)加速柵的間距則縮小了0.35 mm。本文采取的全壽命周期預(yù)估方法是將300 h作為更改邊界條件的時(shí)間步長(zhǎng),由于300 h的時(shí)間間隔過(guò)短,從計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)法看出柵孔徑變化,并且限于篇幅,本文僅給出減速柵區(qū)域3(為便于比對(duì),文中統(tǒng)一將該區(qū)域稱為邊緣區(qū)域)柵孔在1 500 h、3 300 h和5 700 h后的刻蝕情況仿真分析圖,如圖5所示,加速柵和屏柵其他區(qū)域的刻蝕速率均以數(shù)值結(jié)果給出,如表4所示。

從圖5結(jié)果來(lái)看,3 300 h的減速柵邊緣孔徑相比1 500 h有明顯變化,結(jié)合表4所示柵孔刻蝕速率來(lái)看,0～3 300 h內(nèi)的刻蝕速率較高,且1 500 h內(nèi)的刻蝕速率最高達(dá)到了6.25×10-14kg/s,而5 700 h的刻蝕速率相比1 500 h內(nèi)的有大幅降低,降幅達(dá)到了15.4%。同樣的現(xiàn)象在加速柵中心和邊緣,以及減速柵中心區(qū)域均有出現(xiàn),5 700 h內(nèi)的加速柵中心和邊緣及減速柵中心區(qū)域相比1 500 h內(nèi)的降幅分別達(dá)到8.0%、4.1%和3.6%。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可結(jié)合圖4

該模塊可實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商分類管理，實(shí)現(xiàn)合格供方的審核與積極評(píng)價(jià)功能、自定義審核流程；支持管理供應(yīng)商資質(zhì)檔案管理（文檔或圖片形式），支持提取合格供方目錄；實(shí)現(xiàn)供應(yīng)商有效管控，物資采購(gòu)采用合格供方提供供貨范圍內(nèi)的物料。

(a) 1 500 h后電勢(shì)分布和離子密度分布(a) Potential and ion density after 1 500 h

(b) 3 300 h后電勢(shì)分布和離子密度分布(b) Potential and ion density after 3 300 h

(c) 5 700 h后電勢(shì)分布和離子密度分布(c) Potential and ion density after 5 700 h圖5 減速柵區(qū)域3柵孔變化后的電勢(shì)以及離子密度分布Fig.5 Electric potential and ion density distribution after the variation of the diameter of the apertures in region 3 of the decelerator grid

表4 不同區(qū)域柵孔的刻蝕速率

結(jié)果以及德國(guó)RIT-22射頻離子推力器的壽命試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)說(shuō)明[10]:在推力器壽命試驗(yàn)初期(一般在2 000 h以內(nèi)),CEX離子對(duì)柵孔的刻蝕并非主要影響(CEX離子刻蝕一般在柵極壽命的中后期),而束流對(duì)柵孔的直接刻蝕占主要地位,尤其是柵極邊緣區(qū)域的柵孔(柵孔對(duì)中性在熱形變影響下發(fā)生改變),是受到束流直接刻蝕的最主要部位。這一結(jié)論在日本μ-10離子推力器壽命試驗(yàn)結(jié)果中得到了證實(shí)[8-9],μ-10離子推力器(雙柵結(jié)構(gòu),加速柵處于最外層)加速柵邊緣孔在試驗(yàn)前期(約1 500 h內(nèi))呈現(xiàn)梯形刻蝕(出口處刻蝕更嚴(yán)重),而沒(méi)有出現(xiàn)CEX離子造成明顯的柵極“坑-槽”刻蝕。試驗(yàn)中后期,加速柵邊緣孔的孔徑基本呈線性擴(kuò)大,刻蝕速率相比前期明顯降低,且變化較小,而柵極中心區(qū)域的“坑-槽”刻蝕(導(dǎo)致厚度降低)現(xiàn)象則非常明顯。圖5和表4的孔徑刻蝕仿真結(jié)果也基本呈現(xiàn)同樣特點(diǎn),如5 700 h的刻蝕速率相比3 300 h的變化較低,因此可認(rèn)為,對(duì)于采用柵極實(shí)現(xiàn)離子加速引出功能的同類型離子推力器來(lái)說(shuō),最外層?xùn)艠O的邊緣孔刻蝕呈現(xiàn)早期快速非線性和后期緩慢線性變化的特點(diǎn)是普遍現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證圖5和表4的孔徑刻蝕仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,以及證明本文得到的柵孔刻蝕呈現(xiàn)早期非線性和后期線性的特點(diǎn)是普遍現(xiàn)象的這一結(jié)論,結(jié)合2018—2020年開(kāi)展的30 cm離子推力器8 000 h壽命試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于主要關(guān)注的是柵極從非線性刻蝕進(jìn)入線性刻蝕時(shí)間段內(nèi)的幾何改變,因此本文僅給出5 700 h內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真結(jié)果驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)前,首先將仿真計(jì)算得到的質(zhì)量刻蝕速率表述為孔徑變化率,即:

(2)

式中,r1和r2分別為上一階段孔徑值和現(xiàn)階段孔徑值,d為柵孔厚度,v為質(zhì)量濺射速率。根據(jù)式(2)可得到現(xiàn)階段孔徑值。仿真和實(shí)測(cè)比對(duì)結(jié)果如圖6所示,其中圖6(a)和圖6(c)分別為區(qū)域3內(nèi)減速柵和加速柵的邊緣孔徑變化,圖中所示的0°、60°、180°和300°分別為以柵極中心為原點(diǎn),x軸線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的不同角度方向上的柵孔徑平均值,以獲得整個(gè)柵面邊緣孔的刻蝕情況。圖6(b)和圖6(d)分別為區(qū)域1內(nèi)減速柵和加速柵的中心孔徑變化的試驗(yàn)值與計(jì)算值的比對(duì)曲線。

(a) 減速柵邊緣區(qū)域(a) Edge area of the decelerator grid

(b) 減速柵中心區(qū)域(b) Center area of the decelerator grid

(c) 加速柵邊緣區(qū)域(c) Edge area of the accelerator grid

(d) 加速柵中心區(qū)域(d) Center area of the accelerator grid圖6 不同區(qū)域孔徑實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of the test results and the simulation results in different regions

從圖6的比對(duì)結(jié)果來(lái)看,減速柵中心、加速柵中心和邊緣孔徑的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合性較好,誤差均小于10%,并且試驗(yàn)得到的柵孔刻蝕趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致。如圖6(b)～(d)所示,在整個(gè)5 700 h的試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)內(nèi),減速柵中心孔、加速柵中心和邊緣孔的擴(kuò)大基本可看作線性變化,并在整個(gè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中均保持這一變化趨勢(shì)。圖6(a)的試驗(yàn)結(jié)果顯示減速柵邊緣孔在經(jīng)過(guò)1 000～1 500 h的快速刻蝕后進(jìn)入緩慢變化狀態(tài);仿真結(jié)果顯示,在經(jīng)過(guò)2 000～2 500 h的快速刻蝕后,減速柵邊緣區(qū)域孔徑才處于緩慢線性增長(zhǎng)階段,且計(jì)算值要明顯高于試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。分析誤差來(lái)源:根據(jù)表1和圖1的模擬結(jié)果來(lái)看,減速柵邊緣區(qū)域熱形變位移導(dǎo)致柵孔對(duì)中性發(fā)生改變(柵孔的小幅度錯(cuò)位),在束流高能粒子轟擊作用下,前期出現(xiàn)快速刻蝕的可能性非常高,而PIC-MCC模型尚無(wú)法就柵孔對(duì)中性改變進(jìn)行調(diào)整,其次柵極熱形變有限元仿真結(jié)果的精確性也是造成誤差的主要來(lái)源。整個(gè)刻蝕過(guò)程可以用圖7(a)進(jìn)行解釋。在熱應(yīng)力作用下,柵極整體發(fā)生熱位移且形變趨勢(shì)如圖1和表1所示,由此導(dǎo)致邊緣區(qū)域柵孔的對(duì)中性有了大幅改變并發(fā)生錯(cuò)位,如圖7(a)所示,錯(cuò)位會(huì)導(dǎo)致邊緣柵孔在試驗(yàn)前期出現(xiàn)快速刻蝕,且刻蝕呈現(xiàn)橢圓形刻蝕,并且由于中心區(qū)域等離子密度更高,因此刻蝕方向朝向圓心。而中心區(qū)域柵孔受柵極間距的影響較小,因此只出現(xiàn)孔徑逐漸刻蝕擴(kuò)大的特性(類似于線性變化)。圖7(b)所示為采用三維輪廓儀測(cè)量得到的5 700 h后的區(qū)域3內(nèi)的減速柵邊緣孔變化,柵孔呈現(xiàn)明顯橢圓形刻蝕,并且越朝向中心區(qū)域的刻蝕越明顯,這一現(xiàn)象也驗(yàn)證了前述的分析結(jié)論。

(a) 減速柵孔的刻蝕過(guò)程(a) Erosion process of the aperture of the decelerator grid

(b) 5 700 h后的減速柵邊緣孔(b) Edge aperture of decelerator grid after 5 700 h圖7 減速柵孔的刻蝕過(guò)程以及5 700 h后的邊緣孔刻蝕形狀Fig.7 Erosion process and erosion shape of the aperture of the decelerator grid after 5 700 h

此外,根據(jù)推力器在軌工作方式,即推力器完成5 kW工況的5 700 h累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)后,需繼續(xù)開(kāi)展3 kW工況的在軌工作。因此,本文在圖5(c)的柵孔刻蝕形貌基礎(chǔ)上,進(jìn)一步模擬3 kW工況柵極熱態(tài)間距,并設(shè)置相應(yīng)3 kW工況下的電、氣參數(shù)以及上游等離子體密度等邊界條件,得到柵極不同區(qū)域的刻蝕速率(假設(shè)此時(shí)柵極處于線性刻蝕,且刻蝕速率恒定),限于篇幅,本文僅給出計(jì)算結(jié)果。在5 kW工況累計(jì)5 700 h后,3 kW工況下加速柵中心和邊緣、減速柵中心和邊緣的刻蝕速率分別為4.16×10-14kg/s和5.62×10-14kg/s、4.08×10-14kg/s和5.11×10-14kg/s。結(jié)合柵孔最大可濺射質(zhì)量計(jì)算得到,在上述區(qū)域,柵極還能分別繼續(xù)刻蝕24 234 h、18 332 h、19 723 h和16 014 h,均滿足SJ-20衛(wèi)星壽命要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)影響30 cm離子推力器壽命的關(guān)鍵部件即柵極組件進(jìn)行壽命預(yù)估以及基于推力器的5 700 h壽命試驗(yàn)結(jié)果比對(duì),得到以下結(jié)論:

1)減速柵整體變形呈現(xiàn)明顯的中心局部凹陷特征,加速柵整體變形呈現(xiàn)為均勻突起,加速柵和減速柵中心區(qū)域(直徑0～70 mm)的熱態(tài)平均間距變化較小,縮小量為0.057 mm,而二者幾何中心點(diǎn)的間距縮小量為0.15～0.25 mm。區(qū)域2內(nèi)的兩柵平均間距增大0.129 mm,而越向邊緣區(qū)域延伸,加速柵變形大于減速柵導(dǎo)致二者間距愈小。

2)壽命全周期預(yù)估結(jié)果顯示,減速柵邊緣區(qū)域3在0～3 300 h內(nèi)的刻蝕速率較高,且1 500 h時(shí)的刻蝕速率達(dá)到最大,為6.25×10-14kg/s,而5 700 h的刻蝕速率相比1 500 h的降幅達(dá)到15.4%。5 700 h內(nèi)的加速柵中心和邊緣及減速柵中心區(qū)域的刻蝕速率相比1 500 h內(nèi)的降幅分別為8.0%、4.1%和3.6%。

3)在5 700 h的壽命試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)內(nèi),減速柵中心孔、加速柵中心和邊緣孔的刻蝕基本呈線性變化,并在整個(gè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中均保持這一趨勢(shì),且仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合性較好,誤差均小于10%。試驗(yàn)結(jié)果顯示減速柵邊緣孔在經(jīng)過(guò)1 500 h的快速刻蝕后進(jìn)入緩慢線性變化,而仿真結(jié)果為在2 000～2 500 h之后,減速柵邊緣孔才處于緩慢線性增長(zhǎng)階段。誤差經(jīng)分析認(rèn)為主要來(lái)源于兩方面——PIC-MCC模型無(wú)法就柵孔對(duì)中性改變進(jìn)行調(diào)整,以及柵極熱形變有限元仿真結(jié)果的精確性。

仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明,現(xiàn)有30 cm離子推力器的三柵極組件能夠滿足20 000 h的柵極整體設(shè)計(jì)壽命要求,后續(xù)將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步修正模型,以提高模型計(jì)算精度。