LIPS-300离子推力器双栅极寿命的数值分析

陈娟娟，张天平，贾艳辉，耿　海

(兰州空间技术物理研究所，兰州　730000)



LIPS-300离子推力器双栅极寿命的数值分析

陈娟娟，张天平，贾艳辉，耿海

(兰州空间技术物理研究所，兰州730000)

LIPS-300离子推力器为兰州空间技术物理研究所自主研制的双模式离子推力器。推力器在轨运行寿命是决定其是否能够满足未来航天使命需求的关键因素之一。根据未来航天任务对LIPS-300离子推力器系统寿命的要求，即采用LIPS-300离子推力器完成所有在轨任务所需要的时间为10 098 h。因此，为了准确预测LIPS-300离子推力器运行过程中其关键部组件单点失效的栅极组件寿命，文中建立了LIPS-300离子推力器栅极组件寿命模型，利用数值仿真计算的方法(PIC/MCC)预测了推力器分别单独工作在210 mN和80 mN时栅极发生失效所对应的寿命，并分析了关键失效模式，同时计算了推力器在大推力210 mN模式下工作6 000 h后，继续在小推力模式80 mN工况下栅极对应的寿命和关键失效模式。另外，分析了不同工况下LIPS-300离子推力器栅极寿命是否满足未来航天使命的寿命需求，即安全裕度。数值结果显示，LIPS-300离子推力器分别单独工作在210 mN和80 mN时，其栅极工作寿命分别为16 064.3、26 633.2 h，安全裕度分别为1.3、2.2，两种情况对应的关键失效失效模式均为电子反流失效；LIPS-300离子推力器在210 mN大推力模式下工作6 000 h后，继续在小推力80 mN下工作，此时对应的寿命约为22 064.3 h，安全裕度为1.8，关键失效模式为电子反流失效；推力器单独工作在210 mN和80 mN及双模式下工作时的安全裕度分别为1.6、2.6和2.2。

LIPS-300离子推力器；栅极寿命；数值仿真模型

0　引言

离子推力器因其推力可调节、高比冲、高效率、长寿命等特点，目前已经被用来执行位置保持、部分轨道转移、深空探测主推进等使命[1]。对离子推力器来说，限制其空间应用的主要因素为长寿命需求。基于对推力器失效模式和失效机理的研究，推力器的性能才能不断提升、寿命不断提高，识别推力器潜在失效模式的主要手段是进行大量的空间飞行和地面磨损试验。目前发现的离子推力器磨损相关失效模式多达20余种，有些通过优化设计后已经消除。基于LIPS-300离子推力器整机及其关键部组件考核和推力器设计结果及应用模式，分析LIPS-300离子推力器可能出现的失效模式发现，影响LIPS-300离子推力器寿命的关键失效模式为电子反流失效和加速栅结构失效[2-3]。这2种失效模式均属于栅极系统失效，即为单点失效，其一旦失效就意味着离子推力器失效[4]。因此，准确评估推力器束流引出过程中束流离子和中性气体发生电荷交换碰撞产生的交换电荷离子对加速栅孔壁及表面的溅射腐蚀[5]及等离子体中的电子发生反流[6]引起的推力器极限寿命，对满足卫星任务需求是非常关键的。

离子推力器寿命预测模型是基于失效模式、失效机理和失效判据对推力器寿命进行预测的。栅极寿命模型可分为半经验分析模型[7-10]和数值仿真计算模型[11-13]。LIPS-300离子推力器是兰州空间技术物理研究所自主研制的双模式离子推力器，其推力分别为80、210 mN、比冲分别为4 100、3 500 s。为了能准确预测LIPS-300离子推力器不同工作模式下的栅极运行寿命，在此拟采用数值仿真计算的方法，对2种关键失效模式下的LIPS-300离子推力器栅极寿命做出预测和评价。

1　交换电荷离子CEX的产生加速及引出过程

电荷交换碰撞为快速的推进剂离子与热运动速度的慢速原子发生交换电荷碰撞，对于氙电荷交换过程可表示为

(1)

在一个时间步长Δt内，第i个离子与所处空间位置中性原子密度为nn(xi)的推进剂原子发生碰撞的几率为

(2)

式中xi为第i个粒子所在的空间位置；vi为其速度；σ(vi)为第i个粒子的碰撞截面。

离子的加速运动根据运动学原理可表示为

(3)

电子反流失效对应的栅极寿命可表示为

(4)

式中Δda和da分别为失效时加速栅孔直径变化率和直径变化量。

加速栅结构失效对应的栅极寿命为

(5)

式中λs为面积修正因子；lcc为加速栅相邻孔圆心的距离；ω为加速栅下游表面溅射腐蚀凹槽宽度；ta为加速栅厚度；ρMo为钼原子密度；e为电子电量；Js为加速栅中心孔截获交换电荷离子电流；λY为溅射产额修正因子；Y为溅射产额；MMo为钼原子质量。

考虑栅极组件束流离子引出特征及求解计算区域电场的便利，计算机数值计算模型采用等离子体粒子模拟中的网格粒子方法(PIC)，对栅极组件离子引出过程进行模拟。交换电荷离子的产生利用MC方法进行计算，产生交换电荷离子后，电荷交换离子与主束流离子相同参与到PIC计算中，利用程序统计栅极截获电流和栅极溅射腐蚀率。计算流程如图1所示。

还是回了，两个人都是湿漉漉的。房间里暖暖的，月光洒了一地，她拿丝巾蒙了他的眼，一点点褪去他的衣服，手指和舌尖触过他的每一寸肌肤，软软的，热热的，水滴一样划过，惹得他的心生生疼起来。他看不到她的脸，却是感觉到她指尖的绝望，过往的片段幕幕回放，那些不懂爱情的日子，他们是如何那么蠢笨地轻易说了放手。

图1　计算流程图

2　计算结果

本文分2种工况，分别对LIPS-300离子推力器栅极的寿命进行评估：

(1)分别讨论LIPS-300离子推力器分别工作在2种工作模式，即大推力210 mN、小推力80 mN时栅极的极限寿命及对应的失效模式；

(2)当LIPS-300离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进行位置保持，此时小推力工作模式的极限寿命及对应的失效模式。

2.12种工作模式下的寿命评估

2.1.1210 mN工作模式

图2为静电势分布和稳态下的电势分布，图3为无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布，图4为交换电荷离子空间位置分布，图5为束流离子空间位置分布。

(a)静电势分布

(b)稳态下的电势分布

图3　无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布

图4　交换电荷离子空间位置分布

图5　 束流离子空间位置分布

表1、表2分别为LIPS-300离子推力器栅极双栅极组件几何结构尺寸和工作电参数。表3所示为稳态后加速栅上游、下游及内壁面统计到的交换电荷总电量和电流。表4为程序统计到的屏栅和加速栅电流。表5所示为程序统计到的溅射产额。

表1　几何结构尺寸

表2　工作电参数

表3　加速栅交换电荷总电量和电流

表4　屏栅和加速栅电流

表5　溅射产额

根据栅极孔壁材料初始体积溅射率可知，加速栅之间的变化率约为2.804 6×10-11m/s。此时，加速栅孔半径为0.6 mm，对应的电子反流阈值电压为-110.496 V，当加速栅电压为-375 V时，对应的加速栅孔半径约为0.001 1 mm，得到加速栅孔直径变化量为0.598 9 mm。将其代入式(4)可知，对应的电子反流失效的寿命约为16 064.3 h。

根据表1、表2所示的几何结构尺寸和工作电参数和式(5)，得到210 mN模式下加速栅结构失效对应的LIPS-300离子推力器栅极寿命为20 754.3 h。

2.1.280 mN工作模式

图6为静电势分布和稳态下的电势分布。

(a)静电势分布

(b)稳态下的电势分布

计算结果显示，束流引出过程达到稳态后，两栅之间的电势变化不大，而在加速栅下游区域的电势变化很大。说明交换电荷离子产生的主要区域为加速栅下游。

图7为无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布，图8为交换电荷离子空间位置分布，图9为束流离子空间位置分布。模拟结果显示，中性原子和放电室内通过屏栅孔进入栅极之间的离子发生电荷交换碰撞产生的交换电荷离子中，有很少的一部分碰撞到加速栅内表面。而主束流离子和稳定后的束流离子空间位置分布，则没有发生欠聚焦。

图7　无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布

图8　交换电荷离子空间位置分布

图9　束流离子空间位置分布

表6为稳态后加速栅上游、下游及内壁面统计到的交换电荷总电量和电流，表7为程序统计到的屏栅和加速栅电流。统计结果显示，在加速栅电流为0，说明束流引出过程中，并没有离子被加速栅所截获。表8为程序统计到的溅射产额。

表6　加速栅交换电荷总电量和电流

表7　屏栅和加速栅电流

表8　溅射产额

根据栅极孔壁材料初始体积溅射率得知，加速栅孔直径的变化率为6.987×10-12。而根据加速栅孔半径与电子反流阈值电压之间的关系可知，当加速栅半径为0.6 mm时，对应的电子反流阈值电压为-196.511 V，而加速电压为-300 V时，对应的加速栅半径为0.723 mm。因此，加速栅半径的变化量为0.123 mm，将其代入式(4)可知，加速栅出现电子反流失效的寿命为26 633.2 h。

根据表1、表2所示的几何结构尺寸和工作电参数和式(5)，得到80 mN模式下加速栅结构失效对应的LIPS-300离子推力器栅极寿命为29 974.8 h。

综合两种失效模式得知，LIPS-300离子推力器的寿命约为26 633.2 h，关键失效模式为电子反流失效。

2.2210 mN大推力模式和80 mN小推力模式(双模式)

首先是LIPS-300离子推力器工作在210 mN大推力模式下6 000 h，在此基础上，该推力器继续在80 mN小推力模式下工作。

210 mN模式工作了6 000 h后的推力器栅极组件电势和粒子位置分布情况：

图10所示为静电势分布和稳态下的电势分布，图11所示为无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布。

(a)静电势分布

(b)稳态下的电势分布

图11　无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布

图12为交换电荷离子空间位置分布，图13为束流离子空间位置分布。在此基础上，该推力器运行在80 mN的小推力模式。

图12　交换电荷离子空间位置分布

图13　束流离子空间位置分布

在此基础上，该推力器运行在80 mN的小推力模式。

表9所示为稳态后加速栅上游、下游及内壁面统计到的交换电荷总电量和电流。表10所示为程序统计到的屏栅和加速栅电流。表11所示为程序统计到的溅射产额。

根据栅极孔壁材料初始体积溅射率可知，加速栅之间的变化率约为2.257 2×10-11m/s。此时，加速栅孔半径为0.6 mm，对应的电子反流阀值电压为-157.647 V。当加速栅电压为-375 V时，对应的加速栅孔半径为0.252 2 mm，得到加速栅孔直径变化量为0.347 8 mm。则对应的电子反流失效的寿命约为19 329.04 h。

表9　加速栅交换电荷总电量和电流

表11　溅射产额

综上可知，当推力器在大推力模式下工作6 000 h后，继续在小推力器模式下工作，其运行寿命约为19 329.04+6 000=25 329.04 h，关键失效模式为电子反流失效。

3　结论

(1)主要针对兰州空间技术物理研究所自主研制的LIPS-300离子推力器，建立了推力器栅极组件寿命模型，采用数值仿真计算的方法，对LIPS-300离子推力器束流引出过程进行了数值仿真，利用程序自动统计到的推力器束流引出达到稳态时的加速栅交换电荷总电量和电流、屏栅和加速栅电流及溅射产额，分析了不同工况(大推力210 mN、小推力80 mN及双模式)下栅极组件的寿命及关键失效模式。

(2)计算结果显示，在现有几何结构参数和工作电参数下，推力器不同工况不会影响束流在栅极组件中的加速、聚焦及引出，只会影响栅极组件的寿命。

(3)数值仿真结果能够为LIPS-300离子推力器进一步试验测试及推力器优化提供一定的参考价值。

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(编辑：崔贤彬)

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。

真空低温技术与物理重点实验室基金(9140c550206130c5503)。

陈娟娟(1983—)，女，博士，研究领域为离子电推进技术。E-mail：chenjjgontp@126.com

V439+.1

A

1006-2793(2016)01-0044-06

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.008