LIPS-200離子推力器關(guān)鍵部組件壽命分析*

離子推力器具有高比沖、高效率、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，可以用來(lái)執(zhí)行航天器位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、阻力補(bǔ)償、姿態(tài)控制及深空探測(cè)等任務(wù)[1]，目前在歐美和日本等國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用[2-4].

離子推力器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，失效模式多，對(duì)其工作壽命做出科學(xué)評(píng)價(jià)需進(jìn)行大量試驗(yàn)驗(yàn)證和理論分析工作[5].結(jié)合國(guó)外調(diào)研結(jié)果和LIPS-200單機(jī)和部組件考核試驗(yàn)，得到影響LIPS-200推力器運(yùn)行壽命的關(guān)鍵部組件是柵極系統(tǒng)[1,6-7]和陰極組件[8-9].柵極系統(tǒng)的主要失效模式有電子反流和加速柵結(jié)構(gòu)失效；陰極組件的失效主要有發(fā)射體耗盡、加熱絲熔斷和觸持極磨損等.本文總結(jié)了針對(duì)LIPS-200離子推力器工作壽命評(píng)價(jià)和驗(yàn)證方面的研究工作，為下一步發(fā)展提出了建議.

1 離子推力器研制進(jìn)展

LIPS-200離子推力器推進(jìn)劑為氙，采用環(huán)尖型磁場(chǎng)[10]，推力40mN，比沖3000s，設(shè)計(jì)壽命大于11000h.

另外，為了滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)不同空間任務(wù)的需求，目前蘭州空間技術(shù)物理研究所正在開(kāi)展系列化的離子推力器研制工作[11].

2 LIPS-200壽命分析研究

在失效模式失效機(jī)理分析基礎(chǔ)上，對(duì)柵極系統(tǒng)和陰極組件分別建立了半經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值預(yù)測(cè)模型，分別利用確定性和概率性分析方法對(duì)其壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，部分結(jié)果已實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證.

2.1 柵極系統(tǒng)失效分析

(1)電子反流失效壽命分析

在對(duì)柵極系統(tǒng)電子反流失效機(jī)理理論分析的基礎(chǔ)上，利用PIC-MCC方法對(duì)柵極系統(tǒng)離子引出特征進(jìn)行了二維計(jì)算機(jī)理論建模，并計(jì)算了LIPS-200出現(xiàn)的電子反流時(shí)加速柵電壓閾值[12].模型計(jì)算的LIPS-200電子反流加速柵閾值電壓為-97.7V[12]，試驗(yàn)測(cè)量值為-100V[13].

結(jié)合電子反流失效機(jī)理和驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了離子推力器電子反流失效壽命半經(jīng)驗(yàn)分析模型，分別利用確定性和概率性分析方法對(duì)LIPS-200出現(xiàn)電子反流失效的壽命和達(dá)到預(yù)期壽命的可靠度進(jìn)行了預(yù)測(cè)[9].

確定性方法不考慮推力器運(yùn)行參數(shù)在一定范圍內(nèi)的不確定度，認(rèn)為在整個(gè)推力器壽命期間參數(shù)是確定的值.確定性方法預(yù)測(cè)的LIPS-200離子推力器出現(xiàn)電子反流失效的壽命為22984h.

利用概率性分析方法，考慮模型輸入?yún)?shù)的不確定度，利用FORTRAN程序分別進(jìn)行103、104、105和106次抽樣計(jì)算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)達(dá)到105次抽樣時(shí)計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定.圖1為計(jì)算的電子反流壽命相對(duì)概率分布和可靠度分布的曲線(xiàn).

圖1 LIPS-200推力器電子反流失效壽命相對(duì)概率和可靠度的預(yù)測(cè)結(jié)果

計(jì)算結(jié)果顯示LIPS-200推力器在設(shè)計(jì)壽命11000h時(shí)，出現(xiàn)電子反流失效的概率為零，滿(mǎn)足150%壽命裕度的可靠度為0.973.

(2)加速柵結(jié)構(gòu)失效壽命分析

在研究加速柵結(jié)構(gòu)失效機(jī)理基礎(chǔ)之上，建立了加速柵結(jié)構(gòu)失效半經(jīng)驗(yàn)壽命分析預(yù)測(cè)模型，分別利用確定性[14]和概率性[1]方法對(duì)LIPS-200推力器加速柵結(jié)構(gòu)失效的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè).

以地面測(cè)試數(shù)據(jù)作為模型輸入，預(yù)測(cè)的LIPS-200推力器加速柵結(jié)構(gòu)失效對(duì)應(yīng)的壽命為3900h，預(yù)測(cè)的加速柵結(jié)構(gòu)失效時(shí)質(zhì)量損失15.4g.由于真空泵系統(tǒng)抽速限制，真空艙內(nèi)的殘余氣體會(huì)增加交換電荷離子的產(chǎn)生率，柵極系統(tǒng)的壽命會(huì)相應(yīng)降低，因此離子推力器地面真空艙內(nèi)運(yùn)行壽命低于空間，文獻(xiàn)[15]的數(shù)值模擬結(jié)果認(rèn)為離子推力器空間運(yùn)行時(shí)加速柵截獲交換電荷離子電流只有地面真空艙的0.156%～0.168%.

概率性分析方法預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2.預(yù)測(cè)結(jié)果顯示加速柵壽命服從高斯分布，在地面達(dá)到3kh的可靠度為0.9352.

圖2 概率性分析方法預(yù)測(cè)LIPS-200地面運(yùn)行壽命相對(duì)概率和可靠度分布

半經(jīng)驗(yàn)壽命模型的輸入?yún)?shù)使用地面實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，地面無(wú)法直接測(cè)量的輸入?yún)?shù)利用PIC-MCC方法編程計(jì)算獲得，以此對(duì)LIPS-200推力器空間運(yùn)行壽命和達(dá)到預(yù)期壽命的可靠度進(jìn)行了預(yù)測(cè)[9].預(yù)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3.圖中顯示LIPS-200加速柵出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效的壽命大于16000h，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，在壽命裕度150%時(shí)，其可靠度大于0.999.

圖3 LIPS-200加速柵結(jié)構(gòu)失效壽命相對(duì)概率和可靠度分布的預(yù)測(cè)結(jié)果

除半經(jīng)驗(yàn)壽命分析模型外，還利用嵌入式有限元PIC(IFE-PIC)方法，對(duì)LIPS-200推力器柵極系統(tǒng)進(jìn)行了三維計(jì)算機(jī)數(shù)值建模分析.模型計(jì)算了轟擊到加速柵表面的交換電荷離子的入射能量、入射角分布及所對(duì)應(yīng)的加速柵材料濺射產(chǎn)額分布，如圖4所示.由濺射產(chǎn)額值可以計(jì)算加速柵運(yùn)行壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果.

圖4 轟擊濺射加速柵下游表面的交換電荷離子入射能量、入射角和所對(duì)應(yīng)的濺射產(chǎn)額分布

計(jì)算結(jié)果顯示轟擊到LIPS-200加速柵下游表面的交換電荷離子入射能量一般不超過(guò)90eV，靠近加速柵小孔邊緣附近入射能量稍低，約60～70eV；下游表面越靠近小孔邊緣附近，入射角越大；加速柵下游表面最大濺射腐蝕位置在3個(gè)柵極孔的幾何中心位置，在2個(gè)柵極孔之間的橋連接處稍有下降.以腐蝕凹槽深度達(dá)到加速柵厚度80%作為失效判據(jù)，預(yù)測(cè)加速柵結(jié)構(gòu)失效時(shí)的壽命為11574h，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求.

2.2 空心陰極組件壽命預(yù)測(cè)模型

在對(duì)空心陰極的潛在失效模式進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，提出了提高空心陰極可靠性的途徑[8]和產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)[16]，并利用理論方法對(duì)空心陰極的壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)[17].

發(fā)射體損耗是影響空心陰極壽命的失效模式之一[18].根據(jù)空心陰極發(fā)射體的損耗特點(diǎn)，采用本經(jīng)驗(yàn)公式建模對(duì)空心陰極發(fā)射體的壽命進(jìn)行了理論預(yù)測(cè).預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示.結(jié)果表明，空心陰極工作在額定工作點(diǎn)(發(fā)射電流5A)時(shí)，其壽命可達(dá)到40000h以上.同時(shí)，利用模型計(jì)算了空心陰極發(fā)射體內(nèi)徑與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系，如圖6所示.圖中顯示，將模型預(yù)測(cè)的發(fā)射體內(nèi)徑變化結(jié)果與3500h的試驗(yàn)值對(duì)比符合性很好.

圖5 空心陰極發(fā)射體壽命與發(fā)射電流的關(guān)系

圖6 發(fā)射體內(nèi)徑與試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系

3 發(fā)展建議

離子推力器比傳統(tǒng)化學(xué)推力器壽命長(zhǎng)很多，傳統(tǒng)的推力器壽命評(píng)估方法無(wú)法直接應(yīng)用于離子推力器壽命評(píng)價(jià)，離子推力器壽命評(píng)價(jià)多采用少量試驗(yàn)與理論建模相結(jié)合的方法[5].

目前針對(duì)LIPS-200離子推力器單機(jī)和部分關(guān)鍵部組件開(kāi)展了長(zhǎng)壽命評(píng)價(jià)的部分理論分析和試驗(yàn)工作[19]，包括柵極系統(tǒng)電子反流失效分析、加速柵結(jié)構(gòu)失效分析和空心陰極發(fā)射體耗盡失效分析. 前期工作取得了一些有意義的結(jié)果，一方面提高了對(duì)推力器工作工況與壽命之間關(guān)系的了解，另一方面論證了推力器壽命評(píng)價(jià)的方法可行性.但是下一步還需要將評(píng)估方法進(jìn)一步深化.為了對(duì)LIPS-200離子推力器壽命做出更為全面地分析，建議下一步開(kāi)展的工作如下：

1)繼續(xù)開(kāi)展關(guān)鍵部組件壽命分析研究；

2)對(duì)現(xiàn)有壽命模型進(jìn)一步優(yōu)化；

3)通過(guò)數(shù)值建模方法建立離子推力器柵極組件和放電室性能模型；

4)建立空心陰極濺射腐蝕壽命預(yù)測(cè)模型；

5)建立離子推力器放電室壽命預(yù)測(cè)模型；

6)建立離子推力器壽命理論評(píng)價(jià)規(guī)范.

4 結(jié) 論

本文分析了LIPS-200離子推力器關(guān)鍵部組件的壽命情況，包括柵極系統(tǒng)電子反流、加速柵結(jié)構(gòu)失效和發(fā)射體耗盡失效模式對(duì)離子推力器的壽命影響.利用部組件壽命試驗(yàn)結(jié)合理論建模分析的方法進(jìn)行LIPS-200推力器壽命的理論預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示離子推力器壽命滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.以上工作的完成促進(jìn)了研制團(tuán)隊(duì)對(duì)推力器工作原理與失效模式的理解，對(duì)推力器的長(zhǎng)壽命高可靠設(shè)計(jì)具有積極促進(jìn)意義.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]賈艷輝，張?zhí)炱?，李小?離子推力器加速柵壽命概率性分析[J].推進(jìn)技術(shù)，2011，32(6):766-769

Jia Y H, Zhang T P，Li X P. Probabilistic evaluation of ion thruster accelerator grid life[J]. Journal of Propulsion Technology, 2011，32(6):766-769

[2]Chien K R, Hart S L, Tighe W G, et al. L-3 communications ETI electric propulsion overview[R].IEPC-2005-315,2005

[3]Kajiwara K, Ikeda M, Kohata H, et al. ETS-Ⅷ ion engine and its operation on orbit[R]. IEPC-2009-048, 2009

[4]Killinger R, Leiter H, Kukies R. RITA ion propulsion sytems for commercial and scientific applications[R]. AIAA-2007-5200, 2007

[5]Brophy J R, Plok J E, Randolph T M, et al. Lifetime qualification of electric thrusters for deep space missions [R]. AIAA-2008-5184, 2008

[6]賈艷輝，李忠明，張?zhí)炱?等. 等離子體密度對(duì)柵極系統(tǒng)束流影響的數(shù)值分析[J]. 中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2012, 32(3)：72-77

Jia Y H, Li Z M, Zhang T P, et al. Numerical simulation of the effect of plasma density on beam extraction character for grid system[J].Chinese Space Science and Technology,2012, 32(3)：72-77

[7]賈艷輝，張?zhí)炱剑钚∑?等. 離子推力器加速柵主要失效模式分析[C].第七屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)，深圳，2011

Jia Y H, Zhang T P, Li X P, et al. The key failure mode analysis of ion thruster accelerator [C]. The 7thChinese Electric Propulsion Conference, Shenzhen, 2011

[8]郭寧，江豪成，高軍,等.離子發(fā)動(dòng)機(jī)空心陰極失效形式分析[J].真空與低溫，2005，11(4)：239-242

Guo N, Jiang H C, Gao J, et al. Analisis of ion thruster hollow cathode failure mode [J].Vacuum & Cryogenics, 2005，11(4)：239-242

[9]賈艷輝.LIPS-200離子推力器壽命預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)研究[D].北京：中國(guó)空間技術(shù)研究院，2012

Jia Y H. Service life analysis and assessment for LIPS-200 ion thruster [D]. Beijing: China Academy of Space Technology, 2012

[10]Kaufman H R. Technology of electron-bombardment ion thruster [J].Advances in Electronics and Electron Physics, 1974, 36:265-373

[11]張?zhí)炱? 高性能電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[C].衛(wèi)星系統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)研討會(huì)，銀川，2012

Zhang T P. Developing and applications of high performance electric propulsion [C]. Propulsion Technology of Satellite System Conference, Yinchuan, 2012

[12]賈艷輝，張?zhí)炱?，鄭茂繁，? 離子推力器柵極系統(tǒng)電子反流閾值的數(shù)值分析[J].推進(jìn)技術(shù)，2012，33(6)：991-996

Jia Y H, Zhang T P, Zheng M F, et al. Electron backstreaming accelerator grid limited voltage numerical evolution for 20cm Xe ion thruster grid system[J]. Journal of Propulsion Technology, 2012，33(6)：991-996

[13]鄭茂繁，江豪成，顧左，等.20cm氙離子推力器3000h壽命實(shí)驗(yàn)[J]. 航天器環(huán)境工程，2009，8(4):374-377

Zheng M F, Jiang H C, Gu Z, et al. 3000 h life test of 20cm Xe ion thruster [J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 8(4):374-377

[14]賈艷輝，張?zhí)炱? 20cm氙離子推力器加速柵壽命預(yù)測(cè)[J]. 真空與低溫，2010, 16(4): 208-213

Jia Y H, Zhang T P. The service life assessment of 20cm Xe ion thruster accelerate grid [J]. Vacuum & Cryogenics, 2010，16(4)：208-213

[15]Peng X H, Ruyten W M, Keefer D, et al. Charge-exchange grid erosion study for ground-based and space-based operations of ion thrusters[R]. IEPC-1993-173，1993

[16]張?zhí)炱?，劉?lè)柱，賈艷輝.電推進(jìn)系統(tǒng)空心陰極產(chǎn)品試驗(yàn)技術(shù)[J].火箭推進(jìn)，2010，36(1):58-62

Zhang T P， Liu L Z, Jia Y H. Test technology of hollow cathode products for electric propulsion system[J].Journal of Rocket Propulsion, 2010，36(1):58-62

[17]郭寧，江豪成，顧左. 離子發(fā)動(dòng)機(jī)空心陰極壽命預(yù)測(cè)[J].真空，2009，46(4)：83-85

Guo N, Jiang H C, Gu Z. Life forecast of hollow cathode for ion engine[J]. Vacuum, 2009，46(4):83-85

[18]Ismat M，Rudwan A， Wallace N C, et al. Emitter depletion measurement and modeling in the T5&T6 Kaufman-type ion thrusters[R].IEPC-2007-256, 2007

[19]賈艷輝，張?zhí)炱? LIPS-200離子推力器工作壽命的分析與驗(yàn)證 [C]. 衛(wèi)星系統(tǒng)推進(jìn)技術(shù)研討會(huì)，銀川，2012

Jia Y H, Zhang T P. Analysis and evaluation of LIPS-200 ion thruster operation life[C]. Propulsion Technology of Satellite System Conference, Yinchuan, 2012