LIPS-300離子推力器加速柵電壓的優(yōu)化設計

陳娟娟 張?zhí)炱?賈艷輝 吳辰宸

(蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理重點實驗室，蘭州 730000)

LIPS-300離子推力器加速柵電壓的優(yōu)化設計

陳娟娟 張?zhí)炱?賈艷輝 吳辰宸

(蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理重點實驗室，蘭州 730000)

在不改變推力器幾何結構的前提下，為了獲得LIPS-300離子推力器的最佳加速柵電壓，采用半經驗分析和數(shù)值仿真計算相結合的方法分析了加速柵電壓分別為-180 V、-190 V、-200 V、-210 V和-220 V時LIPS-300離子推力器柵極組件引出束流過程中束流離子從非平衡態(tài)到平衡態(tài)的演化過程，通過數(shù)值模擬計算得到了推力器運行過程中交換電荷離子轟擊濺射到加速柵壁面的產額，利用壽命預測的半經驗計算方法對5種情況下LIPS-300離子推力器的柵極壽命進行估計，分析了關鍵失效模式，通過對比獲得了LIPS-300離子推力器的最佳加速柵電壓。計算結果顯示，在現(xiàn)有幾何結構下加速柵電壓的變化不會影響柵極組件的引出性能；加速柵下游更易受到交換電荷離子的轟擊濺射；加速柵電壓從-180 V變化至-220 V過程中，影響柵極壽命的關鍵失效模式為電子反流失效；對比5種情況下發(fā)生電子反流和結構失效時對應的柵極壽命可以發(fā)現(xiàn)，LIPS-300離子推力器加速柵電壓最佳值應為-220 V，此時對應的柵極壽命為16 170.4 h。

離子推力器；加速柵電壓；壽命；半經驗分析；仿真

1 引言

離子推力器因其推力可調節(jié)、高比沖、高效率及長壽命等特點，目前已經被用來執(zhí)行位置保持、部分軌道轉移、深空探測主推進等使命[1]。柵極組件作為離子推力器的重要組成部件，其主要作用是將放電室內氣體放電過程中產生的等離子體中的離子進行加速、聚焦、引出，形成推力[2-3]。柵極的引出性能和壽命對推力器的性能和壽命具有直接影響[4-6]。對柵極組件的壽命評估可通過試驗不斷測試的方法來實現(xiàn)[7]，但由于試驗周期和開支問題，通過試驗進行壽命評價也變得越來越不現(xiàn)實。因此，通常采用半經驗分析[8-11]和數(shù)值仿真計算的方法[12-14]來實現(xiàn)推力器柵極壽命的評估。文獻[9]利用半經驗分析計算了雙柵極離子推力器轟擊電流的腐蝕特點，利用模型計算了加速柵下游表面腐蝕凹槽和凹坑的深度，與試驗值符合較好。文獻[15]開發(fā)了柵極的等離子體磨損效應數(shù)值計算程序SAPPHIRE，模擬了柵極離子束流的引出過程，建立了柵極的腐蝕率計算模型。文獻[16]開發(fā)了等離子體對離子推力器腐蝕效應的二維、三維模型，計算了加速柵下游表面腐蝕深度、電子反流極限和電子反流電流的大小。以上文獻分別利用半經驗分析方法和數(shù)值仿真計算方法研究了柵極束流引出過程和交換電荷離子對加速柵壁面的轟擊濺射，但都沒有具體地分析加速柵電壓對束流離子加速、聚焦、引出過程及其空間位置分布、轟擊濺射產生的產額對推力器柵極壽命的影響。加速柵電壓的合理選取可以有效地避免大量電子反流，降低加速柵結構失效的概率。加速柵結構失效和電子反流失效是決定離子推力器壽命的最關鍵的失效模式，通常定義為電子反流時電流與束流電流之比為1%。加速柵結構失效的判據(jù)定義為凹槽濺射完全穿透加速柵后，柵極孔周圍的6個橋連接完全斷裂，使形成的小環(huán)脫落。

為了能準確地預測LIPS-300離子推力器柵極組件的壽命，分析加速柵電壓對柵極組件壽命的影響，得到不同加速柵電壓下柵極發(fā)生電子反流失效和加速柵結構失效的概率，進一步提出加速柵電壓優(yōu)化設計方法，本文擬考慮在不改變推力器幾何結構參數(shù)的條件下，首次采用半經驗分析和數(shù)值仿真計算相結合的方法，通過計算不同加速柵電壓下LIPS-300離子推力器柵極組件壽命來實現(xiàn)該推力器加速柵電壓的優(yōu)化。該方法的優(yōu)點是：1)交換電荷離子對加速柵孔壁和下游表面濺射腐蝕率及柵極單孔引出束流直徑無法利用試驗的方法來直接測量得到，利用數(shù)值仿真計算方法可以分別進行統(tǒng)計和獲得；2)直接利用數(shù)值仿真計算模型進行壽命預測比較耗時，而利用半經驗模型可以快速得到計算結果，并且以數(shù)值計算的部分數(shù)據(jù)作為模型輸入也會降低半經驗分析模型的計算誤差。本文將這兩種計算方法有機結合，既可保證計算速度，又可以提高計算結果精度。

LIPS-300離子推力器加速柵電壓的設計值為-200 V，為了利用數(shù)值仿真計算的方法獲取最佳加速柵電壓，本文在取值時將其設計值作為基準值，以10 V為電勢梯度，共取5個值(即-180 V、-190 V、-200 V、-210 V和-220 V)作為仿真的加速柵電壓參考值，將計算機程序中統(tǒng)計的濺射產額數(shù)值代入半經驗分析模型得到不同電壓下LIPS-300離子推力器柵極組件發(fā)生電子反流和加速柵結構失效時分別對應的柵極壽命，通過分析比對計算結果，獲取LIPS-300離子推力器加速柵最佳電壓值。

2 半經驗分析模型

半經驗壽命模型是將一些物理過程視為線性變化，利用簡化得到分析解或利用半經驗半理論公式對問題進行研究。

(1)電荷交換離子CEX的產生

電荷交換碰撞為快速的推進劑離子與熱運動速度的慢速原子發(fā)生交換電荷碰撞，即：

(1)

(2)電子反流半經驗分析模型

柵極組件中心孔對引出的束流離子電流Jm為

(2)

利用柵極直徑變化量和出現(xiàn)電子反流的加速柵孔徑變化量，就可以計算得到加速柵出現(xiàn)電子反流失效時的壽命τE：

(3)

(3)加速柵結構失效半經驗分析模型

Architecture Design of REST-Based Workflow Engine on the Cloud……………XIA Huaiting， PAN Jintao(4·59)

加速柵結構失效時壽命τS可表示為

(4)

式中λs為面積修正因子；lcc為加速柵相鄰孔圓心的距離；w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；Js為加速柵中心孔截獲交換電荷離子電流；λY為濺射產額修正因子；mMo為鉬原子質量；Y為濺射額。

3 數(shù)值仿真計算模型

圖1 計算區(qū)域和邊界條件Fig.1 Computation region and boundary

圖1為本文建立的數(shù)值仿真計算模型。其中Vs、Va、Vp分別為屏柵電位、加速柵電位和放電室內等離子體電位；ts、rs分別為屏柵厚度和半徑；Z、R分別為計算邊界軸向、徑向長度；其中φ為計算區(qū)域內電勢。

為了能較好地分析柵極引出性能、氙離子對加速柵表面的濺射產額及不同加速柵電壓對應的柵極壽命，在不影響數(shù)值仿真計算結果的前提下，本模型作以下假設：

1)對于柵極來說，其屏柵、加速柵的柵孔個數(shù)非常多，但每個孔的直徑、離子和原子透明度均相同，因此本文僅選取一個柵極孔作為數(shù)值仿真對象；

2)屏柵、加速柵的柵孔具有軸對稱性，因此取其一半作為研究對象；

3)模型左邊界位于放電室內部等離子體發(fā)射面(鞘層面)；

表1、表2分別為LIPS-300離子推力器幾何結構參數(shù)和運行參數(shù)。

表1 幾何結構參數(shù)

表2 運行參數(shù)

圖2 仿真計算流程Fig.2 Calculation flow chart

考慮到柵極組件束流離子的引出特性及求解區(qū)域電場的便利，本文根據(jù)表1、表2所示的參數(shù)，利用圖1所示的數(shù)值仿真模型，采用等離子體粒子模擬中的網格粒子方法(PIC)對柵極組件中交換電荷離子的產生及加速柵表面的濺射腐蝕過程進行數(shù)值仿真。交換電荷粒子的產生利用蒙特卡洛碰撞(MCC)方法來實現(xiàn)，產生的交換電荷離子與主束流離子一樣參與到PIC計算中，利用程序統(tǒng)計柵極截獲電流和柵極濺射腐蝕率。計算流程如圖2所示。

4 結果分析及討論

圖3為加速柵電壓分別為-220 V、-210 V、-200 V、-190 V和-180 V時LIPS-300離子推力器柵極組件束流引出過程達到穩(wěn)態(tài)時的束流離子空間位置分布。

圖3 束流離子空間位置分布Fig.3 Distribution of position for beam ion

圖4 加速柵電流與加速柵電壓之間的關系Fig.4 Relationship between the electric current and the voltage

模擬結果顯示，在現(xiàn)有LIPS-300離子推力器幾何結構和運行參數(shù)下，改變加速柵電壓不會影響束流離子的正常引出，即不同的加速柵電壓下LIPS-300離子推力器現(xiàn)有的柵極組件能很好地將放電室內氣體放電過程中離子化產生的等離子體中的離子加速、引出。

圖4為數(shù)值計算模型中程序統(tǒng)計到的5種不同加速柵電壓下加速柵截獲的交換電荷離子總電流。

統(tǒng)計結果顯示LIPS-300離子推力器兩柵之間的束流離子從非平衡態(tài)演化到平衡態(tài)的過程中，相比加速柵的上游和內表面，其下游區(qū)域更容易受到交換電荷離子的轟擊濺射。

圖5為數(shù)值計算模型中程序統(tǒng)計到的不同加速柵電壓下交換電荷離子對加速柵孔壁的濺射產額及質量濺射速率。

圖5 不同加速柵電壓下的濺射產額和加速柵孔壁質量濺射速率Fig.5 Sputtering yield and rate of accelerator grid for different voltages

統(tǒng)計結果顯示，濺射產額和加速柵孔壁質量濺射速率隨加速柵電壓的變化趨勢相同，加速柵電壓為-220 V時對應的濺射產額最大，而-180 V的加速柵電壓對應的濺射產額則最小。

根據(jù)表1、表2所示參數(shù)和圖4、圖5程序統(tǒng)計的結果，利用式(1)～(4)計算不同加速柵電壓對應的濺射率和加速柵直徑變化率。

表3為利用半經驗分析模型計算得到的濺射率和加速柵柵孔直徑變化率。

表3 濺射率和加速柵孔直徑變化率

圖6 壽命計算結果Fig.6 Relationship between the lifetime and accelerator voltage

綜合考慮兩種不同的柵極失效模式，比較兩種模式下分別對應的壽命，得到LIPS-300離子推力器柵極組件壽命隨加速柵電壓之間的關系，如圖6所示。

計算結果顯示，當加速柵電壓從-220 V增加至-180 V時，影響柵極壽命的關鍵失效模式為電子反流失效。

通過對比圖6中5個不同加速柵電壓下柵極組件發(fā)生電子反流和加速柵結構失效時分別對應的壽命可知，對LIPS-300離子推力器柵極組件來說，其最優(yōu)化的加速柵電壓為-220 V，此時對應的柵極壽命約為16 170.4 h，關鍵失效模式為電子反流失效。

5 結束語

本文主要針對蘭州空間技術物理研究所自主研制的LIPS-300離子推力器，利用半經驗分析和數(shù)值仿真計算相結合的方法數(shù)值模擬和理論計算了加速柵電壓對柵極束流引出性能和壽命的影響。計算結果顯示,當推力器幾何結構參數(shù)和其他工作電參數(shù)不變時，加速柵電壓從-220 V增至-180 V，放電室內離子化產生的等離子體都可以在整個柵極系統(tǒng)的作用下實現(xiàn)無障礙引出，并且沒有任何離子轟擊到加速柵壁面，說明加速柵電壓對主束流離子的引出性能影響不大，但從壽命計算結果發(fā)現(xiàn)加速柵電壓將制約柵極壽命。

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(編輯：高珍)

Optimization of LIPS-300 Ion Thruster Accelerator Voltage

CHEN Juanjuan ZHANG Tianping JIA Yanhui WU Chenchen

(Science and Technology on Vacuum & Cryogenic Technology and Physics Laboratory,Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000)

Accelerator voltage directly affects the electron back streaming and acceleration grid sputter erosion. Therefore, how to obtain the best values of accelerator voltage is important for an ion thruster.The semi-empirical analysis method combined with the numerical simulation was used to analyze the equilibrium evolution of the beam current extracted from the LIPS-300 ion thruster grid and the grid lifetime was calculated. By using the numerical model, the sputter erosion rate that CEX sputtered on the surface of the acceleration grid was obtainded. Then applying this erosion rate to the theoretical model, the lifetime of the LIPS-300 ion thruster was estimated and the failure modes for the five different accelerator voltages were analyzed. The results show that the change of the accelerator voltage would not affect the performance of the LIPS-300 ion thruster gird.For the LIPS-300 ion thruster, the downstream of the acceleration grid would be more vulnerable to CEX sputtering erosion.While the accelerator voltage is changed from -220 V to -190 V, the key failure modes of the LIPS-300 ion thruster gid is electron backstreaming failure. By comparing the lifetime of the grid for the five different accelerator voltages,the best voltage is -220 V and the corresponding lifetime is 16 170.4 h.

Ion thruster；Accelerator voltage；Lifetime; Theoretical analysis; Simulation

真空低溫技術與物理重點實驗室基金(9140C550206130C55003)資助項目

2014-08-14。收修改稿日期：2014-09-23

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.02.010

陳娟娟 1983年生，2013年獲中國空間技術研究院電子科學與技術專業(yè)博士學位，工程師。研究方向為放電等離子電推力器技術與工程。