離子推力器空心陰極點火可靠性評價研究

楊　威，陳繼巍，賈艷輝，孟　偉，黃永杰

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州　730000）

離子推力器空心陰極點火可靠性評價研究

楊威，陳繼巍，賈艷輝，孟偉，黃永杰

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

空心陰極作為離子推力器放電室等離子體電離源初電子和束流中和電子的電子源，其點火可靠性直接影響到推力器的工作可靠性。以20 cm離子推力器在軌工作剖面為例，對空心陰極預(yù)期壽命下的可靠度進行了評價。采用小樣本的可靠性試驗與可靠性評價理論結(jié)合的方法，得到了LHC-5空心陰極點火6 000次時在置信區(qū)間0.90和0.95的點火可靠性好于0.98。結(jié)果證明LHC-5空心陰極可靠性滿足空間應(yīng)用要求。研究成果對空心陰極可靠性增長設(shè)計和電推進產(chǎn)品可靠性評價方法研究具有積極意義。

離子推力器；空心陰極；開關(guān)點火；可靠性

0　引言

空心陰極是離子和霍爾推力器的關(guān)鍵部組件之一［1］。在啟動離子推力器時，必須首先實現(xiàn)主陰極和中和器點火，因此如果空心陰極未正常啟動，整臺推力器將無法工作。空心陰極作為離子推力器的單點失效部件，失效模式包括加熱器失效、發(fā)射體失效、離子刻蝕失效及空心陰極孔板離子刻蝕失效等［2］。

目前電推進空心陰極可靠性評價仍需依賴試驗［3］。作為離子推力器的獨立組件，空心陰極組件可以單獨開展可靠性評價試驗。20世紀(jì)90年代，美國NASA LeRC針對空心陰極6 000次開關(guān)點火要求，采用8支空心陰極加熱器樣本開展了加熱器開關(guān)次數(shù)可靠性評價試驗，以對預(yù)期壽命的可靠性開展評價［4］，其中一支試驗樣本完成32 000次開關(guān)點火［5］。2008年，美國GRC依據(jù)NEXT40離子推力器應(yīng)用需求，針對空心陰極加熱器開展了可靠性驗證與評價研究，采用5支加熱器樣本開展了開關(guān)次數(shù)可靠性考核試驗，開機6 min，關(guān)機4 min循環(huán)，三支加熱器在13 000次時加熱絲開路失效，另外兩支完成10 000次開關(guān)后停止試驗，利用實驗數(shù)據(jù)結(jié)合小樣本可靠性評價方法，得到加熱器在置信度0.9時，空心陰極預(yù)期12 615次開關(guān)的可靠度0.90［6-7］。日本在1993年完成了針對ETS-VI平臺離子推力器空心陰極的可靠性評價試驗，采用10支樣本按照真實在軌工作剖面進行點火驗證試驗，但未結(jié)合可靠性評價理論對預(yù)期壽命可靠度給出評價［8-9］。另外，美國L-3通信電子公司［10］，意大利Laben/Protel公司［11-12］和英國的QinetiQ公司［13-14］等都針對不同的應(yīng)用目標(biāo)對空心陰極組件開展了可靠性評價試驗。

LHC-5空心陰極是蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS-200離子推力器的放電陰極。其設(shè)計壽命為開關(guān)次數(shù)大于6 000次，11 000 h?？招年帢O采用的電子發(fā)射材料，即發(fā)射體為LaB6。LaB6與Ba-W發(fā)射體相比具有發(fā)射電流密度大，抗中毒能力強的優(yōu)點。因此，LaB6工作時對工質(zhì)氣體的純度要求比Ba-W低兩個數(shù)量級。但是，LaB6發(fā)射體的發(fā)射功函數(shù)為2.67 eV比Ba-W的2.06 eV高，在相同的電流發(fā)射密度下電子發(fā)射溫度分別為1 650℃和1 100℃。因此，LaB6空心陰極更為關(guān)心加熱器開關(guān)點火可靠性。蘭州空間物理研究所針對加熱器開關(guān)點火可靠性評價開展了專項研究。

文章介紹了加熱器可靠性考核實驗的設(shè)備和考核結(jié)果分析情況，并基于試驗結(jié)果，對加熱器達到預(yù)期開關(guān)次數(shù)點火成功的可靠度做了理論分析。

1　試驗設(shè)備

長壽命可靠性評價試驗在蘭州空間技術(shù)物理研究所空心陰極地面專用真空設(shè)備TS-5［15］上開展。該設(shè)備主艙直徑800 mm，高度800 mm，4個副艙均直徑為200 mm，長度500 mm。副艙上配置磁傳動裝置，副艙和主艙之間用閘閥隔離。副艙主要用于更換試驗件，磁傳動用于將試驗件從副艙推到主艙。在4個副艙與主艙全貫通的情況下，系統(tǒng)本底真空度可以達到2×10-4Pa。

空心陰極開關(guān)次數(shù)和點火可靠性試驗按照以下兩種試驗工況開展：（1）空心陰極加熱電流7.5 A，點火成功1 min后關(guān)閉，冷卻30 min為1次循環(huán)；（2）空心陰極加熱電流7.5 A，點火成功后持續(xù)放電120 min，冷卻30 min為1次循環(huán)。

圖1　TS-5真空系統(tǒng)配置示意圖

2　試驗過程

空心陰極點火可靠性試驗共計4個批次9支樣本，其中第一、二批次各2支，第三批次1支，第四批次4只。試驗裝置的接線如圖2所示。

圖2　空心陰極試驗的接線示意圖

3　試驗結(jié)果和討論

空心陰極開關(guān)點火可靠性試驗結(jié)果如表1所列。目前為止，無失效數(shù)據(jù)。采用無失效數(shù)據(jù)開展可靠性分析通常比較困難，研究結(jié)果可以為空心陰極點火可靠性評價給出階段性分析結(jié)果，同時也是空心陰極點火可靠性評價方法的探索。

加熱絲材料的高溫蒸發(fā)和冷熱交變引起的熱絲微觀組織改變是影響空心陰極點火可靠性的主要因素，其失效服從威布爾分布，如式（1）：

式中：P（t）為失效概率；t為運行時間；β為形狀因子；η為位置因子［15］。對于N個零失效數(shù)據(jù)壽命試驗，即在空心陰極失效之前試驗終止，假設(shè)終止的時間為t。在置信度C下確定位置因子：

威布爾分布的可靠度可以表示為：

當(dāng)產(chǎn)品壽命服從威布爾分布時，可以通過對數(shù)威布爾分布的位置因子和形狀因子的最好線性無偏估計方法，獲得產(chǎn)品各種壽命特征的估計值。利用該方法結(jié)合表1數(shù)據(jù)確定了形狀因子β和位置因子η的值分別為8.335 7和16 952。因此，預(yù)測的空心陰極加熱器開關(guān)點火的相對概率分布曲線如圖3所示。

表1　空心陰極開關(guān)點火可靠性

圖3　LHC-5空心陰極點火可靠性相對概率分布

圖3為空心陰極開關(guān)點火試驗進行至14 000～19 000次之間時，空心陰極發(fā)生故障概率最大，期間在16 900次左右時空心陰極發(fā)生故障的概率最大。

采用威布爾分布預(yù)測的LHC-5空心陰極在置信度為90%和95%下的開關(guān)點火可靠性分布曲線，如圖4所示。

圖4　LHC-5空心陰極預(yù)期點火次數(shù)可靠度曲線

圖4顯示LHC-5空心陰極預(yù)期開關(guān)點火6 000次時，可靠度預(yù)測結(jié)果為：90%置信度下的可靠度為0.999 895%置信度下可靠度為0.999 5。隨著空心陰極可靠性考核試驗的不斷積累，可靠性評價數(shù)據(jù)將會更加完善。另外，該結(jié)果也為推力器可靠性評價提供了數(shù)據(jù)支持。

4　結(jié)論

LHC-5空心陰極作為20 cm離子推力器的關(guān)鍵組件是推力器的可靠性單點。LHC-5空心陰極點火失效，20 cm離子推力器將無法工作。蘭州空間技術(shù)物理研究所針對LHC-5空心陰極空間應(yīng)用目標(biāo)開展了開關(guān)點火可靠性試驗，9支試驗樣本中4支完成考核目標(biāo)終止試驗，5支驗證試驗正在繼續(xù)。結(jié)合階段性試驗結(jié)果對可靠性開展了理論評價。分析結(jié)果顯示置信度90%和95%下，LHC-5空心陰極達到6 000次開關(guān)點火的可靠度分別為0.999 8和0.999 5。本研究對空心陰極可靠性評價經(jīng)驗和數(shù)據(jù)積累具有促進作用，為推力器或其他部組件的可靠性評價提供了方法參考。參考文獻：

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STUDY ON THE EVALUATION OF THE IGNITION RELIABILITY FOR ION THRUSTER’S HOLLOW CATHODE

YANG Wei，CHEN Ji-wei，JIAYan-hui，MENG Wei，HUANG Yong-jie
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

As hollow cathode is the primary electron source for Ion thruster discharge chamber plasma ionization and also for electron beam neutralization，its ignition reliability directly affects the reliability of thruster operation.This paper depicted the evaluation of the reliability of ignition under the expected life of the hollow cathode by taking 20 cm ion thruster in orbit cross-section as an example.By using the method of a small sample of the reliability testing and combination of reliability assessment theory，the results were obtained that between confidence intervals 0.9 to 0.95，hollow cathode ignition reliability is better than 0.98 when LHC-5 hollow cathode ignition times reaching 6 000 times.The results proved that the reliability of the hollow cathode of LHC-5 meeting the requirements of space applications.The research results showed positive significance to reliability growth design of hollow cathode and research in reliability evaluation method of electric propulsion products.

Ion thruster；hollow cathode；Ignition；reliability

V439+.1

A

1006-7086（2015）02-0096-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.008

2014-11-27

科工局國防基礎(chǔ)科研（B0320132008），蘭州空間技術(shù)研究所自主研發(fā)項目

楊威（1983-），男，內(nèi)蒙古通遼市人，工程師，從事真空放電空心陰極技術(shù)研究。E-mail：qiqi94520@126.com。