LIPS-200离子推力器关键部组件寿命分析*

离子推力器具有高比冲、高效率、长寿命等特点，可以用来执行航天器位置保持、轨道转移、阻力补偿、姿态控制及深空探测等任务[1]，目前在欧美和日本等国家已经实现了空间应用[2-4].

离子推力器结构复杂，失效模式多，对其工作寿命做出科学评价需进行大量试验验证和理论分析工作[5].结合国外调研结果和LIPS-200单机和部组件考核试验，得到影响LIPS-200推力器运行寿命的关键部组件是栅极系统[1,6-7]和阴极组件[8-9].栅极系统的主要失效模式有电子反流和加速栅结构失效；阴极组件的失效主要有发射体耗尽、加热丝熔断和触持极磨损等.本文总结了针对LIPS-200离子推力器工作寿命评价和验证方面的研究工作，为下一步发展提出了建议.

1 离子推力器研制进展

LIPS-200离子推力器推进剂为氙，采用环尖型磁场[10]，推力40mN，比冲3000s，设计寿命大于11000h.

另外，为了满足国内不同空间任务的需求，目前兰州空间技术物理研究所正在开展系列化的离子推力器研制工作[11].

2 LIPS-200寿命分析研究

在失效模式失效机理分析基础上，对栅极系统和阴极组件分别建立了半经验和计算机数值预测模型，分别利用确定性和概率性分析方法对其寿命进行了预测，部分结果已实现试验验证.

2.1 栅极系统失效分析

(1)电子反流失效寿命分析

在对栅极系统电子反流失效机理理论分析的基础上，利用PIC-MCC方法对栅极系统离子引出特征进行了二维计算机理论建模，并计算了LIPS-200出现的电子反流时加速栅电压阈值[12].模型计算的LIPS-200电子反流加速栅阈值电压为-97.7V[12]，试验测量值为-100V[13].

结合电子反流失效机理和验证试验数据，建立了离子推力器电子反流失效寿命半经验分析模型，分别利用确定性和概率性分析方法对LIPS-200出现电子反流失效的寿命和达到预期寿命的可靠度进行了预测[9].

确定性方法不考虑推力器运行参数在一定范围内的不确定度，认为在整个推力器寿命期间参数是确定的值.确定性方法预测的LIPS-200离子推力器出现电子反流失效的寿命为22984h.

利用概率性分析方法，考虑模型输入参数的不确定度，利用FORTRAN程序分别进行103、104、105和106次抽样计算，发现当达到105次抽样时计算结果比较稳定.图1为计算的电子反流寿命相对概率分布和可靠度分布的曲线.

图1 LIPS-200推力器电子反流失效寿命相对概率和可靠度的预测结果

计算结果显示LIPS-200推力器在设计寿命11000h时，出现电子反流失效的概率为零，满足150%寿命裕度的可靠度为0.973.

(2)加速栅结构失效寿命分析

在研究加速栅结构失效机理基础之上，建立了加速栅结构失效半经验寿命分析预测模型，分别利用确定性[14]和概率性[1]方法对LIPS-200推力器加速栅结构失效的寿命进行了预测.

以地面测试数据作为模型输入，预测的LIPS-200推力器加速栅结构失效对应的寿命为3900h，预测的加速栅结构失效时质量损失15.4g.由于真空泵系统抽速限制，真空舱内的残余气体会增加交换电荷离子的产生率，栅极系统的寿命会相应降低，因此离子推力器地面真空舱内运行寿命低于空间，文献[15]的数值模拟结果认为离子推力器空间运行时加速栅截获交换电荷离子电流只有地面真空舱的0.156%～0.168%.

概率性分析方法预测结果见图2.预测结果显示加速栅寿命服从高斯分布，在地面达到3kh的可靠度为0.9352.

图2 概率性分析方法预测LIPS-200地面运行寿命相对概率和可靠度分布

半经验寿命模型的输入参数使用地面实验测试数据，地面无法直接测量的输入参数利用PIC-MCC方法编程计算获得，以此对LIPS-200推力器空间运行寿命和达到预期寿命的可靠度进行了预测[9].预测结果见图3.图中显示LIPS-200加速栅出现结构失效的寿命大于16000h，满足设计需要，在寿命裕度150%时，其可靠度大于0.999.

图3 LIPS-200加速栅结构失效寿命相对概率和可靠度分布的预测结果

除半经验寿命分析模型外，还利用嵌入式有限元PIC(IFE-PIC)方法，对LIPS-200推力器栅极系统进行了三维计算机数值建模分析.模型计算了轰击到加速栅表面的交换电荷离子的入射能量、入射角分布及所对应的加速栅材料溅射产额分布，如图4所示.由溅射产额值可以计算加速栅运行寿命的预测结果.

图4 轰击溅射加速栅下游表面的交换电荷离子入射能量、入射角和所对应的溅射产额分布

计算结果显示轰击到LIPS-200加速栅下游表面的交换电荷离子入射能量一般不超过90eV，靠近加速栅小孔边缘附近入射能量稍低，约60～70eV；下游表面越靠近小孔边缘附近，入射角越大；加速栅下游表面最大溅射腐蚀位置在3个栅极孔的几何中心位置，在2个栅极孔之间的桥连接处稍有下降.以腐蚀凹槽深度达到加速栅厚度80%作为失效判据，预测加速栅结构失效时的寿命为11574h，满足设计需求.

2.2 空心阴极组件寿命预测模型

在对空心阴极的潜在失效模式进行理论分析的基础上，提出了提高空心阴极可靠性的途径[8]和产品试验技术[16]，并利用理论方法对空心阴极的寿命进行了预测[17].

发射体损耗是影响空心阴极寿命的失效模式之一[18].根据空心阴极发射体的损耗特点，采用本经验公式建模对空心阴极发射体的寿命进行了理论预测.预测结果如图5所示.结果表明，空心阴极工作在额定工作点(发射电流5A)时，其寿命可达到40000h以上.同时，利用模型计算了空心阴极发射体内径与运行时间的关系，如图6所示.图中显示，将模型预测的发射体内径变化结果与3500h的试验值对比符合性很好.

图5 空心阴极发射体寿命与发射电流的关系

图6 发射体内径与试验时间的关系

3 发展建议

离子推力器比传统化学推力器寿命长很多，传统的推力器寿命评估方法无法直接应用于离子推力器寿命评价，离子推力器寿命评价多采用少量试验与理论建模相结合的方法[5].

目前针对LIPS-200离子推力器单机和部分关键部组件开展了长寿命评价的部分理论分析和试验工作[19]，包括栅极系统电子反流失效分析、加速栅结构失效分析和空心阴极发射体耗尽失效分析. 前期工作取得了一些有意义的结果，一方面提高了对推力器工作工况与寿命之间关系的了解，另一方面论证了推力器寿命评价的方法可行性.但是下一步还需要将评估方法进一步深化.为了对LIPS-200离子推力器寿命做出更为全面地分析，建议下一步开展的工作如下：

1)继续开展关键部组件寿命分析研究；

2)对现有寿命模型进一步优化；

3)通过数值建模方法建立离子推力器栅极组件和放电室性能模型；

4)建立空心阴极溅射腐蚀寿命预测模型；

5)建立离子推力器放电室寿命预测模型；

6)建立离子推力器寿命理论评价规范.

4 结 论

本文分析了LIPS-200离子推力器关键部组件的寿命情况，包括栅极系统电子反流、加速栅结构失效和发射体耗尽失效模式对离子推力器的寿命影响.利用部组件寿命试验结合理论建模分析的方法进行LIPS-200推力器寿命的理论预测，结果显示离子推力器寿命满足设计要求.以上工作的完成促进了研制团队对推力器工作原理与失效模式的理解，对推力器的长寿命高可靠设计具有积极促进意义.

参 考 文 献

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