离子推力器非预期电击穿的主要诱发因素及机制

张天平，张雪儿 ，蒲彦旭 ，冉文亮 ，赵志伟

（兰州空间技术物理研究所 a.真空技术与物理重点实验室；b.甘肃省空间电推进技术重点实验室，兰州 730000）

0 引言

离子推力器在具有比冲高、性能调节便利、适用范围广、技术成熟度好等显著优势的同时[1−2]，一直存在非预期电击穿（打火）问题。各国对非预期电击穿的称谓不尽相同：美国为束流循环（beam recycle）[3−5]、英国为束流错误（beam trip）[6−7]、德国为束流中断（beam out）[8−9]、日本为高压击穿（HVBD）[10−11]。国内外离子电推进技术发展、工程研制和航天器应用的实践证明，无论是在地面模拟环境条件下还是在空间环境条件下，离子推力器工作过程中都会出现非预期打火[2−11]。通过控制及防护能够将非预期打火的频次和影响降低到航天器工程可接受的程度，并由此保证离子电推进系统完成预定航天任务的可靠性和寿命[3−4，6]。但离子推力器非预期打火问题难以完全消除，因其根源为推力器内在工作特性及多种因素的复杂耦合。

我国离子电推进经过40多年的发展，已经步入航天器工程应用并不断扩展的关键时期[12]，正确理解离子推力器非预期打火问题、准确把握非预期打火机制及规律、针对性采取工程控制与防护措施具有非常重要的意义。本文将从打火问题基本概念、主要影响因素及机制、有待深化研究的机制问题等方面对离子推力器非预期打火进行比较完整的阐述，以期促进对该问题进行从深化机制到提出工程解决措施的系统研究，为我国离子电推进在航天工程中的成功应用提供保证。

1 非预期电击穿基本问题

1.1 术语

为便于对离子推力器非预期电击穿进行准确描述，首先定义几个本文用到的术语。

（1）电击穿：原本绝缘良好的电极之间出现电流且电压快速降低的现象；

（2）电弧：电极之间击穿电流在负电位电极表面形成的斑点弧光；

（3）打火：电击穿或电弧从产生、发展到熄灭的完整过程；

（4）非预期电击穿（打火）：离子推力器工作中不期望发生的电击穿（打火）。

本文在表述现象时多用打火，在表述机制时多用电击穿。

1.2 离子推力器非预期电击穿（打火）现象

离子推力器和电源处理单元（PPU）各输出电源之间的配套关系如图1所示[13]。离子电推进正常工作时，其阳极、屏栅、放电阴极等电极处于屏栅电源的正高电位（一般为1 000 V以上），统称为高电位电极；其外壳和中和器处于近似地（零）电位、加速栅处于加速电源的负电位（一般为−200 V以下），统称为低电位电极。高电位电极与低电位电极之间存在1 000 V以上的电位差，而屏栅和加速栅电极典型间距为1 mm左右、阳极与外壳电极最小间距为3 mm、屏栅与外壳电极最小间距为4 mm，高电位差和小间距使得高、低电极间存在较强的电场。

图1 离子推力器与PPU各输出电源的连接关系图Fig.1 Connection between ion thruster and PPU

在离子推力器工作可靠性和安全性设计中，已经为电极间电场强度保留了避免电击穿发生的安足够的全裕度，也就是说在正常工作条件下电极间是不会发生电击穿的。但在相关因素诱导或耦合作用下，推力器电极之间确实发生了电击穿（打火），并造成离子推力器正常工作状态被干扰或中断。

离子推力器的非预期打火一般按照发生打火的组对电极进行分类，主要包括屏栅与加速栅之间打火、屏栅与外壳（地）之间打火、阳极与外壳（地）之间打火、加速栅与外壳（地）之间打火等。如果是三栅极会有更多类别，如加速栅与减速栅之间打火。

1.3 非预期打火的后果

离子推力器非预期打火的影响及危害是多方面的，如果不进行有效控制，严重者会导致航天器任务失败。

（1）对航天器任务而言，非预期打火将导致实际输出推力（冲量）小于预期水平、预定的正常工作被临时中断、连续稳定推力状态被破坏等情况。针对电推进不同的具体任务，其影响严重程度差别较大。对GEO卫星位保任务，打火产生的单次位保影响可以通过短期工作策略微调得到完全补偿，因此影响较小；对无拖曳控制任务，打火造成的空间和时间节点的数据损失无法得到有效补偿，因此会影响有效数据链的连续性；对深空探测轨道巡航任务，在长期旅途中进行部分工作段的调整就可以消除影响。

（2）对离子电推进系统而言，非预期打火可导致系统工作中断、PPU单机失效、系统柔性变差、工作可靠性和寿命降低等后果。其中系统工作中断包括安全控制主动中断和放电熄灭被动中断。PPU失效的原因之一是推力器打火产生的短路大电流脉冲导致PPU电路中电压、电流快速变化，电路上元器件承受更大的应力；对多台推力器同时工作的系统，不同推力器的非预期打火会直接导致系统工作不兼容，反过来影响到推力器和PPU之间配置的柔性设计；非预期打火导致的系统工作频繁中断、电流∕电压脉冲对PPU电路元器件的损伤、系统兼容性或柔性变差都直接关系到系统工作的可靠性和寿命。

（3）对离子推力器本身而言，除了可恢复的束流中断外，非预期打火可导致中和器熄灭、放电室熄灭、电极表面损伤、栅极之间永久短路等情况发生。中和器和放电室熄灭是由于非预期打火破坏了维持稳定放电的条件，主要包括电压条件、电流条件、等离子体密度条件等。例如阳极对地打火时，阳极电压严重降低直接导致放电室正常放电熄灭；电极表面损伤源于打火过程中能量积累产生的材料局部蒸发，以及表面损伤与打火频次之间的恶性循环。对间距很小的栅极，严重打火或持续电弧不仅产生损伤，而且很容易使得蒸发物局部沉积或栅极损伤产生的毛刺在栅极之间形成搭桥短路，这种短路如果无法消除会导致推力器永久失效。

1.4 真空电击穿基础理论

首先了解由电极材料特性和电极间电场强度决定的真空电击穿现象及机制。图2（a）为研究真空电击穿的经典实验系统[14]，在高真空环境下，表面光洁的球型和平板电极、脉冲电路（高压电源、1 MΩ充电电阻和电容器C）组成充电回路，电容器C、限流电阻R、真空继电器和球板电极组成放电回路。采用球板电极是为了消除击穿区域的边缘效应，使电极间距精确可调。实验时，真空继电器闭合后电容器充电，电极间电压持续升高，直到发生电击穿，击穿电弧积累的能量决定于电容器电容的大小。图2（b）为钼材料电极的一次真空电击穿电流波形测量曲线，继电器关闭后充电0.1 ms发生真空击穿，峰值电流达到30 A，其后电弧电流逐渐减小到3 A时熄灭，电弧维持了0.3 ms的周期。

图2 脉冲电压真空电击穿典型实验图Fig.2 Vacuum breakdown experiment under pulsed voltage

高真空下电极之间没有气体碰撞电离，因此真空电击穿的决定因素是场发射电子[15]，真空条件下场发射电流IFE与电场强度E之间满足F−N方程，常用表达式为：

式中：Φ为电极材料的电子发射功函数；Ae为电子发射有效面积。真空电击穿的主要机制为：在电极间的强电场作用下，负电极内的电子突破表面约束（功函数）形成电子发射（称为场发射），该发射电子被电场加速后碰撞于正电极，当沉积在正电极上的场发射电子流通量达到阈值时就能够蒸发正电极材料，蒸发材料原子与场发射电子碰撞电离导致电极间击穿（电弧）。

1.5 诱发非预期打火的主要因素

离子推力器非预期打火本质上是广义的电击穿及其电弧现象。对钼、钛、碳、铝等常用推力器电极材料，图3给出了实测的不同电极材料的真空击穿电场强度Eb，纯粹的电极间高真空电击穿场强至少须达到80 kV∕mm以上，击穿场强还与晶体结构相关[14]。离子推力器实际工作条件下的电极间场强远没有这么高，可见非预期打火的发生往往耦合了其他影响因素，为此有必要先梳理出离子推力器工作时可能诱发非预期打火的主要因素。

图3 不同电极材料真空电击穿场强度图Fig.3 Field intensity of vacuum breakdown for different materials

结合离子推力器具体工作过程及相关环境，在供电和供气条件正常、推力器结构稳定的前提下，可能导致非预期打火发生的主要因素包括：

（1）电极表面金属微凸结构。电极表面存在初始缺陷，工作过程中离子溅射、电弧损伤等也会形成表面微凸结构。

（2）低气压环境。由于非完全电离的推进剂气体、环境气体、材料自身出气等气源条件，在电极之间形成低气压环境。

（3）等离子体环境。离子推力器放电室和栅极存在工作等离子体，电极之间可能出现等离子体泄漏。

（4）电极间漂浮颗粒物。离子溅射沉积物的剥离及漂浮，周围环境颗粒物的侵入。微颗粒物类型包括导体和绝缘体。

（5）电极间绝缘体（层）。电极间存在结构支撑绝缘器，污染、氧化等过程形成的电极表面绝缘层（岛）。

（6）以上因素的组合，包括多因素共存诱发和相互耦合诱发。

2 电极表面金属微凸诱发电击穿的机制

2.1 电极表面粗糙化的场发射增强效应

真空电击穿实验表明，击穿电压与电极表面粗糙度状态密切相关，表面粗糙化会导致击穿电压显著降低。机制分析表明，导致粗糙化表面电击穿电压降低的主要原因是表面微凸或锐化微结构：在施加同样电压条件下，微结构尖端产生了局部电场增强效应，如图4所示，更高的电场强度使得场发射增强、击穿电压降低。

图4 电极表面微凸产生的场增强效应示意图Fig.4 Field emission from a protrusion on the electrode

为了描述这类微凸或锐化结构对场发射电流的影响，在F−N方程式（1）中引入了场增强因子βFE，其定义为式（2）[16−17]，对应的场增强F−N方程为式（3）：

式中：lg为电极间距；VT为总加速电压。场增强F−N方程已经被大量试验证明是正确和有效的。利用试验数据绘制式（3）关系曲线，通过斜率可以得到场增强因子，再通过截距得到有效发射面积。图5所示为典型的场增强F−N曲线[17]，随电场增强，场发射被激发（对应图中从右到左的激活过渡区），在图中直线区形成场增强电子发射，当电场增大到击穿电场阈值时产生电弧（对应图中左端）。

图5 场增强测试数据F-N曲线Fig.5 F-N curve of field emission

2.2 金属微凸结构诱发电击穿机制

栅极表面微凸结构引发电击穿的基本机制为：在外加电场中微凸结构的尖端电场大幅增强，强电场对应更大的发射电流，足够大的发射电流产生焦耳热使微凸结构局部蒸发，在微凸周围形成局部低气压环境，发射电子和金属蒸气碰撞发生电离，电离过程产生的离子进一步加剧微凸结构局部热蒸发效应，由此形成不可逆的焦耳加热、电子发射增强、电阻增大和离子沉积、焦耳热进一步增强、蒸发进一步加速的循环过程，最终导致电极间电击穿。

一个简化模型如图6所示，加速栅表面微凸结构为半径R1、高度H1的圆柱，场发射电流在顶端（电场最强）出现，发射电流产生的焦耳热使微凸结构温度升高，当温度达到沸点后开始气化，形成的微凸结构蒸气与发射电子碰撞导致电击穿（电弧），栅极之间电流显著增大。由此可得到全部微凸结构爆破性熔化和蒸发产生电击穿的发射电流及焦耳热的条件为[18]：

式中：下标l表示属于微凸结构；下标m表示熔化；下标e表示气化；σ、ρ、c、k分别为电导率、密度、热容和相变焓（潜热）；ΔT为熔点和工作温度增量；Δt为微凸加热和蒸发时间。栅极表面微凸结构场增强效应导致非预期电击穿所涉及的变量多达10多个，可见相关过程的复杂性。

图6 加速极表面圆柱微凸的场增强发射效应示意图Fig.6 Field emission from a cylinder protrusion on the accelerator grid

具体量化分析表明，要在几纳秒内实现微凸结构的爆破性蒸发，需要的发射电流密度要比空间电荷限制下的电流密度至少高出两个量级，为此提出了单极电弧模型机制[19]。电极间有电荷和没有电荷的电场分布存在差别，因为空间电荷自身产生的电场会减弱原有电场，这就是空间电荷效应。例如平行板电极之间有单荷正离子电流J时，电极间电势V分布满足式（5）[20]：

求解该方程得到对应的电场分布表达式为[20]：

式中：V0为电极间的电位差；D为电极间距；x为相对阴极板的距离。可见空间电荷效应显著改变了原有平板电极之间的均匀电场，由此可得到熟知的离子推力器栅极系统引出束电流极限。正是空间电荷效应对场发射最大电流密度的这种限制作用，给真空击穿中场发射电流瞬间蒸发微凸尖端这一理论增加了疑点[19]。

3 低气压环境诱发电击穿的机制

3.1 气体放电的帕邢定律

气压对电击穿的影响源于早期低气压气体放电研究：当电极间存在气体时，击穿电压Ub取决于气体压力p和电极间距d的乘积，即满足帕邢定律[21−22]：

式中：A、B为与气体种类相关的常数；γ为电极材料二次电子发射系数。帕邢定律已经被大量试验结果所验证，式（7）表达的击穿电压与乘积pd的关系称为帕邢曲线。

可通过如下推导过程了解帕邢定律的机制。击穿电压定义为实现自维持放电的电压，气体实现自维持放电的条件判据为：

式中：α为电离系数。进一步假设每个电子经过平均自由程后都会通过碰撞失去能量、每个电子碰撞都产生电离，并且电极间电场是均匀的，则通过式（8）可以推导出击穿电压表达式—式（7）[22]。由此可见，帕邢定律反映了电极间电子扩散和漂移损失与阴极产生发射电子的平衡关系，且电子和中性原子的碰撞电离概率、离子碰撞电极产生发射电子的概率均正比于电场、反比于气体数密度，阴极材料决定了电子发射系数，因此对击穿电压影响较大。

3.2 低气压诱发电击穿的机制

气体放电机制研究将气体击穿分为一次击穿过程和二次击穿过程[23]。一次击穿过程包括电离和复合碰撞，放电过程中气体内总自由电子密度受控；二次击穿过程是提供自维持（正反馈）的放电，即电离以击穿达到过程顶点。如果气体放电二次过程在气体中激活，击穿将以雪崩式（Streamer）机制发生，雪崩式击穿机制以较高气压和较大间距为特征；如果二次过程在电极之间激活，击穿则以汤森（Townsend）机制发生，汤森击穿机制以较低气压和较小间距为特征。无论哪种机制导致击穿发生，击穿电压都是pd乘积的函数（即帕邢定理）。

帕邢定理以具有最小值的非对称U型曲线为特征，图7所示为空气的帕邢曲线，曲线最小值处对应的电离效率最大，最小值附近气体击穿为汤森机制，最小值右边为雪崩式机制。pd更小处由于原子密度减小，部分阴极发射电子在发生碰撞电离前被阳极吸收；pd更大处由于原子密度增大，部分电离过程产生的离子在到达阴极前与中性原子发生碰撞而损失能量，阴极发射电子效率降低。

离子推力器中的低气压电击穿绝大多数属于汤森机制类型，即当pd处于中等值时，对应的间距d小于电子自由程，电极上的二次击穿过程主导气体中的二次击穿过程，计算击穿电压的适用条件为汤森判据[23−24]：

式中：η为电子附着系数。低压气体来源包括气体解吸、污染物挥发、材料出气、未电离的推进剂气体、外部气体扩散进入或它们的组合。初始电子源包括电极热发射、场发射、射线激发或电离等，发生击穿的位置在帕邢曲线最小值及其左侧附近。

图7 空气的U型帕邢曲线Fig.7 Paschen’s curve for air

当pd很小时，间距小于电子自由程，电极材料蒸发导致击穿，对应真空击穿机制，正如第2节所讨论，真空条件下由于电极材料蒸发导致的电击穿，只与过程中的低气压相关。当pd较大时，气体中的二次击穿过程主导电极上的击穿，对应雪崩式击穿机制，计算击穿电压的适用条件为雪崩判据[24−25]：

雪崩击穿的击穿电压约为发射特征电压V−4的2倍，V−4是发射电流为10−4A时对应的电压。

4 等离子环境诱发电击穿的机制

4.1 等离子鞘层诱发的电击穿

鞘层结构是电极间存在的等离子体中对电场分布影响最大的因素。一方面，该鞘层承担着电极间的大部分电压降，能够增强阴极电子场发射和热发射能力；另一方面，该鞘层一旦与导体微凸结构、带电绝缘体表面等发生耦合作用，会对电极表面附近的击穿过程产生重要影响[26]。电极间为高电压时，不满足波姆条件的阴极鞘层厚度及阴极表面电场强度表达式为[27]：

式中：mi为离子质量；qi为离子电荷；vi0为离子进入鞘层的初速度；ni为数密度；V为电极间电压。对典型离子电推进等离子体进行的计算表明，鞘层内电场强度可达到106V∕m。

4.2 等离子体泄漏诱发的电击穿

离子推力器发生来自内部或外部的等离子体泄漏可直接导致打火。内部等离子体泄漏主要源于推力器热循环导致的密封结构破坏；外部等离子体泄漏主要源于对环境等离子体的防护不当，中和器电子反流引发的栅极间电击穿最为典型。

离子推力器发生中和器电子反流的条件为[13]：当加速栅负偏置电压不够高或加速栅孔径随交换电荷离子腐蚀变到足够大时，由屏栅和加速栅形成的电势分布在加速栅孔中心会呈现相对中和器为正的状态，中和器发射的高能电子会直接通过加速栅孔进入栅极系统，称为电子反流现象。阻止电子反流的加速栅电压Va的最小绝对值与加速栅孔半径Ra的关系式为：

式中：Vs为屏栅电压；Da为加速栅厚度；Rs为屏栅孔半径；Lg为栅间距。中和器电子反流一旦开始就是一个不可逆过程：电子进入栅极进一步升高加速栅孔中心的电位，使得更多电子反流进入。进入栅极后的大量电子加速到上千电子伏并被屏栅极吸收，该能量积累会迅速加热屏栅局部位置，导致局部热形变和材料蒸发，最终导致栅间电击穿。

一个简单估算模型为：假设从加速栅单孔径截面反流的电子电流Ibs被屏栅等面积吸收，忽略屏栅热传导效应，经简单推导可得到屏栅截面温度升高ΔTs与反流时间Δtbs的关系：

以钼材料为例，取屏栅电压Vs为1 000 V，Ra为0.6 mm，Ds为2 mm，反流（电子）电流Ibs为0.02 A，ρs为10.2 g∕cm3，热容cs为0.25 J∕gK，计算结果表明：1 s时间的电子反流可使屏栅局部温度升高3 472 K，远超出其沸点温度，足以产生蒸气和放电击穿。

4.3 类真空弧等离子体源诱发的电击穿

源于真空阴极电弧等机制，阴极表面产生了半径为R的半球形初始等离子云，如图8所示。在R<

图8 阴极表面初始等离子体云示意图Fig.8 The geometry of the primary plasma cloud

该初始等离子体诱发电极间电击穿的条件为：等离子云发射的电流应达到由阴极材料决定的某阈值ith，且设想产生初始等离子体云的入射能量w0全部转化为阴极材料蒸发和电离的能量，由此推导出激发初始等离子体云并诱发电击穿的入射能量为[28]：

式中：wv为阴极原子升华能；wi为Z阶平均电离能，均为材料对应的真空弧试验数据。

5 其他因素诱发的电击穿

5.1 金属颗粒物诱发的电击穿

假设金属微颗粒物开始时接触于负电极表面，如图9所示，受电极间电场的影响，颗粒物表面带电。球型颗粒物的带电量为[29]：

在空间微重力条件下，该带电颗粒受到电场力作用向阳极运动并碰撞于阳极，获得的最大速度为[30]：

式中：ρp为微球颗粒的密度；Emax为微颗粒极化带电时最大表面电场。例如0.1μm半径、50 kV电压下速度可达到500 m∕s以上。

图9 电极间金属颗粒物带电及运动示意图Fig.9 A charged particle between electrodes

当碰撞能量高于一定阈值时，在碰撞电极表面产生由溅射物低气压环境导致（诱发）的电击穿，文献[31]讨论了电极板上微凸结构对金属颗粒物碰撞速度及溅射结果的显著影响。绝缘体颗粒物极化带电后，其运动行为与金属带电颗粒具有相似性。

5.2 绝缘体表面闪弧诱发的电击穿

大量试验结果表明，真空条件下由固体绝缘体支撑的电极间击穿电压往往会低于无绝缘体情况，而绝缘体材料的击穿电压高于真空击穿电压，研究确认是发生在绝缘体表面的所谓闪弧（flashover）现象所致[32−34]。试验发现由绝缘体表面闪弧导致的击穿电压主要取决于绝缘器外形和性能（纯度、出气、表面电导等），且阴极电极与绝缘体之间的连接状态对击穿电压的影响远大于阳极与绝缘体的连接状态。

绝缘体表面闪弧过程分为起源、发展和击穿三个阶段，如图10所示。起源阶段是在绝缘体、电极（负电极）和真空交界的三结区发生电极的电子发射，包括场致（场增强）和热电子发射。发展阶段为绝缘体表面的二次电子发射雪崩，又称为绝缘体表面电子发射瀑布，这是一个电子碰撞表面、表面产生二次电子发射增益、更多电子碰撞表面的发射电子雪崩式快速增长过程。击穿阶段为电子轰击表面导致表面的吸附气体解吸或表面材料蒸发，最终产生低气压放电击穿。

一个基于吸附了单层气体的绝缘体表面闪弧真空击穿电压的计算公式为[34]：

式中：Mcr为产生击穿的解析气体临界总量；A1为电子碰撞能量；A0为电子发射能量；v0为解吸气体平均速度；l为绝缘体长度；γ为解吸概率；ve为平均电子速度。

图10 绝缘体表面闪弧发展过程图Fig.10 Physical processes involved in insulator surface flashover

就二次电子发射瀑布过程而言，发射电子以初速离开绝缘体表面，必须有改变电子轨迹的物理机制使其回来碰撞于表面：绝缘体表面带电、位移电流产生表面磁场都可以实现电子轨迹反流。一个针对平行板电极间柱型绝缘体的位移电流产生的表面磁场如图11所示，磁感应强度大小为[35]：

式中：C是绝缘体的电容；d为绝缘体长度。计算分析表明，当电压变化速率足够大时二次发射电子轨迹可以偏移并再次碰撞表面。

图11 位移电流产生表面磁场示意图Fig.11 A magnetic field generated by the displacement current

5.3 电极表面绝缘层诱发电击穿

为增大离子推力器由内向外的热辐射，阳极、外壳等电极往往采取表面阳极化处理或镀膜处理以提高表面发射系数，结果导致金属电极表面被绝缘层覆盖。电极表面局部氧化、溅射沉积等也会导致类似结果，形成金属电极表面的绝缘岛分布。一般来说，电极表面绝缘层的存在有助于提高真空条件下电极间击穿电压阈值[14]，对防止电极间打火产生有利的作用。但在局部情况下，电极上的绝缘层会成为导致电击穿的诱发因素，金属电极表面绝缘层的存在会以多种机制诱发电击穿：

（1）如果电极表面存在局部绝缘层或绝缘岛，等离子体环境中该绝缘层（岛）类似于电容器，等离子体对绝缘层充电，绝缘层电荷不断累积，直到其内部场强超出击穿阈值时绝缘层被击穿，例如铝氧化层在低轨等离子体环境下的击穿电压临界值为70 V[36]。

（2）绝缘体与电极之间有空隙时，空隙内电场明显增强更易发生低气压放电，由此导致局部电击穿，结果如图12（a）所示。

（3）绝缘层与电极微凸结构耦合。如图12（b）所示，金属电极场增强发射的电子进入绝缘层并产生绝缘层分子（原子）的倍增电离效应，包括绝缘层内形成的空穴增强局部电场[37]，导致绝缘层发生雪崩击穿。

图12 缺陷引发的绝缘体局部损伤示意图Fig.12 Dielectric damage caused by the defects in dielectric and electrode

如果以上局部击穿产生的瞬态大电流足以蒸发和电离局部绝缘层，可直接诱发或通过二次耦合效应诱发电极间击穿。

6 展望

无论是地面试验还是在空间工作条件下，离子电推进都会发生非预期打火问题，通过分析发现，离子推力器非预期打火的影响因素多、机制复杂、耦合性强。并且随着离子推力器比冲性能的提升，束电压会进一步提高，相应的非预期打火问题会变得更加突出。由此可见，持续深入地开展离子电推进非预期打火的机制研究，不仅是保证成熟产品工程应用可靠性的迫切需求，更是研发新一代超高比冲离子电推进的必然要求。主要研究包括如下方面：

（1）多因素耦合机制研究[38−40]。在离子推力器的设计中，单个影响因素的抗击穿裕度都是足够的，但实际工作时却无法彻底杜绝电击穿事件的发生，显然是多因素随机耦合的结果。本文对单一因素影响机制的分析和量化估算也表明，只有理解了多因素的初始诱发和过程发展等耦合机制，才能完全解释实际发生的非预期打火。

（2）随机偶发特性研究[41−43]。离子推力器非预期电击穿的偶发特性非常突出，诱发因素较多、各因素参数分布范围较宽、各因素之间相互耦合随机性大等都是导致这种不确定的主要原因。针对击穿随机性的深入研究，不仅需要基于诱发机制的正确物理模型，更需要强有力的数学工具来进行复杂耦合过程概率分析。

（3）数值计算与专项测试有机结合研究[44−47]。真实离子推力器工况下的非预期打火测试在实施中存在较大困难，越来越高效的数值计算方法成为更有效的研究手段，计算仿真和专项试验的有机结合正在成为深化研究的主要方法，由此可显著地推进对问题的研究从定性到定量的转化。

（4）特征参数研究[48−50]。非预期电击穿的时间（周期）、打火频次、击穿电流峰值、推力器各电极参数响应等是区分、判定不同因素导致击穿或耦合演化的主要特征量，也是进行量化分析和评价的核心参数，获取和分析这些特征参数非常关键。

（5）综合研究支撑工程应用[51−53]。离子推力器的多电极结构、多诱发因素、多工况条件、长期工作磨损效应等情况，使得在工程应用中解决打火问题非常困难。一种有效的程序方法就是通过综合研究，首先确认第一（耦合）诱发因素及其机制，采取有效措施显著降低其影响程度，然后确认新的第一诱发因素及其机制并采取措施，以此类推直到非预期打火频次及危害程度达到工程可接受。