[发明专利]一种离子推力器极小子样可靠性评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种离子推力器极小子样可靠性评估方法，尤其涉及离子推力器寿命试验数据为无失效、极少失效数据的可靠性分析方法。属于航天可靠性分析技术领域。

背景技术

离子推力器是电推进的一种，它利用介质氙气体电离生成带电离子,在静电场的作用下加速喷出,产生推力,所以又称静电推进。与传统化学推力器相比具有高比冲，高效率，推力小的特点。可以用来执行南北位保、轨道提升及深空探测等空间任务。由于离子推力器推力比较小，这就要求必须运行较长的时间才能达到总冲量的要求。因此，离子推力器器作为长寿命设备一般要求能够在轨可靠运行数千小时甚至上万小时。所以对离子推力器服役寿命的可靠性分析具有重要意义。

离子推力器子系统的基本组件有空心阴极、放电室、栅极系统和中和器等，如图1所示。在离子源内由空心阴极发射的电子碰撞推进剂原子使之电离，进入放电室，工作介质氙气体在空心阴极发射的电子作用下在离子腔内离子化,被电离了的离子被含有电势差的离子光学系统(屏栅和加速栅)加速下以非常高的速度喷出发动机产生推力。离子被加速到所要求的排气速度后，由于物质是以离子形式喷出，携带净正电荷，中和器将发射等量的电子到离子束中确保电荷均衡。

离子推力器在轨飞行前，为了找出离子推力器的关键失效模式及对其寿命可靠性分析，需要进行地面寿命验证实验来评估其性能是否满足要求。其中，美国NASA应用于深空一号的30cm NSTAR(Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness)推力器地面寿命扩展试验累计时间达到30352h，而在NSTAR的基础上改进的应用于黎明号的离子推力器NEXT(NASA’s Evolutionary Xenon Thruster)创下了连续运行超48000小时的新世界纪录；德国的射频离子推力器RIT-10最终验证的寿命大于20000h；日本的10cm微波离子推力器地面试验寿命到2003年已经达18000h。而我国的LIPS-200离子推力器的寿命要求为10000～15000小时。由于离子推力器长寿命、高可靠性的特点给可靠性分析带来一定的困难。

由于离子推力器的制造成本昂贵，同时受试验条件的制约，每次只能1～2台进行试验，导致可靠性评估试验子样有限，属于极小子样范畴；同时受到研制周期紧迫的影响，其寿命试验往往无法长时间地进行，试验结果多为无失效数据或极少失效数据.对于这种试验信息量非常有限的情况，可靠性分析难度较大。而本发明方法可以对其可靠性评估提供一定的依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子推力器极小子样可靠性评估方法，它要解决的是离子推力器地面寿命试验数据包含的信息量少，可靠性分析困难的技术难题，提出一种分别针对无失效数据和极少失效数据的离子推力器极小子样可靠性评估方法，该方法根据离子推力器的主要失效模式及其结构特点选取合理的寿命分布模型，充分开发利用其寿命试验数据信息，获得保守的寿命分散性，实现对离子推力器极小子样的可靠性评估，具有计算方便，分析结果精度高等特点，能够推广到具有长寿命、高可靠性特点的同类型产品的可靠性分析。

本发明一种离子推力器极小子样可靠性评估方法，它包括以下步骤:

步骤一：根据离子推力器的主要失效及结构特点选取合适的寿命分布模型,寿命分布模型包括weibull分布,正态分布等；其选取的方法如下：由于任何一个薄弱部位失效都将导致整个离子推力器的失效,这符合根据最弱环节模型或串联模型得到的weibull分布，因此本发明假设离子推力器无失效数据的寿命分布服从两参数weibull分布，分布函数为：

式中，α为形状参数，β为特征寿命即位置参数，α反映了寿命的分散性；

步骤二：根据离子推力器地面寿命验证试验结果选择可靠性分析方法，若子样为无失效数据选择离子推力器无失效数据可靠性分析方法，若子样为极少失效数据则选择离子推力器极少失效数据可靠性分析方法；

步骤三：确定离子推力器无失效数据的寿命分散性α；

步骤四：计算离子推力器极少失效数据寿命分布模型的参数值；

步骤五：根据步骤二中选择的可靠性分析方法，计算出离子推力器给定寿命的可靠度置信下限和给定可靠度的寿命置信下限。

其中，在步骤二中所述的“选择离子推力器无失效数据可靠性分析方法”，其选择的具体实现过程如下：

1.根据离子推力器定时截尾无失效寿命数据t₀，选择weibull分布作为其寿命分布模型如公式(1)。