[发明专利]一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法

说明书

本发明公开了一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，通过将试验测量结果和数值仿真计算结果分别代入半经验分析模型，计算获得离子推力器的运行寿命，能够利用有限试验测试数据对离子推力器运行寿命进行评估，从而快速确定离子推力器寿命影响最关键因素，有效减少了失效后的推力器加工、制造、组装、试验、测试等环节，降低产品生产成本，因此，能够提前预测离子推力器应用范围及应用价值。

技术领域

本发明属于离子体技术领域，具体涉及一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法。

背景技术

离子推力器高比冲、高效率特点可显著减少航天器推进剂携带量、减小航天器质量，因此被大量用于卫星位置保持、轨道机动和深空探测任务中。然而离子推力器固有低推力特点要求它在执行空间任务时必须具备高可靠、长寿命，一般要求可靠运行数万小时。

推力器运行过程中，等离子体对推力器溅射腐蚀效应主要集中在屏栅极、加速栅、放电室壁和放电阴极几个关键部组件上，其中加速栅的溅射刻蚀对推力器寿命影响最为严重，也是决定推力器寿命的最关键因素。因此国内外对推力器寿命的理论评估研究主要集中在栅极组件溅射腐蚀对推力器寿命的影响上。

传统离子推力器寿命评估方法通常是对单机进行长寿命测试，寿命测试时长一般要进行设计寿命的150％，例如美国NSTAR 30cm离子推力器寿命考核验证进行了30352小时，NEXT寿命考核试验超过35000小时。在没有明确栅极组件失效机理的前提下，对推力器进行数万小时的寿命试验花费是相当惊人的。半经验分析模型、数值仿真分析方法均可进行离子推力器寿命评估，但如何利用有限的试验测试数据，准确地评估推力器运行寿命，得到推力器最关键失效模式、影响因素，则成了一个亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，能够结合数值仿真计算模型、试验测试结果和半经验分析模型，准确地对离子推力器的运行寿命进行评估。

本发明提供的一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，包括以下步骤：

模拟待测推力器的束流引出过程、高能离子产生过程、高能离子对加速栅孔壁和下游表面的轰击溅射刻蚀过程，建立待测推力器栅极组件的数值仿真模型，采用所述数值仿真模型计算得到待测推力器的束流引出达到稳态时的溅射产额仿真值及溅射速率仿真值；

测量获得待测推力器运行到不同设定时间后的加速栅孔径、加速栅厚度、屏栅极孔径、屏栅极厚度及电子反流极限电压的取值，分析得到待测推力器发生加速栅结构失效时坑槽腐蚀深度及加速栅孔径的测量值，及待测推力器发生电子反流失效时反流极限电压的测量值；

将所述溅射产额仿真值、溅射速率仿真值、坑槽腐蚀深度测量值、加速栅孔径测量值及反流极限电压测量值分别输入待测推力器的加速栅结构失效寿命模型和电子反流失效寿命模型中，计算得到待测推力器的加速栅结构失效寿命和电子反流失效寿命，所述加速栅结构失效寿命和电子反流失效寿命中的较小值即为待测推力器的运行寿命。

有益效果：

本发明通过将试验测量结果和数值仿真计算结果分别代入半经验分析模型，计算获得离子推力器的运行寿命，能够利用有限试验测试数据对离子推力器运行寿命进行评估，从而快速确定离子推力器寿命影响最关键因素，有效减少了失效后的推力器加工、制造、组装、试验、测试等环节，降低产品生产成本，因此，能够提前预测离子推力器应用范围及应用价值。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种基于栅极腐蚀的离子推力器运行寿命评估方法，如图1所示，具体包括以下步骤：