LIPS-300离子推力器加速栅电压的优化设计

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1、70中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2015年4月第2期LIPS一300离子推力器加速栅电压的优化设计陈娟娟张天平贾艳辉吴辰宸(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理重点实验室，兰州730000)摘要在不改变推力器几何结构的前提下，为了获得I．IPS一300离子推力器的最佳加速栅电压，采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法分析了加速栅电压分别为一180V、一190V、一200V、一210V和一220V时I。IPS一300离子推力器栅极组件引出柬流过程中

2、束流离子从非平衡态到平衡态的演化过程，通过数值模拟计算得到了推力器运行过程中交换电荷离子轰击溅射到加速栅壁面的产额，利用寿命预测的半经验计算方法对5种情况下LIPS-300离子推力器的栅极寿命进行估计，分析了关键失效模式，通过对比获得了I。IPS-300离子推力器的最佳加速栅电压。计算结果显示，在现有几何结构下加速栅电压的变化不会影响栅极组件的引出性能；加速栅下游更易受到交换电荷离子的轰击溅射；加速栅电压从一180V变化至一220V过程中，影响栅极寿命的关键失效模式为电子反流失效；对比5种情况下发生电子

3、反流和结构失效时对应的栅极寿命可以发现，LIPS300离子推力器加速栅电压最佳值应为一220V，此时对应的栅极寿命为16170．4h。关键词离子推力器；加速栅电压；寿命；半经验分析；仿真DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．02．0101引言离子推力器因其推力可调节、高比冲、高效率及长寿命等特点，目前已经被用来执行位置保持、部分轨道转移、深空探测主推进等使命¨j。栅极组件作为离子推力器的重要组成部件，其主要作用是将放电室内气体放电过程中产生的等离子体中的离子进行加速、聚焦、

4、引f“，形成推力口。3]。栅极的引出性能和寿命对推力器的性能和寿命具有直接影响-。“。对栅极组件的寿命评估可通过试验不断测试的方法来实现一7j，但由于试验周期和开支问题，通过试验进行寿命评价也变得越来越不现实。因此，通常采用半经验分析步11一和数值仿真计算的方法一地。1刈来实现推力器栅极寿命的评估。文献[9]利用半经验分析计算了双栅极离子推力器轰击电流的腐蚀特点，利用模型计算了加速栅下游表面腐蚀凹槽和凹坑的深度，与试验值符合较好。文献[15]开发了栅极的等离子体磨损效应数值计算程序SAPPHIRE，模拟

5、了栅极离子束流的引出过程，建立了栅极的腐蚀率计算模型。文献[16]开发了等离子体对离子推力器腐蚀效应的二维、三维模型，计算了加速栅下游表面腐蚀深度、电子反流极限和电子反流电流的大小。以上文献分别利用半经验分析方法和数值仿真计算方法研究了栅极束流引出过程和交换电荷离子对加速栅壁面的轰击溅射，但都没有具体地分析加速栅电压对束流离子加速、聚焦、引出过程及其空间位置分布、轰击溅射产生的产额对推力器栅极寿命的影响。加速栅电压的合理选取可以有效地避免大量电子反流，降低加速栅结构失效的概率。加速栅结构失效和电子真空低

6、温技术与物理重点实验室基金(9140C550206130C55003)资助项目收稿日期：2014-08—14。收修改稿日期：2014-09—23!!!i笙!旦生旦窒!旦型堂垫查!!反流失效是决定离子推力器寿命的最关键的失效模式，通常定义为电子反流时电流与束流电流之比为1％。加速栅结构失效的判据定义为凹槽溅射完全穿透加速栅后，栅极孑L周围的6个桥连接完全断裂，使形成的小环脱落。为了能准确地预测lAPS一300离子推力器栅极组件的寿命，分析加速栅电压对栅极组件寿命的影响，得到不同加速栅电压下栅极发生电子反流

7、失效和加速栅结构失效的概率，进一步提出加速栅电压优化设计方法，本文拟考虑在不改变推力器几何结构参数的条件下，首次采用半经验分析和数值仿真计算相结合的方法，通过计算不同加速栅电压下LIPS一300离子推力器栅极组件寿命来实现该推力器加速栅电压的优化。该方法的优点是：1)交换电荷离子对加速栅孔壁和下游表面溅射腐蚀率及栅极单孑L引出束流直径无法利用试验的方法来直接测量得到，利用数值仿真计算方法可以分别进行统计和获得；2)直接利用数值仿真计算模型进行寿命预测比较耗时，而利用半经验模型可以快速得到计算结果，并且以

8、数值计算的部分数据作为模型输入也会降低半经验分析模型的计算误差。本文将这两种计算方法有机结合，既可保证计算速度，又可以提高计算结果精度。LIPS300离子推力器加速栅电压的设计值为200V，为了利用数值仿真计算的方法获取最佳加速栅电压，本文在取值时将其设计值作为基准值。以loV为电势梯度，共取5个值(即一180V、190V、一200V、一210V和一220V)作为仿真的加速栅电压参考值，将计算机程序中统计的溅射产额数值代入半经验分析模型得到