不同本底壓力下離子推力器電子反流失效的數值模擬

　　針對20 cm 氙離子推力器具體設計和工作參數, 采用二維軸對稱(chēng)模型的網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)和蒙特卡羅碰撞方法模擬計算了氙離子和氙原子在離子推力器柵極系統中的運動(dòng)。模擬得到了在不同本底壓力下交換電荷離子對加速柵極孔壁的濺射腐蝕情況, 并由此計算了不同本底壓力下因孔壁腐蝕導致發(fā)生電子反流失效模式的推力器工作壽命。

　　離子推力器具有高比沖、高效率等優(yōu)點(diǎn), 使得其成功用于執行航天器軌道保持、軌道轉移、阻尼補償、姿態(tài)控制以及深空探測主推進(jìn)等任務(wù)。離子推力器的推力通常較小, 這就決定了需要很長(cháng)工作時(shí)間才能達到總沖量要求。

　　從上世紀60 年代開(kāi)始, 對離子推力器進(jìn)行了一系列的地面和空間試驗, 發(fā)現了20 余種離子推力器失效模式 。其中, 限制離子推力器壽命的關(guān)鍵組件之一就是柵極系統, 它的主要失效形式有三種:屏柵和加速柵之間短路、柵極結構失效、電子反流失效。電子反流失效是由交換電荷離子濺射腐蝕加速柵孔壁導致孔徑變大造成, 而交換電荷離子密度和推力器工作的本底壓力密切相關(guān)。

　　本文針對蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20cm 離子推力器的鉬材料雙柵極系統, 編寫(xiě)了基于網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)(PIC) 與蒙特卡羅碰撞(MCC) 方法的柵極系統工作仿真模擬軟件, 研究了不同真空艙內本底壓力對加速柵孔壁濺射腐蝕情況。對20 cm 離子推力器在不同真空艙內本底壓力下由于交換電荷離子對加速柵孔壁濺射腐蝕引起的電子反流失效模式的工作壽命進(jìn)行分析預測。

電子反流失效

　　離子推力器工作時(shí), 為了保持航天器電中性, 在加速柵下游處由中和器發(fā)射等量的電子完成束流粒子的中和。在正常情況下, 加速柵的負電壓會(huì )在加速柵的孔中形成勢壘, 該勢壘能夠阻止中和器發(fā)射的電子反流到放電室中。但在推力器長(cháng)壽命工作過(guò)程中, 在柵極之間和下游產(chǎn)生的部分低能量交換電荷離子受到加速柵附近電場(chǎng)作用而撞擊到加速柵的孔壁上, 產(chǎn)生濺射腐蝕并導致加速柵孔徑逐漸的增大。當孔徑變大到孔中勢壘無(wú)法阻止電子進(jìn)入加速柵孔時(shí), 出現電子反流失效。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)經(jīng)過(guò)調研文獻發(fā)現Kaufman給出了出現電子反流的加速柵電壓與束流電壓和柵極系統結構之間的關(guān)系

　　圖1 為根據式(1) 結合20 cm 氙離子推力器幾何參數和運行參數得到的加速柵孔半徑與加速柵電子反流閥值的關(guān)系圖。當加速柵孔半徑一定時(shí)加速柵極電壓絕對值小于其對應的電子反流閥值電壓時(shí)就會(huì )出現電子反流現象。

圖1 加速柵極孔半徑與電子反流閥值電壓的關(guān)系

　　加速柵附近產(chǎn)生的交換電荷離子是加速柵孔壁濺射腐蝕的根源, 所謂交換電荷離子就是以熱速度運動(dòng)的氙原子和高速運動(dòng)的氙離子之間發(fā)生非彈性電荷交換碰撞, 高速離子獲得電子成為高能原子, 以熱速度運動(dòng)的原子失去電子成為低能離子。產(chǎn)生交換電荷離子的中性原子包括放電室通過(guò)柵極孔溢出的未電離的氙原子和環(huán)境本底中的氙原子。

　　針對20 cm 離子推力器具體工況, 采用PICMCC方法模擬計算了不同真空艙本底壓力下交換電荷離子對加速柵孔壁的濺射腐蝕情況, 并由此得到不同本底真空度下發(fā)生電子反流失效的推力器工作壽命。結算結果表明: 本底真空度為6. 67 × 10^-3 Pa時(shí), 推力器電子反流失效對應的壽命為16550 h, 而本底真空度為1 × 10^-5 Pa 時(shí), 離子推力器壽命為24458h。對推力器工作壽命影響不顯著(zhù)的本底真空度應低于5 × 10^-4 Pa。