本底真空對推力器加速柵截獲CEX 離子電流
離子推力器地面壽命考核和加速壽命試驗是在地面真空艙中進(jìn)行的，真空艙本底真空度會(huì )對離子推力器性能和壽命特別是加速柵截獲電流有重要影響。為了確定20 cm 氙離子推力器地面試驗本底壓力，本文采用PIC-MCC 方法，計算了不同本底真空下柵極系統中性原子位置、密度分布和交換電荷( Charge Exchange，CEX) 離子位置、速度和密度分布。模擬計算了在不同真空艙本底真空下20 cm 氙離子推力器加速柵極截獲的CEX 離子電流，與實(shí)驗結果符合較好，并通過(guò)理論方法確定了加速柵電流隨真空艙本底真空變化的拐點(diǎn)。計算結果可以為離子推力器長(cháng)壽命考核試驗和柵極系統加速壽命試驗真空艙本底真空的選擇提供了參考。
離子推力器是目前應用最廣泛的電推進(jìn)種類(lèi)之一，被成功用來(lái)執行航天器位置保持、軌道轉移、阻力補償、姿態(tài)控制及深空探測等任務(wù)。離子推力器相比傳統化學(xué)推力器最大的特點(diǎn)是壽命長(cháng)，傳統的化學(xué)推力器壽命評價(jià)方法不再適用，這對離子推力器壽命評價(jià)提出了新的挑戰。
離子推力器結構復雜、部組件眾多，迄今為止發(fā)現的離子推力器潛在失效模式多達20余種。作為離子推力器關(guān)鍵部組件的柵極系統是主要的磨部件之一，也是評價(jià)離子推力器壽命時(shí)主要關(guān)注對象。柵極系統的幾類(lèi)失效模式都與交換電荷離子對柵極表面的濺射腐蝕相關(guān)，而交換電荷離子的產(chǎn)生除了受到放電室推進(jìn)劑利用率的影響，在地面試驗時(shí)還受到真空艙本底真空的影響。完全通過(guò)試驗確定離子推力器壽命試驗的本底真空壓力，試驗周期長(cháng)，花費高，因此理論研究真空艙本底真空對離子推力器柵極系統的影響具有重要的現實(shí)意義。
國外本底真空壓力對離子推力器工作的影響研究，主要集中在實(shí)驗研究加速柵失效機理和理論分析加速柵截獲電流地面和空間的差異等方面。1992年，美國JPL 的Brophy JR 等在本底真空低于10-3 Pa 下測試了兩柵和三柵極推力器加速柵截獲的交換電荷離子電流，目的是研究?jì)蓶藕腿龞艠O系統加速柵截獲交換電荷離子電流和表面濺射腐蝕的差異，選擇在較低本底真空下開(kāi)展實(shí)驗的目的是加速柵極的濺射腐蝕。同年，該小組在本底真空3.5×10-3 Pa( Kr) 下，對30 cm 離子推力器開(kāi)展了壽命試驗，目的是在短期內通過(guò)試驗研究加速柵機構失效模式及失效機理。1993 年，美國Peng XH 等利用PIC 方法計算了NASA LeRC 和NASA JPL 的兩臺推力器分別在地面真空艙和空間( 極高本底真空) 運行時(shí)的加速柵截獲交換電荷離子電流，計算顯示空間和地面真空艙( 本底壓力約10-3 Pa) 內運行時(shí)兩臺推力器加速柵電流比例為0.156% 和0.168% ，通過(guò)計算說(shuō)明了本底真空對推力器加速柵電流和濺射腐蝕的影響。雖然開(kāi)展了一些本底壓力對推力器的影響的研究，但未但見(jiàn)專(zhuān)門(mén)針對離子推力器地面真空艙長(cháng)壽命考核試驗和加速壽命試驗本底真空壓力選擇的研究。
為了對蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20cmXe 離子推力器壽命做出有效評價(jià)，近期計劃對推力器開(kāi)展長(cháng)壽命考核和加速壽命試驗。本文以該推力器柵極系統作為研究對象，利用PIC-MCC 計算機數值建模方法分析了不同真空艙本底真空下加速柵極截獲的交換電荷離子電流。本文的計算結果可以作為評價(jià)不同真空艙本底真空對加速柵極濺射腐蝕過(guò)程影響的階段性結論，也對下一步開(kāi)展壽命試驗真空本底壓力的選擇提供理論參考。
1、物理模型和計算方法
離子推力器工作中快速運動(dòng)的主束流離子與熱運動(dòng)的慢速中性原子之間發(fā)生電荷交換碰撞生成慢速的交換電荷離子和快速的中性原子。慢速運動(dòng)的交換電荷離子會(huì )在加速柵負電壓作用下加速撞擊到加速柵表面，對加速柵表面造成濺射腐蝕。濺射腐蝕作用會(huì )影響到柵極系統的性能和壽命。對推力器工作性能和壽命影響較大的是產(chǎn)生在柵極系統之間和加速柵下游區域的交換電荷離子，在屏柵附近產(chǎn)生的交換電荷離子會(huì )在柵極系統電場(chǎng)的作用下隨主束流離子引出。對于推進(jìn)劑Xe，交換電荷離子的產(chǎn)生過(guò)程可以表示為產(chǎn)生交換電荷離子的慢速推進(jìn)劑中性原子的主要來(lái)源有: 通過(guò)柵極系統泄露的放電室中未電離的推進(jìn)劑原子，中和器泄露的原子，在地面試驗中還包括真空艙內殘留的推進(jìn)劑氣體原子。其中通過(guò)中和器泄露的中性推進(jìn)劑原子通�？梢院雎�，另外真空艙內O2、N2、H2O 等分子密度相對于中性推進(jìn)劑氣體原子數密度很小，也可以忽略，因此只考慮中性推進(jìn)劑原子的影響。真空艙背景氣體的密度利用理想氣體的克拉伯龍方程確定。
計算交換電荷離子的產(chǎn)生率，必須首先確定中性原子的密度分布。本文利用程序跟蹤從放電室泄露的每個(gè)推進(jìn)劑原子的位置和速度分布。根據20cm 離子推力器額定工況下主陰極和陽(yáng)極推進(jìn)流率與引出束流的關(guān)系，不考慮2 價(jià)Xe 離子，推力器推進(jìn)劑的利用率接近90% 。
結論
本文利用PIC-MCC 計算機數值計算方法，對蘭州空間技術(shù)物理研究所20cm 氙離子推力器運行在不同真空艙本底真空下柵極系統束流引出特征和交換電荷離子分布進(jìn)行了模擬，模擬結果包括未電離的中性工質(zhì)原子位置和密度分布及交換電荷離子的位置、速度和密度分布。并計算得到了加速柵截獲交換電荷離子電流隨真空艙本底真空的變化關(guān)系。
本文得到結論如下：
( 1) 柵極系統上游形成的交換電荷離子會(huì )隨束流離子引出，不會(huì )被加速柵極截獲形成加速柵電流，加速柵極截獲的交換電荷離子主要來(lái)自于柵極之間和加速柵下游區域；
( 2) 真空艙本底真空對加速柵截獲交換電荷離子電流影響的拐點(diǎn)出現在1.0×10-3 Pa 附近。建議20 cm 離子推力器長(cháng)壽命考核試驗選擇本底真空高于10-3 Pa； 加速壽命試驗真空艙本底真空低于10-3 Pa，具體與選擇的加速因子相關(guān)。
本文下一步工作計劃為，通過(guò)計算不同真空艙本底壓力時(shí)20 cm 離子推力器加速柵濺射腐蝕率,確定推力器加速壽命試驗本底真空選擇方案，另外本文開(kāi)發(fā)的數值計算程序可以指導其他束流尺寸離子推力器的柵極系統設計和性能預測。
