針對(duì)20 cm 氙離子推力器具體設(shè)計(jì)和工作參數(shù), 采用二維軸對(duì)稱模型的網(wǎng)格質(zhì)點(diǎn)和蒙特卡羅碰撞方法模擬計(jì)算了氙離子和氙原子在離子推力器柵極系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)。模擬得到了在不同本底壓力下交換電荷離子對(duì)加速柵極孔壁的濺射腐蝕情況, 并由此計(jì)算了不同本底壓力下因孔壁腐蝕導(dǎo)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(zhí)行航天器軌道保持、軌道轉(zhuǎn)移、阻尼補(bǔ)償、姿態(tài)控制以及深空探測(cè)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(zhǎng)工作時(shí)間才能達(dá)到總沖量要求。

　　從上世紀(jì)60 年代開(kāi)始, 對(duì)離子推力器進(jìn)行了一系列的地面和空間試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)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(tǒng), 它的主要失效形式有三種:屏柵和加速柵之間短路、柵極結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(duì)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(tǒng), 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(tǒng)工作仿真模擬軟件, 研究了不同真空艙內(nèi)本底壓力對(duì)加速柵孔壁濺射腐蝕情況。對(duì)20 cm 離子推力器在不同真空艙內(nèi)本底壓力下由于交換電荷離子對(duì)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(yù)測(cè)。

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(fù)電壓會(huì)在加速柵的孔中形成勢(shì)壘, 該勢(shì)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(zhǎng)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(dǎo)致加速柵孔徑逐漸的增大。當(dāng)孔徑變大到孔中勢(shì)壘無(wú)法阻止電子進(jìn)入加速柵孔時(shí), 出現(xiàn)電子反流失效。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)經(jīng)過(guò)調(diào)研文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)Kaufman給出了出現(xiàn)電子反流的加速柵電壓與束流電壓和柵極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

　　圖1 為根據(jù)式(1) 結(jié)合20 cm 氙離子推力器幾何參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)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(dāng)加速柵孔半徑一定時(shí)加速柵極電壓絕對(duì)值小于其對(duì)應(yīng)的電子反流閥值電壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電子反流現(xiàn)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(yùn)動(dòng)的氙原子和高速運(yùn)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(yùn)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(duì)20 cm 離子推力器具體工況, 采用PICMCC方法模擬計(jì)算了不同真空艙本底壓力下交換電荷離子對(duì)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(jié)算結(jié)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(duì)應(yīng)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(duì)推力器工作壽命影響不顯著的本底真空度應(yīng)低于5 × 10^-4 Pa。