不同本底壓力下離子推力器電子反流失效的數(shù)值模擬
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工作時(shí)間才能達(dá)到總沖量要求。
從上世紀(jì)60 年代開始, 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。
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。但在推力器長壽命工作過程中, 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)孔徑變大到孔中勢壘無法阻止電子進(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://m.genius-power.com/)經(jīng)過調(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。
