LIPS-300离子推力器双栅极寿命的数值分析

2024年3月19日发(作者：上海通用别克官网)

LIPS-300离子推力器双栅极寿命的数值分析

陈娟娟;张天平;贾艳辉;耿海

【摘 要】LIPS-300 ion thruster,which is developed by Lanzhou Institute of

Physics,is a dual-mode plasma one of the key factor,thruster

lifetime is to determine whether it can meet the needs of future space

ing to the requirements of future space mission on the

LIPS-300 ion thruster,its lifetime must be 10 098 h for completing all the

space ore,in order to precisely estimate the lifetime of the

multi-mode LIPS-300 ion thruster multi-aperture grids developed by the

Lanzhou Insti-tute of Physics, the simulation method ( PIC/MCC) was used

to establish the numerical model and calculate the lifetime of the grid that

operates on the 210 mN and 80 mN respectively,and analyze the key

failure rmore,the lifetime and corresponding key failure mode

for the thruster working on the 80 mN is also calculated,while the thruster

has worked on the 210 mN mode for 6 000 addition,the safety maryin

is analyzed for different working results show that when the

LIPS-300 ion thruster op-erates on the 210 mN and 80 mN respectively,the

lifetime of the grids is 16 064.3 h and 26 633.2 h respectively,and the

reliability of failure mode is 1.3 and lifetime of LIPS-300 ion

thruster that workes for 600 h at 210 mN mode and operates at 80 mN

mode is about 22 064.3 h,the safety maryin is key failure mode is

electron back safety margin for LIPS-300 ion thruster at 210

mN,80 mN and multi-mode are 1.6,2.6 and 2.2 respestively.%LIPS-300离子

推力器为兰州空间技术物理研究所自主研制的双模式离子推力器。推力器在轨运行

寿命是决定其是否能够满足未来航天使命需求的关键因素之一。根据未来航天任务

对LIPS-300离子推力器系统寿命的要求,即采用LIPS-300离子推力器完成所有在

轨任务所需要的时间为10098 h。因此,为了准确预测LIPS-300离子推力器运行

过程中其关键部组件单点失效的栅极组件寿命,文中建立了LIPS-300离子推力器栅

极组件寿命模型,利用数值仿真计算的方法( PIC/MCC)预测了推力器分别单独工作

在210 mN和80 mN时栅极发生失效所对应的寿命,并分析了关键失效模式,同时

计算了推力器在大推力210 mN模式下工作6000 h后,继续在小推力模式80 mN

工况下栅极对应的寿命和关键失效模式。另外,分析了不同工况下LIPS-300离子推

力器栅极寿命是否满足未来航天使命的寿命需求,即安全裕度。数值结果显示,LIPS-

300离子推力器分别单独工作在210 mN和80 mN时,其栅极工作寿命分别为

16064.3、26633.2 h,安全裕度分别为1.3、2.2,两种情况对应的关键失效失效模式

均为电子反流失效；LIPS-300离子推力器在210 mN大推力模式下工作6000 h

后,继续在小推力80 mN下工作,此时对应的寿命约为22064.3 h,安全裕度为1.8,

关键失效模式为电子反流失效；推力器单独工作在210 mN和80 mN及双模式

下工作时的安全裕度分别为1.6、2.6和2.2。

【期刊名称】《固体火箭技术》

【年(卷),期】2016(039)001

【总页数】6页(P44-49)

【关键词】LIPS-300离子推力器;栅极寿命;数值仿真模型

【作 者】陈娟娟;张天平;贾艳辉;耿海

【作者单位】兰州空间技术物理研究所，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所，

兰州 730000;兰州空间技术物理研究所，兰州 730000;兰州空间技术物理研究所，

兰州 730000

【正文语种】中 文

【中图分类】V439+.1

离子推力器因其推力可调节、高比冲、高效率、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[1]。对离子推力器来说，限

制其空间应用的主要因素为长寿命需求。基于对推力器失效模式和失效机理的研究，

推力器的性能才能不断提升、寿命不断提高，识别推力器潜在失效模式的主要手段

是进行大量的空间飞行和地面磨损试验。目前发现的离子推力器磨损相关失效模式

多达20余种，有些通过优化设计后已经消除。基于LIPS-300离子推力器整机及

其关键部组件考核和推力器设计结果及应用模式，分析LIPS-300离子推力器可能

出现的失效模式发现，影响LIPS-300离子推力器寿命的关键失效模式为电子反流

失效和加速栅结构失效[2-3]。这2种失效模式均属于栅极系统失效，即为单点失

效，其一旦失效就意味着离子推力器失效[4]。因此，准确评估推力器束流引出过

程中束流离子和中性气体发生电荷交换碰撞产生的交换电荷离子对加速栅孔壁及表

面的溅射腐蚀[5]及等离子体中的电子发生反流[6]引起的推力器极限寿命，对满足

卫星任务需求是非常关键的。

离子推力器寿命预测模型是基于失效模式、失效机理和失效判据对推力器寿命进行

预测的。栅极寿命模型可分为半经验分析模型[7-10]和数值仿真计算模型[11-13]。

LIPS-300离子推力器是兰州空间技术物理研究所自主研制的双模式离子推力器，

其推力分别为80、210 mN、比冲分别为4 100、3 500 s。为了能准确预测

LIPS-300离子推力器不同工作模式下的栅极运行寿命，在此拟采用数值仿真计算

的方法，对2种关键失效模式下的LIPS-300离子推力器栅极寿命做出预测和评价。

电荷交换碰撞为快速的推进剂离子与热运动速度的慢速原子发生交换电荷碰撞，对

于氙电荷交换过程可表示为

在一个时间步长Δt内，第i个离子与所处空间位置中性原子密度为nn(xi)的推进

剂原子发生碰撞的几率为

式中 xi为第i个粒子所在的空间位置；vi为其速度；σ(vi)为第i个粒子的碰撞截

面。

离子的加速运动根据运动学原理可表示为

式中 mi为交换电荷离子质量；分别为粒子所在的位置和速度；和分别为粒子所

处位置的电场强度和受到的作用力。

电子反流失效对应的栅极寿命可表示为

式中 Δda和da分别为失效时加速栅孔直径变化率和直径变化量。

加速栅结构失效对应的栅极寿命为

式中 λs为面积修正因子；lcc为加速栅相邻孔圆心的距离；ω为加速栅下游表面

溅射腐蚀凹槽宽度；ta为加速栅厚度；ρMo为钼原子密度；e为电子电量；Js为

加速栅中心孔截获交换电荷离子电流；λY为溅射产额修正因子；Y为溅射产额；

MMo为钼原子质量。

考虑栅极组件束流离子引出特征及求解计算区域电场的便利，计算机数值计算模型

采用等离子体粒子模拟中的网格粒子方法(PIC)，对栅极组件离子引出过程进行模

拟。交换电荷离子的产生利用MC方法进行计算，产生交换电荷离子后，电荷交

换离子与主束流离子相同参与到PIC计算中，利用程序统计栅极截获电流和栅极

溅射腐蚀率。计算流程如图1所示。

本文分2种工况，分别对LIPS-300离子推力器栅极的寿命进行评估：

(1)分别讨论LIPS-300离子推力器分别工作在2种工作模式，即大推力210 mN、

小推力80 mN时栅极的极限寿命及对应的失效模式；

(2)当LIPS-300离子推力器在大推力模式下工作6 000 h后，然后在小推力模式下

进行位置保持，此时小推力工作模式的极限寿命及对应的失效模式。

2.1 2种工作模式下的寿命评估

2.1.1 210 mN工作模式

图2为静电势分布和稳态下的电势分布，图3为无碰撞发生时的主束流离子空间

位置分布，图4为交换电荷离子空间位置分布，图5为束流离子空间位置分布。

表1、表2分别为LIPS-300离子推力器栅极双栅极组件几何结构尺寸和工作电参

数。表3所示为稳态后加速栅上游、下游及内壁面统计到的交换电荷总电量和电

流。表4为程序统计到的屏栅和加速栅电流。表5所示为程序统计到的溅射产额。

根据栅极孔壁材料初始体积溅射率可知，加速栅之间的变化率约为2.804 6×10-

11 m/s。此时，加速栅孔半径为0.6 mm，对应的电子反流阈值电压为-110.496

V，当加速栅电压为-375 V时，对应的加速栅孔半径约为0.001 1 mm，得到加速

栅孔直径变化量为0.598 9 mm。将其代入式(4)可知，对应的电子反流失效的寿

命约为16 064.3 h。

根据表1、表2所示的几何结构尺寸和工作电参数和式(5)，得到210 mN模式下

加速栅结构失效对应的LIPS-300离子推力器栅极寿命为20 754.3 h。

综上可知，LIPS-300离子推力器210 mN工作模式下的栅极寿命约为16 064.3 h，

关键失效模式为电子反流失效。

2.1.2 80 mN工作模式

图6为静电势分布和稳态下的电势分布。

计算结果显示，束流引出过程达到稳态后，两栅之间的电势变化不大，而在加速栅

下游区域的电势变化很大。说明交换电荷离子产生的主要区域为加速栅下游。

图7为无碰撞发生时的主束流离子空间位置分布，图8为交换电荷离子空间位置

分布，图9为束流离子空间位置分布。模拟结果显示，中性原子和放电室内通过

屏栅孔进入栅极之间的离子发生电荷交换碰撞产生的交换电荷离子中，有很少的一

部分碰撞到加速栅内表面。而主束流离子和稳定后的束流离子空间位置分布，则没

有发生欠聚焦。

表6为稳态后加速栅上游、下游及内壁面统计到的交换电荷总电量和电流，表7

为程序统计到的屏栅和加速栅电流。统计结果显示，在加速栅电流为0，说明束流

引出过程中，并没有离子被加速栅所截获。表8为程序统计到的溅射产额。

根据栅极孔壁材料初始体积溅射率得知，加速栅孔直径的变化率为6.987×10-12。

而根据加速栅孔半径与电子反流阈值电压之间的关系可知，当加速栅半径为0.6

mm时，对应的电子反流阈值电压为-196.511 V，而加速电压为-300 V时，对应

的加速栅半径为0.723 mm。因此，加速栅半径的变化量为0.123 mm，将其代

入式(4)可知，加速栅出现电子反流失效的寿命为26 633.2 h。

根据表1、表2所示的几何结构尺寸和工作电参数和式(5)，得到80 mN模式下加

速栅结构失效对应的LIPS-300离子推力器栅极寿命为29 974.8 h。

综合两种失效模式得知，LIPS-300离子推力器的寿命约为26 633.2 h，关键失效

模式为电子反流失效。

2.2 210 mN大推力模式和80 mN小推力模式(双模式)

首先是LIPS-300离子推力器工作在210 mN大推力模式下6 000 h，在此基础上，

该推力器继续在80 mN小推力模式下工作。

210 mN模式工作了6 000 h后的推力器栅极组件电势和粒子位置分布情况：

图10所示为静电势分布和稳态下的电势分布，图11所示为无碰撞发生时的主束

流离子空间位置分布。

图12为交换电荷离子空间位置分布，图13为束流离子空间位置分布。在此基础

上，该推力器运行在80 mN的小推力模式。

在此基础上，该推力器运行在80 mN的小推力模式。

表9所示为稳态后加速栅上游、下游及内壁面统计到的交换电荷总电量和电流。

表10所示为程序统计到的屏栅和加速栅电流。表11所示为程序统计到的溅射产

额。

根据栅极孔壁材料初始体积溅射率可知，加速栅之间的变化率约为2.257 2×10-

11m/s。此时，加速栅孔半径为0.6 mm，对应的电子反流阀值电压为-157.647 V。

当加速栅电压为-375 V时，对应的加速栅孔半径为0.252 2 mm，得到加速栅孔

直径变化量为0.347 8 mm。则对应的电子反流失效的寿命约为19 329.04 h。

综上可知，当推力器在大推力模式下工作6 000 h后，继续在小推力器模式下工

作，其运行寿命约为19 329.04+6 000=25 329.04 h，关键失效模式为电子反流

失效。

(1)主要针对兰州空间技术物理研究所自主研制的LIPS-300离子推力器，建立了推

力器栅极组件寿命模型，采用数值仿真计算的方法，对LIPS-300离子推力器束流

引出过程进行了数值仿真，利用程序自动统计到的推力器束流引出达到稳态时的加

速栅交换电荷总电量和电流、屏栅和加速栅电流及溅射产额，分析了不同工况(大

推力210 mN、小推力80 mN及双模式)下栅极组件的寿命及关键失效模式。

(2)计算结果显示，在现有几何结构参数和工作电参数下，推力器不同工况不会影

响束流在栅极组件中的加速、聚焦及引出，只会影响栅极组件的寿命。

(3)数值仿真结果能够为LIPS-300离子推力器进一步试验测试及推力器优化提供一

定的参考价值。

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