不同本底压力下离子推力器电子反流失效的数值模拟

　　针对20 cm 氙离子推力器具体设计和工作参数, 采用二维轴对称模型的网格质点和蒙特卡罗碰撞方法模拟计算了氙离子和氙原子在离子推力器栅极系统中的运动。模拟得到了在不同本底压力下交换电荷离子对加速栅极孔壁的溅射腐蚀情况, 并由此计算了不同本底压力下因孔壁腐蚀导致发生电子反流失效模式的推力器工作寿命。

　　离子推力器具有高比冲、高效率等优点, 使得其成功用于执行航天器轨道保持、轨道转移、阻尼补偿、姿态控制以及深空探测主推进等任务。离子推力器的推力通常较小, 这就决定了需要很长工作时间才能达到总冲量要求。

　　从上世纪60 年代开始, 对离子推力器进行了一系列的地面和空间试验, 发现了20 余种离子推力器失效模式 。其中, 限制离子推力器寿命的关键组件之一就是栅极系统, 它的主要失效形式有三种:屏栅和加速栅之间短路、栅极结构失效、电子反流失效。电子反流失效是由交换电荷离子溅射腐蚀加速栅孔壁导致孔径变大造成, 而交换电荷离子密度和推力器工作的本底压力密切相关。

　　本文针对兰州空间技术物理研究所研制的20cm 离子推力器的钼材料双栅极系统, 编写了基于网格质点(PIC) 与蒙特卡罗碰撞(MCC) 方法的栅极系统工作仿真模拟软件, 研究了不同真空舱内本底压力对加速栅孔壁溅射腐蚀情况。对20 cm 离子推力器在不同真空舱内本底压力下由于交换电荷离子对加速栅孔壁溅射腐蚀引起的电子反流失效模式的工作寿命进行分析预测。

电子反流失效

　　离子推力器工作时, 为了保持航天器电中性, 在加速栅下游处由中和器发射等量的电子完成束流粒子的中和。在正常情况下, 加速栅的负电压会在加速栅的孔中形成势垒, 该势垒能够阻止中和器发射的电子反流到放电室中。但在推力器长寿命工作过程中, 在栅极之间和下游产生的部分低能量交换电荷离子受到加速栅附近电场作用而撞击到加速栅的孔壁上, 产生溅射腐蚀并导致加速栅孔径逐渐的增大。当孔径变大到孔中势垒无法阻止电子进入加速栅孔时, 出现电子反流失效。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研文献发现Kaufman给出了出现电子反流的加速栅电压与束流电压和栅极系统结构之间的关系

　　图1 为根据式(1) 结合20 cm 氙离子推力器几何参数和运行参数得到的加速栅孔半径与加速栅电子反流阀值的关系图。当加速栅孔半径一定时加速栅极电压绝对值小于其对应的电子反流阀值电压时就会出现电子反流现象。

图1 加速栅极孔半径与电子反流阀值电压的关系

　　加速栅附近产生的交换电荷离子是加速栅孔壁溅射腐蚀的根源, 所谓交换电荷离子就是以热速度运动的氙原子和高速运动的氙离子之间发生非弹性电荷交换碰撞, 高速离子获得电子成为高能原子, 以热速度运动的原子失去电子成为低能离子。产生交换电荷离子的中性原子包括放电室通过栅极孔溢出的未电离的氙原子和环境本底中的氙原子。

　　针对20 cm 离子推力器具体工况, 采用PICMCC方法模拟计算了不同真空舱本底压力下交换电荷离子对加速栅孔壁的溅射腐蚀情况, 并由此得到不同本底真空度下发生电子反流失效的推力器工作寿命。结算结果表明: 本底真空度为6. 67 × 10^-3 Pa时, 推力器电子反流失效对应的寿命为16550 h, 而本底真空度为1 × 10^-5 Pa 时, 离子推力器寿命为24458h。对推力器工作寿命影响不显著的本底真空度应低于5 × 10^-4 Pa。