本底真空对推力器加速栅截获CEX 离子电流

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)义乌工商学院机电信息分院 作者:李忠明

  离子推力器地面寿命考核和加速寿命试验是在地面真空舱中进行的,真空舱本底真空度会对离子推力器性能和寿命特别是加速栅截获电流有重要影响。为了确定20 cm 氙离子推力器地面试验本底压力,本文采用PIC-MCC 方法,计算了不同本底真空下栅极系统中性原子位置、密度分布和交换电荷( Charge Exchange,CEX) 离子位置、速度和密度分布。模拟计算了在不同真空舱本底真空下20 cm 氙离子推力器加速栅极截获的CEX 离子电流,与实验结果符合较好,并通过理论方法确定了加速栅电流随真空舱本底真空变化的拐点。计算结果可以为离子推力器长寿命考核试验和栅极系统加速寿命试验真空舱本底真空的选择提供了参考。

  离子推力器是目前应用最广泛的电推进种类之一,被成功用来执行航天器位置保持、轨道转移、阻力补偿、姿态控制及深空探测等任务。离子推力器相比传统化学推力器最大的特点是寿命长,传统的化学推力器寿命评价方法不再适用,这对离子推力器寿命评价提出了新的挑战。

  离子推力器结构复杂、部组件众多,迄今为止发现的离子推力器潜在失效模式多达20余种。作为离子推力器关键部组件的栅极系统是主要的磨部件之一,也是评价离子推力器寿命时主要关注对象。栅极系统的几类失效模式都与交换电荷离子对栅极表面的溅射腐蚀相关,而交换电荷离子的产生除了受到放电室推进剂利用率的影响,在地面试验时还受到真空舱本底真空的影响。完全通过试验确定离子推力器寿命试验的本底真空压力,试验周期长,花费高,因此理论研究真空舱本底真空对离子推力器栅极系统的影响具有重要的现实意义。

  国外本底真空压力对离子推力器工作的影响研究,主要集中在实验研究加速栅失效机理和理论分析加速栅截获电流地面和空间的差异等方面。1992年,美国JPL 的Brophy JR 等在本底真空低于10-3 Pa 下测试了两栅和三栅极推力器加速栅截获的交换电荷离子电流,目的是研究两栅和三栅极系统加速栅截获交换电荷离子电流和表面溅射腐蚀的差异,选择在较低本底真空下开展实验的目的是加速栅极的溅射腐蚀。同年,该小组在本底真空3.5×10-3 Pa( Kr) 下,对30 cm 离子推力器开展了寿命试验,目的是在短期内通过试验研究加速栅机构失效模式及失效机理。1993 年,美国Peng XH 等利用PIC 方法计算了NASA LeRC 和NASA JPL 的两台推力器分别在地面真空舱和空间( 极高本底真空) 运行时的加速栅截获交换电荷离子电流,计算显示空间和地面真空舱( 本底压力约10-3 Pa) 内运行时两台推力器加速栅电流比例为0.156% 和0.168% ,通过计算说明了本底真空对推力器加速栅电流和溅射腐蚀的影响。虽然开展了一些本底压力对推力器的影响的研究,但未但见专门针对离子推力器地面真空舱长寿命考核试验和加速寿命试验本底真空压力选择的研究。

  为了对兰州空间技术物理研究所研制的20cmXe 离子推力器寿命做出有效评价,近期计划对推力器开展长寿命考核和加速寿命试验。本文以该推力器栅极系统作为研究对象,利用PIC-MCC 计算机数值建模方法分析了不同真空舱本底真空下加速栅极截获的交换电荷离子电流。本文的计算结果可以作为评价不同真空舱本底真空对加速栅极溅射腐蚀过程影响的阶段性结论,也对下一步开展寿命试验真空本底压力的选择提供理论参考。

1、物理模型和计算方法

  离子推力器工作中快速运动的主束流离子与热运动的慢速中性原子之间发生电荷交换碰撞生成慢速的交换电荷离子和快速的中性原子。慢速运动的交换电荷离子会在加速栅负电压作用下加速撞击到加速栅表面,对加速栅表面造成溅射腐蚀。溅射腐蚀作用会影响到栅极系统的性能和寿命。对推力器工作性能和寿命影响较大的是产生在栅极系统之间和加速栅下游区域的交换电荷离子,在屏栅附近产生的交换电荷离子会在栅极系统电场的作用下随主束流离子引出。对于推进剂Xe,交换电荷离子的产生过程可以表示为产生交换电荷离子的慢速推进剂中性原子的主要来源有: 通过栅极系统泄露的放电室中未电离的推进剂原子,中和器泄露的原子,在地面试验中还包括真空舱内残留的推进剂气体原子。其中通过中和器泄露的中性推进剂原子通常可以忽略,另外真空舱内O2、N2、H2O 等分子密度相对于中性推进剂气体原子数密度很小,也可以忽略,因此只考虑中性推进剂原子的影响。真空舱背景气体的密度利用理想气体的克拉伯龙方程确定。

  计算交换电荷离子的产生率,必须首先确定中性原子的密度分布。本文利用程序跟踪从放电室泄露的每个推进剂原子的位置和速度分布。根据20cm 离子推力器额定工况下主阴极和阳极推进流率与引出束流的关系,不考虑2 价Xe 离子,推力器推进剂的利用率接近90% 。

结论

  本文利用PIC-MCC 计算机数值计算方法,对兰州空间技术物理研究所20cm 氙离子推力器运行在不同真空舱本底真空下栅极系统束流引出特征和交换电荷离子分布进行了模拟,模拟结果包括未电离的中性工质原子位置和密度分布及交换电荷离子的位置、速度和密度分布。并计算得到了加速栅截获交换电荷离子电流随真空舱本底真空的变化关系。

  本文得到结论如下:

  ( 1) 栅极系统上游形成的交换电荷离子会随束流离子引出,不会被加速栅极截获形成加速栅电流,加速栅极截获的交换电荷离子主要来自于栅极之间和加速栅下游区域;

  ( 2) 真空舱本底真空对加速栅截获交换电荷离子电流影响的拐点出现在1.0×10-3 Pa 附近。建议20 cm 离子推力器长寿命考核试验选择本底真空高于10-3 Pa; 加速寿命试验真空舱本底真空低于10-3 Pa,具体与选择的加速因子相关。

  本文下一步工作计划为,通过计算不同真空舱本底压力时20 cm 离子推力器加速栅溅射腐蚀率,确定推力器加速寿命试验本底真空选择方案,另外本文开发的数值计算程序可以指导其他束流尺寸离子推力器的栅极系统设计和性能预测。

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