本底真空對(duì)推力器加速柵截獲CEX 離子電流
離子推力器地面壽命考核和加速壽命試驗(yàn)是在地面真空艙中進(jìn)行的，真空艙本底真空度會(huì)對(duì)離子推力器性能和壽命特別是加速柵截獲電流有重要影響。為了確定20 cm 氙離子推力器地面試驗(yàn)本底壓力，本文采用PIC-MCC 方法，計(jì)算了不同本底真空下柵極系統(tǒng)中性原子位置、密度分布和交換電荷( Charge Exchange，CEX) 離子位置、速度和密度分布。模擬計(jì)算了在不同真空艙本底真空下20 cm 氙離子推力器加速柵極截獲的CEX 離子電流，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，并通過理論方法確定了加速柵電流隨真空艙本底真空變化的拐點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果可以為離子推力器長(zhǎng)壽命考核試驗(yàn)和柵極系統(tǒng)加速壽命試驗(yàn)真空艙本底真空的選擇提供了參考。
離子推力器是目前應(yīng)用最廣泛的電推進(jìn)種類之一，被成功用來執(zhí)行航天器位置保持、軌道轉(zhuǎn)移、阻力補(bǔ)償、姿態(tài)控制及深空探測(cè)等任務(wù)。離子推力器相比傳統(tǒng)化學(xué)推力器最大的特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，傳統(tǒng)的化學(xué)推力器壽命評(píng)價(jià)方法不再適用，這對(duì)離子推力器壽命評(píng)價(jià)提出了新的挑戰(zhàn)。
離子推力器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部組件眾多，迄今為止發(fā)現(xiàn)的離子推力器潛在失效模式多達(dá)20余種。作為離子推力器關(guān)鍵部組件的柵極系統(tǒng)是主要的磨部件之一，也是評(píng)價(jià)離子推力器壽命時(shí)主要關(guān)注對(duì)象。柵極系統(tǒng)的幾類失效模式都與交換電荷離子對(duì)柵極表面的濺射腐蝕相關(guān)，而交換電荷離子的產(chǎn)生除了受到放電室推進(jìn)劑利用率的影響，在地面試驗(yàn)時(shí)還受到真空艙本底真空的影響。完全通過試驗(yàn)確定離子推力器壽命試驗(yàn)的本底真空壓力，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，花費(fèi)高，因此理論研究真空艙本底真空對(duì)離子推力器柵極系統(tǒng)的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
國(guó)外本底真空壓力對(duì)離子推力器工作的影響研究，主要集中在實(shí)驗(yàn)研究加速柵失效機(jī)理和理論分析加速柵截獲電流地面和空間的差異等方面。1992年，美國(guó)JPL 的Brophy JR 等在本底真空低于10-3 Pa 下測(cè)試了兩柵和三柵極推力器加速柵截獲的交換電荷離子電流，目的是研究?jī)蓶藕腿龞艠O系統(tǒng)加速柵截獲交換電荷離子電流和表面濺射腐蝕的差異，選擇在較低本底真空下開展實(shí)驗(yàn)的目的是加速柵極的濺射腐蝕。同年，該小組在本底真空3.5×10-3 Pa( Kr) 下，對(duì)30 cm 離子推力器開展了壽命試驗(yàn)，目的是在短期內(nèi)通過試驗(yàn)研究加速柵機(jī)構(gòu)失效模式及失效機(jī)理。1993 年，美國(guó)Peng XH 等利用PIC 方法計(jì)算了NASA LeRC 和NASA JPL 的兩臺(tái)推力器分別在地面真空艙和空間( 極高本底真空) 運(yùn)行時(shí)的加速柵截獲交換電荷離子電流，計(jì)算顯示空間和地面真空艙( 本底壓力約10-3 Pa) 內(nèi)運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)推力器加速柵電流比例為0.156% 和0.168% ，通過計(jì)算說明了本底真空對(duì)推力器加速柵電流和濺射腐蝕的影響。雖然開展了一些本底壓力對(duì)推力器的影響的研究，但未但見專門針對(duì)離子推力器地面真空艙長(zhǎng)壽命考核試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)本底真空壓力選擇的研究。
為了對(duì)蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的20cmXe 離子推力器壽命做出有效評(píng)價(jià)，近期計(jì)劃對(duì)推力器開展長(zhǎng)壽命考核和加速壽命試驗(yàn)。本文以該推力器柵極系統(tǒng)作為研究對(duì)象，利用PIC-MCC 計(jì)算機(jī)數(shù)值建模方法分析了不同真空艙本底真空下加速柵極截獲的交換電荷離子電流。本文的計(jì)算結(jié)果可以作為評(píng)價(jià)不同真空艙本底真空對(duì)加速柵極濺射腐蝕過程影響的階段性結(jié)論，也對(duì)下一步開展壽命試驗(yàn)真空本底壓力的選擇提供理論參考。
1、物理模型和計(jì)算方法
離子推力器工作中快速運(yùn)動(dòng)的主束流離子與熱運(yùn)動(dòng)的慢速中性原子之間發(fā)生電荷交換碰撞生成慢速的交換電荷離子和快速的中性原子。慢速運(yùn)動(dòng)的交換電荷離子會(huì)在加速柵負(fù)電壓作用下加速撞擊到加速柵表面，對(duì)加速柵表面造成濺射腐蝕。濺射腐蝕作用會(huì)影響到柵極系統(tǒng)的性能和壽命。對(duì)推力器工作性能和壽命影響較大的是產(chǎn)生在柵極系統(tǒng)之間和加速柵下游區(qū)域的交換電荷離子，在屏柵附近產(chǎn)生的交換電荷離子會(huì)在柵極系統(tǒng)電場(chǎng)的作用下隨主束流離子引出。對(duì)于推進(jìn)劑Xe，交換電荷離子的產(chǎn)生過程可以表示為產(chǎn)生交換電荷離子的慢速推進(jìn)劑中性原子的主要來源有: 通過柵極系統(tǒng)泄露的放電室中未電離的推進(jìn)劑原子，中和器泄露的原子，在地面試驗(yàn)中還包括真空艙內(nèi)殘留的推進(jìn)劑氣體原子。其中通過中和器泄露的中性推進(jìn)劑原子通�？梢院雎�，另外真空艙內(nèi)O2、N2、H2O 等分子密度相對(duì)于中性推進(jìn)劑氣體原子數(shù)密度很小，也可以忽略，因此只考慮中性推進(jìn)劑原子的影響。真空艙背景氣體的密度利用理想氣體的克拉伯龍方程確定。
計(jì)算交換電荷離子的產(chǎn)生率，必須首先確定中性原子的密度分布。本文利用程序跟蹤從放電室泄露的每個(gè)推進(jìn)劑原子的位置和速度分布。根據(jù)20cm 離子推力器額定工況下主陰極和陽極推進(jìn)流率與引出束流的關(guān)系，不考慮2 價(jià)Xe 離子，推力器推進(jìn)劑的利用率接近90% 。
結(jié)論
本文利用PIC-MCC 計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)蘭州空間技術(shù)物理研究所20cm 氙離子推力器運(yùn)行在不同真空艙本底真空下柵極系統(tǒng)束流引出特征和交換電荷離子分布進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果包括未電離的中性工質(zhì)原子位置和密度分布及交換電荷離子的位置、速度和密度分布。并計(jì)算得到了加速柵截獲交換電荷離子電流隨真空艙本底真空的變化關(guān)系。
本文得到結(jié)論如下：
( 1) 柵極系統(tǒng)上游形成的交換電荷離子會(huì)隨束流離子引出，不會(huì)被加速柵極截獲形成加速柵電流，加速柵極截獲的交換電荷離子主要來自于柵極之間和加速柵下游區(qū)域；
( 2) 真空艙本底真空對(duì)加速柵截獲交換電荷離子電流影響的拐點(diǎn)出現(xiàn)在1.0×10-3 Pa 附近。建議20 cm 離子推力器長(zhǎng)壽命考核試驗(yàn)選擇本底真空高于10-3 Pa； 加速壽命試驗(yàn)真空艙本底真空低于10-3 Pa，具體與選擇的加速因子相關(guān)。
本文下一步工作計(jì)劃為，通過計(jì)算不同真空艙本底壓力時(shí)20 cm 離子推力器加速柵濺射腐蝕率,確定推力器加速壽命試驗(yàn)本底真空選擇方案，另外本文開發(fā)的數(shù)值計(jì)算程序可以指導(dǎo)其他束流尺寸離子推力器的柵極系統(tǒng)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)。
