离子推力器三栅极组件关键失效因子、寿命加速应力水平及加速寿命试验方法研究

The current focus in researches of ion thruster have been the working lifetime validation with ion thruster being applied in orbit. Conventional method to validate lifetime costs excessive resources, which also limits the period of thruster manufactures and affects the future application prospects. The concept of accelerated life test for thruster grid components is proposed for the first time in this project, and numerical simulation and experiment validation are used in the project to find the grids’ key failure factors and accelerating stress level and also the experiment method for accelerating lifetime. It is planned to analyze the crucial failure mode and study the failure mechanism of 30cm diameter ion thruster. Numerical simulation is also applied to acquire the crucial factor influencing grid lifetime and the accelerating stress level, upon which we also establish a lifetime estimation model of the grids to analyze lifetime in rated working condition and accelerating condition. Ultimately, a 2000h lifetime test of ion thruster working in accelerating condition is conducted to validate the key failure factor, accelerating stress level and experiment method of accelerating test. The result of this project could be applied in the continuing ion thruster lifetime accelerating test and whole life cycle estimation to shorten the original lifetime test period and build a substantial technique basement for fast ion thruster lifetime estimation engineering.

随着离子推力器在轨应用的不断拓展，离子推力器的工作寿命验证问题已经成为当前研究的焦点。采用传统1：1工作时长的全寿命周期试验验证方法，资源消耗巨大且严重制约离子推力器列装周期以及后续应用前景，因此建立起快速且高效的寿命加速评价方法成为解决当前困局的唯一途径。本项目首次提出推力器栅极组件加速寿命试验的概念，并计划采用数值模拟及试验验证相结合的方法，以确定我国30cm离子推力器三栅极组件的关键失效因子、加速应力水平与加速寿命试验方案。项目计划完成三栅极组件关键失效模式及失效机理研究，并通过数值计算确定影响栅极寿命的关键因子，获得加速应力水平。在此基础上建立栅极加速寿命物理模型，完成额定及加速工况下的栅极寿命分析。最后，开展2000h加速工况下的离子推力器短期寿命考核进行验证。本研究结果可用于后续我国同类型离子推力器的寿命加速试验以及全寿命周期预估，为实现快速寿命评价工程实施奠定坚实的技术基础。

随着离子推力器在轨应用的不断拓展，离子推力器的工作寿命验证问题已经成为当前研究的焦点。采用传统1：1工作时长的全寿命周期试验验证方法，资源消耗巨大且严重制约离子推力器列装周期及后续应用前景，因此建立起快速且高效的寿命加速评价方法成为解决当前困局的唯一途径。.本研究在获得加速栅不同模式下加速因子的基础上，分别采用流体方法，半经验方法以及PIC-MCC方法完成了额定工况下的加速栅离子刻蚀速率分析。通过额定工况下1500h离子推力器短期寿命考核试验结果，选择了误差最小的PIC-MCC方法建立起加速栅加速寿命预估模型。并在此基础上分别建立起“真空背景压强-加速栅寿命”的加速栅加速因子模型。.通过加速栅加速因子模型，完成了离子推力器3kW和5kW工况下的敏感应力的施加策略研究，在此基础上，设计了加速栅加速寿命试验方法。并开展了3kW工况和5kW工况下的总计2000h时长的短期寿命考核试验，经试验验证，加速应力水平的试验值与仿真值误差均＜10%，结果证明了本研究针对离子推力器不同工况所选择的加速因子的正确性，以及加速寿命物理模型的准确性。