LIPS-300离子推力器双栅极寿命的数值分析

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10 098 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 m N和80 m N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 m N模式下工作6 000 h后,继续在小推力模式80 m N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 m N和80 m N时,其栅极工作寿命分别为16 064.3、26 633.2 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 m N大推力模式下工作6 000 h后,继续在小推力80 m N下工作,此时对应的寿命约为22 064.3 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 m N和80 m N及双模式下工作时的安全裕度分别为1.6、2.6和2.2。

LIPS-100离子推力器挡板通道面积优化研究

发散场离子推力器挡板通道面积显著影响进入放电室的原初电子能量和密度分布,因此成为影响放电室性能的关键因素之一。为了提高放电稳定性、降低阳极电压和放电功耗,在理论模型指导下,利用试验手段开展了LIPS-100离子推力器挡板通道面积的优化,通过对不同挡板直径和阴极极靴直径的组合试验,获得了优化的挡板通道面积,其值比优化前减小约19%。优化后的试验结果表明,在1~20 mN宽范围工作过程中,阳极电压基本保持在38 V以下,降低了约4 V;阳极电压振荡值降低约一半,在6~15 V之间;20 mN额定工况下的放电功率降低10 W左右。阳极电压降低使得计算分析的推力器屏栅极寿命比优化前提高了50%以上。