基于七孔模型的離子發(fā)動機(jī)加速柵腐蝕研究.pdf

1、21世紀(jì)以來，離子發(fā)動機(jī)已被大量應(yīng)用于各類航天任務(wù)推進(jìn)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)化學(xué)推進(jìn)器相比，離子發(fā)動機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是其工作時間長，因此，對離子發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行評價的一個關(guān)鍵因素就是其工作壽命。柵極系統(tǒng)作為離子發(fā)動機(jī)的重要部件，其結(jié)構(gòu)失效是限制離子發(fā)動機(jī)工作壽命的主要原因，柵極系統(tǒng)失效是由CEX離子對加速柵極表面碰撞產(chǎn)生的濺射腐蝕引起的。在地面壽命試驗(yàn)中，真空倉背景壓強(qiáng)將對離子發(fā)動機(jī)在模擬太空環(huán)境中運(yùn)行產(chǎn)生影響，只有充分探究背景壓強(qiáng)對離子發(fā)動機(jī)地面

2、試驗(yàn)影響的物理機(jī)制，才能利用地面試驗(yàn)對離子發(fā)動機(jī)在太空的工作壽命作出準(zhǔn)確的預(yù)測和評價。
　　本文利用數(shù)值模擬方法來探究離子發(fā)動機(jī)工作過程，建立了基于七孔模型的離子發(fā)動機(jī)三維數(shù)值模擬程序，利用IFE-PIC方法模擬離子束引出過程，利用DSMC方法模擬中性原子的分布，利用MCC方法模擬造成柵極腐蝕的CEX離子的分布。不同背景壓強(qiáng)下加速柵極碰撞電流模擬結(jié)果表明，在地面壽命試驗(yàn)中，殘余的中性原子會影響CEX離子的產(chǎn)生過程，進(jìn)而改變加速柵極

3、碰撞電流，當(dāng)背景壓強(qiáng)增大到一定數(shù)量級時加速柵極碰撞電流將會顯著提高。本文最后建立了加速柵極表面腐蝕數(shù)值模型，并根據(jù)該模型計(jì)算了腐蝕深度，結(jié)果表明加速柵極腐蝕深度隨著背景壓強(qiáng)的增大而增加，加速柵極中心孔壁的腐蝕深度分布比較均勻，而邊緣孔壁腐蝕深度在靠近中心孔的區(qū)域更大。
　　通過數(shù)值模擬可知：地面壽命試驗(yàn)中真空倉背景壓強(qiáng)對于加速柵極碰撞電流及加速柵極腐蝕均有重大影響，為了減少其對離子發(fā)動機(jī)壽命預(yù)測的誤差，應(yīng)將背景壓強(qiáng)限制在一定數(shù)量級