基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法技术

技术编号:18445225 阅读:24 留言:0更新日期:2018-07-14 10:30
基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,首先采集加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径,建立栅极腐蚀退化模型,并确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型,然后预估离子推力器寿命,采集不同试验时间下电子返流极限电压数据,建立电子返流极限电压退化模型,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型,进而预估离子推力器寿命,最后综合评估离子推力器寿命。

Life evaluation method of ion thruster based on grid corrosion morphology and electronic reflux

Based on the life assessment method of ion thruster for gate corrosion morphology and electronic reflux, first to collect the depth of the groove corrosion depth on the downstream surface of the gate and to the gate diameter, to establish the grid corrosion degradation model, and to determine the parameters of the grid corrosion degradation model, and to obtain the gate corrosion pseudo degradation model, and then predict the ion thrust. The limit voltage data of electronic reflux is collected at different test time, the ultimate voltage degradation model of electronic reflux is established, the parameters of the grid corrosion degradation model are determined, and the grid corrosion regression model is obtained, then the life of the ion thruster is estimated, and the life of the separated thruster is evaluated at last.

【技术实现步骤摘要】
基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法
本专利技术涉及离子推力器寿命评估
,特别是基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法。
技术介绍
电推进系统是一种先进的空间推进系统,具有高比冲、高效率、小推力的特点,能够有效提高卫星在轨服务寿命和承载能力,近年来在空间推进中的应用越来越普遍。电推进相对于化学推进具有高比冲的突出优势,可大幅降低卫星推进剂携带量,从而提高卫星有效载荷比、延长在轨寿命和降低发射重量。氙离子推力器是电推力器家族的重要成员,比冲和效率都高于其它电推进系统。离子推力器是离子电推进系统的核心单机之一,同时也是影响电推进系统寿命和可靠性的主要薄弱环节。为达到总冲量要求,离子推力器的寿命指标通常较长,达到数千小时甚至上万小时。如果按照常规的寿命指标验证方法,离子推力器寿命试验时间一般要求达到1.5~2倍任务时间,受限于研制进度、试验经费等因素,无论是在产品研制阶段还是批产阶段,寿命与可靠性能力的地面验证困难重重,因此,用较短的试验数据对离子推力器寿命进行评估具有重要意义。通过国外相关研究报道与前期工作发现,离子推力器的关键失效部件主要为空心阴极与加速栅。目前,国内对于空心阴极已积累了少量的试验数据,而对于加速栅相应的试验研究还存在不足。由于离子推力器制造成本昂贵,同时受试验条件限制,试样样本有限;同时,由于寿命指标长,受研制周期制约,难以进行全寿命周期的验证。加速栅失效包括结构失效、电子返流失效等多种失效模式,难以用单一模型进行评价。基于此,本专利技术提出了一种基于栅极腐蚀形貌和电子返流等特征量退化规律的离子推力器寿命评估方法,用较短的寿命试验数据评估离子推力器寿命。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,解决了离子推力器寿命评估试验时间较长、寿命预测精度较差的问题。本专利技术的技术解决方案是:基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,包括如下步骤:步骤一,采集加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径;步骤二,建立栅极腐蚀退化模型;步骤三,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型;步骤四,预估离子推力器寿命;步骤五,采集不同试验时间下电子返流极限电压数据;步骤六,建立电子返流极限电压退化模型;步骤七,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型;步骤八,预估离子推力器寿命;步骤九,综合评估离子推力器寿命。所述的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度d(t)为离子推力器栅极中心区域3个栅孔的平均凹槽腐蚀深度的最大值,其中dij(t)为第i个栅孔与周围第j个相邻栅孔的凹槽腐蚀深度,i=1,2,…,nd,nd≥3,j=1,2,…,6;加速栅栅孔直径D(t)为中心区域3个栅孔的直径的平均值,其中Di(t)为第i个栅孔的栅孔直径,i=1,2,…,nD,nD≥3。所述的栅极腐蚀退化模型包括点火工作时间t时刻对应的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度d(t)、点火工作时间t时刻对应的加速栅栅孔直径D(t),其中d(t)=d0+bdt+εd,D(t)=D0+bDt+εD,d0为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的初始值;bd为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的线性变化速率;D0为加速栅栅孔直径的初始值;bD为加速栅栅孔直径的线性变化速率;εd为均值为0、方差分别为的随机误差;εD为均值为0、方差分别为的随机误差。所述的确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型的方法包括:得到时刻t对应的性能参数y(t)=y0+b·x(t)+ε,ε~N(0,σ2),y0为性能参数初始值,b为退化速率,x(t)为时间t的已知函数,ε为均值为0、方差为σ2的随机误差;tj时刻检测性能数据,获得一组退化数据(yj,xj),j=1,2,…,p,得到栅极腐蚀拟合退化模型为所述的预估离子推力器寿命包括如下步骤:(1)加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命估计当加速栅下游表面凹槽腐蚀深度满足d≥df时,则假设结构失效;其中,d为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度,df为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度失效阈值;当加速栅下游表面凹槽腐蚀深度满足df=加速栅厚度h时,设dj为tj时刻下加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的观测值,令y(t)=d(t),y0=d0,b=bd,性能数据阈值yf=df,得到加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命为加速栅下游表面凹槽腐蚀伪寿命的估计值,和为待定常数d0和bd的估计值;(2)加速栅孔壁腐蚀寿命估计当加速栅栅孔直径满足D≥Df时,则结构失效和电子反流失效;其中,D为加速栅栅孔直径,Df为加速栅栅孔直径失效阈值,Df为两个相邻栅孔中心之间的距离,D0为加速栅栅孔直径的初始值;当结构未失效和电子反流未失效时,设Dj为tj时刻下加速栅栅孔直径的观测值,令y(t)=D(t),y0=D0,b=bD,性能数据阈值yf=Df,得到加速栅孔壁腐蚀寿命的估计和为待定常数D0和bD的估计值。所述的建立电子返流极限电压退化模型为:U(t)=U0+bUt+εU,其中,U(t)为点火工作时间t时刻对应的电子反流极限电压,U0为电子反流极限电压的初始值,bU为电子反流极限电压的线性变化速率,εU为均值为0、方差为的随机误差。所述的预估离子推力器寿命的方法为:当电子反流极限电压满足U≤Uf时,则电子反流失效;其中,U为电子反流极限电压,Uf为电子反流极限电压失效阈值按Uf=Ua计算,Ua为加速栅电压设计值;当电子反流极限电压不满足U≤Uf时,设Uj为tj时刻下电子反流极限电压的观测值,令y(t)=U(t),y0=U0,b=bU,x(t)=t,性能数据阈值yf=Uf,得到电子反流失效寿命估计为为电子反流失效寿命的估计值,和为待定常数U0和bU的估计值,j=1,2,…,p。所述的综合评估离子推力器寿命的方法为:计算得到氙离子推力器寿命模型为t=min{td,tD,tU}其中,td、tD、tU分别为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径增大导致加速栅结构失效以及电子反流极限电压减小导致的电子反流失效对应的推力器寿命。本专利技术与现有技术相比的优点在于:(1)本专利技术本专利技术通过对栅极腐蚀形貌等主要可靠性特征量的退化特征进行建模分析及线性拟合,评估了离子推力器寿命,解决了离子推力器寿命需要长时间试验验证的问题;(2)本专利技术充分考虑了栅极结构失效和电子返流失效等失效模式,覆盖了影响推力器寿命的主要故障模式,并对相应数据进行了分析梳理,确保了寿命评估结果的准确性;(3)本专利技术利用较短时间的寿命试验数据评估了离子推力器的寿命,节约了大约1/3~1/2的试验时间成本。附图说明图1为本专利技术的加速栅相邻栅孔凹槽腐蚀深度测量示意图;图2为本专利技术的加速栅栅孔直径测量示意图;图3为本专利技术的加速栅栅孔结构示意图;图4为本专利技术的离子推力器寿命评估流程。具体实施方式本专利技术针对现有技术的不足,提出一种基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,包括以下步骤:步骤一,栅极腐蚀形貌数据采集首先,对表征离子推力器栅极腐蚀形貌的特征量进行采集,主要采集“加速栅下游表面凹槽腐蚀深度”和“加速栅栅孔直径”。其中:a)加速栅下游表面凹槽腐蚀深度以中心区域3个栅孔的平均凹槽腐蚀深度的最大值为准,即其中dij(t)为第i(i本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,其特征在于包括如下步骤:步骤一,采集加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径;步骤二,建立栅极腐蚀退化模型;步骤三,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型;步骤四,预估离子推力器寿命;步骤五,采集不同试验时间下电子返流极限电压数据;步骤六,建立电子返流极限电压退化模型;步骤七,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型;步骤八,预估离子推力器寿命;步骤九,综合评估离子推力器寿命。

【技术特征摘要】
1.基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,其特征在于包括如下步骤:步骤一,采集加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径;步骤二,建立栅极腐蚀退化模型;步骤三,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型;步骤四,预估离子推力器寿命;步骤五,采集不同试验时间下电子返流极限电压数据;步骤六,建立电子返流极限电压退化模型;步骤七,确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型;步骤八,预估离子推力器寿命;步骤九,综合评估离子推力器寿命。2.根据权利要求1所述的基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,其特征在于:所述的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度d(t)为离子推力器栅极中心区域3个栅孔的平均凹槽腐蚀深度的最大值,其中dij(t)为第i个栅孔与周围第j个相邻栅孔的凹槽腐蚀深度,i=1,2,…,nd,nd≥3,j=1,2,…,6;加速栅栅孔直径D(t)为中心区域3个栅孔的直径的平均值,其中Di(t)为第i个栅孔的栅孔直径,i=1,2,…,nD,nD≥3。3.根据权利要求1或2所述的基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,其特征在于:所述的栅极腐蚀退化模型包括点火工作时间t时刻对应的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度d(t)、点火工作时间t时刻对应的加速栅栅孔直径D(t),其中d0为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的初始值;bd为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的线性变化速率;D0为加速栅栅孔直径的初始值;bD为加速栅栅孔直径的线性变化速率;εd为均值为0、方差分别为的随机误差;εD为均值为0、方差分别为的随机误差。4.根据权利要求1或2所述的基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,其特征在于:所述的确定栅极腐蚀退化模型参数,并得到栅极腐蚀拟合退化模型的方法包括:得到时刻t对应的性能参数y(t)=y0+b·x(t)+ε,ε~N(0,σ2),y0为性能参数初始值,b为退化速率,x(t)为时间t的已知函数,ε为均值为0、方差为σ2的随机误差;tj时刻检测性能数据,获得一组退化数据(yj,xj),j=1,2,…,p,得到栅极腐蚀拟合退化模型为5.根据权利要求1或2所述的基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法,其特征在于:所述的预估离子推力器寿命包括如下步骤:(1)加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命估计当加速栅下游表面凹槽...

【专利技术属性】
技术研发人员:王宗仁王敏林逢春王珏吴继峰
申请(专利权)人:中国空间技术研究院
类型:发明
国别省市:北京,11

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