楊　威，陳繼巍，賈艷輝，孟　偉，黃永杰

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州　730000）

離子推力器空心陰極點(diǎn)火可靠性評(píng)價(jià)研究

楊威，陳繼巍，賈艷輝，孟偉，黃永杰

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000）

空心陰極作為離子推力器放電室等離子體電離源初電子和束流中和電子的電子源，其點(diǎn)火可靠性直接影響到推力器的工作可靠性。以20 cm離子推力器在軌工作剖面為例，對(duì)空心陰極預(yù)期壽命下的可靠度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。采用小樣本的可靠性試驗(yàn)與可靠性評(píng)價(jià)理論結(jié)合的方法，得到了LHC-5空心陰極點(diǎn)火6 000次時(shí)在置信區(qū)間0.90和0.95的點(diǎn)火可靠性好于0.98。結(jié)果證明LHC-5空心陰極可靠性滿足空間應(yīng)用要求。研究成果對(duì)空心陰極可靠性增長(zhǎng)設(shè)計(jì)和電推進(jìn)產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)方法研究具有積極意義。

離子推力器；空心陰極；開關(guān)點(diǎn)火；可靠性

0　引言

空心陰極是離子和霍爾推力器的關(guān)鍵部組件之一［1］。在啟動(dòng)離子推力器時(shí)，必須首先實(shí)現(xiàn)主陰極和中和器點(diǎn)火，因此如果空心陰極未正常啟動(dòng)，整臺(tái)推力器將無法工作。空心陰極作為離子推力器的單點(diǎn)失效部件，失效模式包括加熱器失效、發(fā)射體失效、離子刻蝕失效及空心陰極孔板離子刻蝕失效等［2］。

目前電推進(jìn)空心陰極可靠性評(píng)價(jià)仍需依賴試驗(yàn)［3］。作為離子推力器的獨(dú)立組件，空心陰極組件可以單獨(dú)開展可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，美國(guó)NASA LeRC針對(duì)空心陰極6 000次開關(guān)點(diǎn)火要求，采用8支空心陰極加熱器樣本開展了加熱器開關(guān)次數(shù)可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，以對(duì)預(yù)期壽命的可靠性開展評(píng)價(jià)［4］，其中一支試驗(yàn)樣本完成32 000次開關(guān)點(diǎn)火［5］。2008年，美國(guó)GRC依據(jù)NEXT40離子推力器應(yīng)用需求，針對(duì)空心陰極加熱器開展了可靠性驗(yàn)證與評(píng)價(jià)研究，采用5支加熱器樣本開展了開關(guān)次數(shù)可靠性考核試驗(yàn)，開機(jī)6 min，關(guān)機(jī)4 min循環(huán)，三支加熱器在13 000次時(shí)加熱絲開路失效，另外兩支完成10 000次開關(guān)后停止試驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合小樣本可靠性評(píng)價(jià)方法，得到加熱器在置信度0.9時(shí)，空心陰極預(yù)期12 615次開關(guān)的可靠度0.90［6-7］。日本在1993年完成了針對(duì)ETS-VI平臺(tái)離子推力器空心陰極的可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，采用10支樣本按照真實(shí)在軌工作剖面進(jìn)行點(diǎn)火驗(yàn)證試驗(yàn)，但未結(jié)合可靠性評(píng)價(jià)理論對(duì)預(yù)期壽命可靠度給出評(píng)價(jià)［8-9］。另外，美國(guó)L-3通信電子公司［10］，意大利Laben/Protel公司［11-12］和英國(guó)的QinetiQ公司［13-14］等都針對(duì)不同的應(yīng)用目標(biāo)對(duì)空心陰極組件開展了可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

LHC-5空心陰極是蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS-200離子推力器的放電陰極。其設(shè)計(jì)壽命為開關(guān)次數(shù)大于6 000次，11 000 h?？招年帢O采用的電子發(fā)射材料，即發(fā)射體為L(zhǎng)aB6。LaB6與Ba-W發(fā)射體相比具有發(fā)射電流密度大，抗中毒能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。因此，LaB6工作時(shí)對(duì)工質(zhì)氣體的純度要求比Ba-W低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，LaB6發(fā)射體的發(fā)射功函數(shù)為2.67 eV比Ba-W的2.06 eV高，在相同的電流發(fā)射密度下電子發(fā)射溫度分別為1 650℃和1 100℃。因此，LaB6空心陰極更為關(guān)心加熱器開關(guān)點(diǎn)火可靠性。蘭州空間物理研究所針對(duì)加熱器開關(guān)點(diǎn)火可靠性評(píng)價(jià)開展了專項(xiàng)研究。

文章介紹了加熱器可靠性考核實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和考核結(jié)果分析情況，并基于試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)加熱器達(dá)到預(yù)期開關(guān)次數(shù)點(diǎn)火成功的可靠度做了理論分析。

1　試驗(yàn)設(shè)備

長(zhǎng)壽命可靠性評(píng)價(jià)試驗(yàn)在蘭州空間技術(shù)物理研究所空心陰極地面專用真空設(shè)備TS-5［15］上開展。該設(shè)備主艙直徑800 mm，高度800 mm，4個(gè)副艙均直徑為200 mm，長(zhǎng)度500 mm。副艙上配置磁傳動(dòng)裝置，副艙和主艙之間用閘閥隔離。副艙主要用于更換試驗(yàn)件，磁傳動(dòng)用于將試驗(yàn)件從副艙推到主艙。在4個(gè)副艙與主艙全貫通的情況下，系統(tǒng)本底真空度可以達(dá)到2×10-4Pa。

空心陰極開關(guān)次數(shù)和點(diǎn)火可靠性試驗(yàn)按照以下兩種試驗(yàn)工況開展：（1）空心陰極加熱電流7.5 A，點(diǎn)火成功1 min后關(guān)閉，冷卻30 min為1次循環(huán)；（2）空心陰極加熱電流7.5 A，點(diǎn)火成功后持續(xù)放電120 min，冷卻30 min為1次循環(huán)。

圖1　TS-5真空系統(tǒng)配置示意圖

2　試驗(yàn)過程

空心陰極點(diǎn)火可靠性試驗(yàn)共計(jì)4個(gè)批次9支樣本，其中第一、二批次各2支，第三批次1支，第四批次4只。試驗(yàn)裝置的接線如圖2所示。

圖2　空心陰極試驗(yàn)的接線示意圖

3　試驗(yàn)結(jié)果和討論

空心陰極開關(guān)點(diǎn)火可靠性試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。目前為止，無失效數(shù)據(jù)。采用無失效數(shù)據(jù)開展可靠性分析通常比較困難，研究結(jié)果可以為空心陰極點(diǎn)火可靠性評(píng)價(jià)給出階段性分析結(jié)果，同時(shí)也是空心陰極點(diǎn)火可靠性評(píng)價(jià)方法的探索。

加熱絲材料的高溫蒸發(fā)和冷熱交變引起的熱絲微觀組織改變是影響空心陰極點(diǎn)火可靠性的主要因素，其失效服從威布爾分布，如式（1）：

式中：P（t）為失效概率；t為運(yùn)行時(shí)間；β為形狀因子；η為位置因子［15］。對(duì)于N個(gè)零失效數(shù)據(jù)壽命試驗(yàn)，即在空心陰極失效之前試驗(yàn)終止，假設(shè)終止的時(shí)間為t。在置信度C下確定位置因子：

威布爾分布的可靠度可以表示為：

當(dāng)產(chǎn)品壽命服從威布爾分布時(shí)，可以通過對(duì)數(shù)威布爾分布的位置因子和形狀因子的最好線性無偏估計(jì)方法，獲得產(chǎn)品各種壽命特征的估計(jì)值。利用該方法結(jié)合表1數(shù)據(jù)確定了形狀因子β和位置因子η的值分別為8.335 7和16 952。因此，預(yù)測(cè)的空心陰極加熱器開關(guān)點(diǎn)火的相對(duì)概率分布曲線如圖3所示。

表1　空心陰極開關(guān)點(diǎn)火可靠性

圖3　LHC-5空心陰極點(diǎn)火可靠性相對(duì)概率分布

圖3為空心陰極開關(guān)點(diǎn)火試驗(yàn)進(jìn)行至14 000～19 000次之間時(shí)，空心陰極發(fā)生故障概率最大，期間在16 900次左右時(shí)空心陰極發(fā)生故障的概率最大。

采用威布爾分布預(yù)測(cè)的LHC-5空心陰極在置信度為90%和95%下的開關(guān)點(diǎn)火可靠性分布曲線，如圖4所示。

圖4　LHC-5空心陰極預(yù)期點(diǎn)火次數(shù)可靠度曲線

圖4顯示LHC-5空心陰極預(yù)期開關(guān)點(diǎn)火6 000次時(shí)，可靠度預(yù)測(cè)結(jié)果為：90%置信度下的可靠度為0.999 895%置信度下可靠度為0.999 5。隨著空心陰極可靠性考核試驗(yàn)的不斷積累，可靠性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)將會(huì)更加完善。另外，該結(jié)果也為推力器可靠性評(píng)價(jià)提供了數(shù)據(jù)支持。

4　結(jié)論

LHC-5空心陰極作為20 cm離子推力器的關(guān)鍵組件是推力器的可靠性單點(diǎn)。LHC-5空心陰極點(diǎn)火失效，20 cm離子推力器將無法工作。蘭州空間技術(shù)物理研究所針對(duì)LHC-5空心陰極空間應(yīng)用目標(biāo)開展了開關(guān)點(diǎn)火可靠性試驗(yàn)，9支試驗(yàn)樣本中4支完成考核目標(biāo)終止試驗(yàn)，5支驗(yàn)證試驗(yàn)正在繼續(xù)。結(jié)合階段性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)可靠性開展了理論評(píng)價(jià)。分析結(jié)果顯示置信度90%和95%下，LHC-5空心陰極達(dá)到6 000次開關(guān)點(diǎn)火的可靠度分別為0.999 8和0.999 5。本研究對(duì)空心陰極可靠性評(píng)價(jià)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)積累具有促進(jìn)作用，為推力器或其他部組件的可靠性評(píng)價(jià)提供了方法參考。參考文獻(xiàn)：

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STUDY ON THE EVALUATION OF THE IGNITION RELIABILITY FOR ION THRUSTER’S HOLLOW CATHODE

YANG Wei，CHEN Ji-wei，JIAYan-hui，MENG Wei，HUANG Yong-jie
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

As hollow cathode is the primary electron source for Ion thruster discharge chamber plasma ionization and also for electron beam neutralization，its ignition reliability directly affects the reliability of thruster operation.This paper depicted the evaluation of the reliability of ignition under the expected life of the hollow cathode by taking 20 cm ion thruster in orbit cross-section as an example.By using the method of a small sample of the reliability testing and combination of reliability assessment theory，the results were obtained that between confidence intervals 0.9 to 0.95，hollow cathode ignition reliability is better than 0.98 when LHC-5 hollow cathode ignition times reaching 6 000 times.The results proved that the reliability of the hollow cathode of LHC-5 meeting the requirements of space applications.The research results showed positive significance to reliability growth design of hollow cathode and research in reliability evaluation method of electric propulsion products.

Ion thruster；hollow cathode；Ignition；reliability

V439+.1

A

1006-7086（2015）02-0096-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.02.008

2014-11-27

科工局國(guó)防基礎(chǔ)科研（B0320132008），蘭州空間技術(shù)研究所自主研發(fā)項(xiàng)目

楊威（1983-），男，內(nèi)蒙古通遼市人，工程師，從事真空放電空心陰極技術(shù)研究。E-mail：qiqi94520@126.com。