專利名稱：霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種估算霍爾推進(jìn)器壽命的方法。
技術(shù)背景由于霍爾推進(jìn)器具有較高的比沖、效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，霍爾推進(jìn)器已在 各類衛(wèi)星上得到應(yīng)用，隨著衛(wèi)星朝著長(zhǎng)壽命、大質(zhì)量和高功率的方向發(fā)展，對(duì) 霍爾推進(jìn)器的壽命要求就更為苛刻，同樣對(duì)于深空探測(cè)任務(wù)而言也需要推進(jìn)器 具有較長(zhǎng)的壽命。限制霍爾推進(jìn)器壽命的最主要因素是通道陶瓷壁面在荷能離 子轟擊下產(chǎn)生的濺射侵蝕現(xiàn)象。目前在研究霍爾推進(jìn)器壽命時(shí)， 一般將霍爾推 進(jìn)器通道壁面被離子侵蝕完畢，磁極暴露在等離子體流的時(shí)刻作為霍爾推進(jìn)器 壽命終止時(shí)刻，因此研究霍爾推進(jìn)器的壽命問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為研究通道壁面在等離 子體流轟擊下的濺射侵蝕問(wèn)題?；魻柾七M(jìn)器的壽命直接決定了它是否能夠勝任 飛行任務(wù)，在實(shí)際飛行之前必須要在地面進(jìn)行壽命測(cè)試，地面測(cè)試推進(jìn)器的全 壽命是目前推測(cè)霍爾推進(jìn)器壽命最直接和最可靠的辦法，器壁侵蝕壽命的直接 測(cè)試需要推進(jìn)器在地面真空環(huán)境中累積工作數(shù)千小時(shí)，需要消耗大量資源，其 中的惰性氣體推進(jìn)劑的消耗代價(jià)昂貴，此外實(shí)驗(yàn)環(huán)境需要能夠保持高真空度的 條件，因此大型真空測(cè)試設(shè)備在維持長(zhǎng)時(shí)間保持真空狀態(tài)也耗費(fèi)大量的動(dòng)力資 源。因此，在地面上模擬真空環(huán)境對(duì)霍爾推進(jìn)器進(jìn)行全壽命測(cè)試具有耗時(shí)長(zhǎng)、 耗費(fèi)大。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法，以解決目前對(duì)霍爾推進(jìn)器進(jìn) 行全壽命測(cè)試具有耗時(shí)長(zhǎng)、耗費(fèi)大的問(wèn)題。 本發(fā)明由以下步驟完成一、對(duì)易濺射陶瓷管進(jìn)行離子轟擊，在時(shí)間〖內(nèi)離子對(duì)陶瓷管面的轟擊厚度為h，其中易濺射陶瓷管的角度濺射系數(shù)F'(e^"rr(e)、能量濺射系數(shù) g(￡) = 2.S(￡)、管面密度^ = "31， P(S)、 S(E)和iV分別為霍爾推進(jìn)器通道陶瓷管的角度濺射系數(shù)、能量濺射系數(shù)和管面密度，巧、"2、 "3為大于1的數(shù)值，^為轟擊壁面的離子入射角度且為定值；二、根據(jù)霍爾推進(jìn)器徑向侵蝕速率公式和壁面被侵蝕掉的厚度公式可推得管道厚度為h的霍爾推進(jìn)器的壽命"^^。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)霍爾推進(jìn)器的全壽 命進(jìn)行有效的估算和評(píng)估，從而大大減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少了耗費(fèi)，而又具備直 接可靠的優(yōu)點(diǎn)，其可靠性要大于采用數(shù)值計(jì)算對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行的壽命預(yù)測(cè)。


圖1是不同表面結(jié)合能下的能量濺射系數(shù)與離子入射能量的關(guān)系曲線圖， 其中實(shí)線(——)表示表面束縛能f/。為3電子伏時(shí)的計(jì)算結(jié)果；虛線(一一) 表示表面束縛能f/。為4電子伏時(shí)計(jì)算結(jié)果；點(diǎn)線( )表示表面束縛能V。為 5電子伏時(shí)計(jì)算結(jié)果；點(diǎn)劃線(一 )表示表面束縛能t/。為6電子伏時(shí)計(jì)算 結(jié)果。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式由以下步驟完成一、對(duì)易濺射陶瓷管進(jìn)行離子轟擊，在時(shí)間？?jī)?nèi)陶瓷管面的轟擊厚度為h，其中易濺射陶瓷管的角度濺射系數(shù)F'(^^", .r(e)、能量濺射系數(shù)f(￡) = VS(￡)、管面密度# = "3^， F'(e)、 S("和W分別為霍爾推進(jìn)器通道陶 瓷管的角度濺射系數(shù)、能量濺射系數(shù)和管面密度，a、 w2、巧為大于l的數(shù)值， ^為轟擊壁面的離子入射角度且為定值；二、根據(jù)霍爾推進(jìn)器徑向侵蝕速率公式和壁面被侵蝕掉的厚度公式可推得管道厚度為h的霍爾推進(jìn)器的壽命"^;。在保證霍爾推進(jìn)器的運(yùn)行參數(shù)(放電電壓、勵(lì)磁電流、線圈匝數(shù)、磁極位 置和陰極位置)不變的情況下，利用易濺射陶瓷管來(lái)代替霍爾推進(jìn)器通道陶瓷 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再對(duì)比兩不同陶瓷管的侵蝕速率來(lái)推測(cè)霍爾推進(jìn)器中實(shí)際應(yīng)用的陶 瓷管的壽命。這樣可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)霍爾推進(jìn)器的壽命做出評(píng)估，節(jié)省大量的 時(shí)間和資源。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式在步驟一中<formula>formula see original document page 6</formula>其中:<formula>formula see original document page 6</formula>以上表達(dá)式中各變量所代表的意義如下 ￡——轟擊壁面的離子能量；e——約化能；Z,——轟擊壁面的離子序數(shù)； Z2—一壁面材料的原子序數(shù);(6)(7)(8)(9)-轟擊壁面的離子質(zhì):.—壁面材料的原子質(zhì)量； S (￡)——核阻止截面； &一一壁面材料的濺射閾值； "一一壁面材料的表面束縛能；r一一描述輕離子濺射靶材對(duì)總的濺射產(chǎn)額的貢獻(xiàn)參數(shù); ^一一電子阻止本領(lǐng)的修正系數(shù)； —一取決于基材的原子序數(shù)； 7—一能量傳輸因子；——約化核阻止截面； g， —為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。以Sigmimd濺射理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰繛R射系數(shù):<formula>formula see original document page 7</formula>由于"0^/M,)取決于基材的原子序數(shù)Z2，因此將"寫(xiě)為g(Z2).c^(M2/MJ，則 上式變?yōu)榱?<formula>formula see original document page 7</formula>(4)通過(guò)以上的表達(dá)式可以看出將能量濺射系數(shù)表示為以下的形式 在保證運(yùn)行參數(shù)不變以及壁面材料成分、轟擊壁面的離子不變的情況下,根據(jù)以上的關(guān)系式，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到能量濺射系數(shù)和表面結(jié)合能之間的 關(guān)系，如附圖1所示。相同的離子入射能量下，隨著材料的表面結(jié)合能的減小， 能量濺射系數(shù)提高。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式 在步驟二中的霍爾推進(jìn)器徑向侵蝕速率公式為《=-^- (1)其中，Ja為與壁面發(fā)生碰撞的離子流密度。通過(guò)改變工藝，可以很容易的實(shí)現(xiàn)密度的變化，例如通過(guò)改變熱壓壓力 可以使材料更加疏松，密度7V減小。(1) TV減小，可以提高侵蝕速率。(2) 能量濺射系數(shù)S提高，材料疏松則表面結(jié)合能減小。(3) 角度濺射系數(shù)只與離子的入射角度有關(guān)，改變工藝不會(huì)改變角度濺 射系數(shù)，所以可以認(rèn)為角度濺射系數(shù)不變。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式 在步驟二中的霍爾推進(jìn)器壁面被侵蝕掉的厚度公式為/z = H (2)如果提高壁面的侵蝕速率，則完成相同的侵蝕深度需要的時(shí)間則可能縮 短，則可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到實(shí)際陶瓷管在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的侵蝕效果，即可通過(guò)短時(shí) 間內(nèi)的侵蝕實(shí)驗(yàn)評(píng)估霍爾推進(jìn)器的壽命。
權(quán)利要求
1、一種霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法，其特征在于它由以下步驟完成一、對(duì)易濺射陶瓷管進(jìn)行離子轟擊，在時(shí)間<overscore>t</overscore>內(nèi)陶瓷管面的轟擊厚度為h，其中易濺射陶瓷管的角度濺射系數(shù)<overscore>Y</overscore>′(θ)＝n1·Y′(θ)、能量濺射系數(shù)<overscore>S</overscore>(E)＝n2·S(E)、管面密度<overscore>N</overscore>＝n3·N，<overscore>Y</overscore>′(θ)、S(E)和N分別為霍爾推進(jìn)器通道陶瓷管的角度濺射系數(shù)、能量濺射系數(shù)和管面密度，n1、n2、n3為大于1的數(shù)值，θ為轟擊壁面的離子入射角度且為定值；二、根據(jù)霍爾推進(jìn)器徑向侵蝕速率公式和壁面被侵蝕掉的厚度公式可推得管道厚度為h的霍爾推進(jìn)器的壽命<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mi>n</mi> <mn>1</mn></msub><mo>&CenterDot;</mo><msub> <mi>n</mi> <mn>2</mn></msub> </mrow> <msub><mi>n</mi><mn>3</mn> </msub></mfrac><mover> <mi>t</mi> <mo>&OverBar;</mo></mover><mo>.</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2008101368460002C1.tif" wi="19" he="9" top= "98" left = "95" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法，其特征在于在步驟一中<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula>￡一一轟擊壁面的離子能量； e—""約化能；Z,——轟擊壁面的離子序數(shù)； Z2—一壁面材料的原子序數(shù)； M、——轟擊壁面的離子質(zhì)量； M2——壁面材料的原子質(zhì)量； S (￡)——核阻止截面； & —一壁面材料的濺射閾值； t/。一 一壁面材料的表面束縛能；r—一描述輕離子濺射靶材對(duì)總的濺射產(chǎn)額的貢獻(xiàn)參數(shù)； &—一電子阻止本領(lǐng)的修正系數(shù)； —一取決于基材的原子序數(shù)； y—一能量傳輸因子； 《F(s)—一約化核阻止截面； g，『——為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法，其特征在于在步 驟二中霍爾推進(jìn)器徑向侵蝕速率公式為其中，J,i為與壁面發(fā)生碰撞的離子流密度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法，其特征在于在步 驟二中霍爾推進(jìn)器壁面被侵蝕掉的厚度公式為/z = O (2)
全文摘要
霍爾推進(jìn)器壽命的估算方法，它涉及一種估算霍爾推進(jìn)器壽命的方法。本發(fā)明解決了目前對(duì)霍爾推進(jìn)器進(jìn)行全壽命測(cè)試具有耗時(shí)長(zhǎng)、耗費(fèi)大的問(wèn)題。對(duì)易濺射陶瓷管進(jìn)行離子轟擊，在時(shí)間t內(nèi)陶瓷管面的轟擊厚度為h，其中易濺射陶瓷管的角度濺射系數(shù)Y′(θ)＝n₁·Y′(θ)、能量濺射系數(shù)S(E)＝n₂·S(E)、管面密度N＝n₃·N，Y′(θ)、S(E)和N分別為霍爾推進(jìn)器通道陶瓷管的角度濺射系數(shù)、能量濺射系數(shù)和管面密度；根據(jù)霍爾推進(jìn)器徑向侵蝕速率公式和壁面被侵蝕掉的厚度公式可推得管道厚度為h的霍爾推進(jìn)器的壽命t＝(n₁·n₂/n₃)t。本發(fā)明可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)霍爾推進(jìn)器的全壽命進(jìn)行有效的估算和評(píng)估，從而大大減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少了耗費(fèi)，而又具備直接可靠的優(yōu)點(diǎn)，其可靠性要大于采用數(shù)值計(jì)算對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行的壽命預(yù)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N17/00GK101334352SQ20081013684
公開(kāi)日2008年12月31日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者丁永杰, 于達(dá)仁, 扈延林 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)