本發(fā)明屬于空心陰極檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著越來越多的電推進(jìn)裝置由早期的設(shè)計(jì)研發(fā)階段進(jìn)入工程應(yīng)用階段，可靠性成為限制電推進(jìn)裝置進(jìn)入太空的一個(gè)重要因素，電推進(jìn)空心陰極是一種電子源，應(yīng)用在離子和霍爾兩種現(xiàn)今的主流空間電推進(jìn)器上，是兩種推進(jìn)系統(tǒng)中必不可少的部件，空心陰極具有嚴(yán)酷的工作環(huán)境因而成為推力器系統(tǒng)中的薄弱點(diǎn)，其壽命直接限制了整套電推進(jìn)裝置的可靠性，可以說是整個(gè)電推進(jìn)器的“心臟”，所以對(duì)空心陰極的壽命可靠性進(jìn)行探究具有重要意義。

由于空心陰極具有造價(jià)昂貴、可靠性高、壽命長(zhǎng)(壽命甚至可以達(dá)到幾萬(wàn)小時(shí))、各項(xiàng)性能參數(shù)變化極其緩慢等特點(diǎn)，因此在空心陰極的壽命探究過程中，1:1的地面試驗(yàn)時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、人力、物力成本均相當(dāng)高，實(shí)驗(yàn)中所允許投入的樣本數(shù)量非常有限，地面試驗(yàn)時(shí)間也有限。傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)推斷雖然方法簡(jiǎn)單直觀，但在沒有大量子樣的情況下，對(duì)于空心陰極往往只能獲得其性能衰退機(jī)理，得不到產(chǎn)品的確切壽命和失效置信數(shù)據(jù)，這給其壽命評(píng)估帶來嚴(yán)重困難。

此外，當(dāng)一批陰極生產(chǎn)出來后，因?yàn)闊o(wú)法進(jìn)行大批量的長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如何判斷其中有哪些陰極的壽命滿足設(shè)計(jì)要求也是一個(gè)急需解決的問題，否則很難進(jìn)行準(zhǔn)確的篩選，因此探究一種新型的空心陰極壽命預(yù)測(cè)方法勢(shì)在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決空心陰極得不到確切壽命和失效置信數(shù)據(jù)，壽命評(píng)估困難的問題，現(xiàn)提供一種基于鎢頂孔失效對(duì)電推進(jìn)空心陰極的壽命預(yù)測(cè)方法。

一種基于鎢頂孔失效對(duì)電推進(jìn)空心陰極的壽命預(yù)測(cè)方法，所述壽命預(yù)測(cè)方法包括以下步驟：

建立模型：以陰極管內(nèi)部氣壓作為鎢頂孔的性能特征參數(shù)，將性能特征參數(shù)輸入到comsol軟件中，利用該軟件對(duì)空心陰極建立鎢頂孔腐蝕模型，

模擬實(shí)驗(yàn)：保持模擬用空心陰極鎢頂孔的孔徑均值為0.35mm，將模擬用空心陰極放入鎢頂孔腐蝕模型中進(jìn)行n次模擬，獲得每次模擬的空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間的變化曲線，n為正整數(shù)，

退化試驗(yàn)：對(duì)每個(gè)待預(yù)測(cè)壽命的空心陰極進(jìn)行高加速應(yīng)力退化試驗(yàn)，記錄空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間的變化曲線，和每個(gè)待預(yù)測(cè)壽命空心陰極的試驗(yàn)壽命，

壽命預(yù)測(cè)：將退化試驗(yàn)獲得的變化曲線與模擬實(shí)驗(yàn)獲得的變化曲線進(jìn)行比較，若二者一致，則將待預(yù)測(cè)壽命的空心陰極中鎢頂孔內(nèi)部壓力最大和最小值的空心陰極作為標(biāo)準(zhǔn)空心陰極，將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)空心陰極所對(duì)應(yīng)的壽命作為待預(yù)測(cè)壽命的空心陰極的壽命范圍端點(diǎn)值，進(jìn)而獲得待預(yù)測(cè)壽命的空心陰極的壽命范圍，完成壽命預(yù)測(cè)；否則重新進(jìn)行退化試驗(yàn)。

模擬實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間的變化曲線，獲得同一時(shí)間內(nèi)n次模擬的氣壓值的方差，該方差是收斂的。

模擬實(shí)驗(yàn)中n為20。

退化試驗(yàn)中對(duì)每個(gè)待預(yù)測(cè)壽命的空心陰極進(jìn)行10小時(shí)高加速應(yīng)力退化試驗(yàn)。

為了解決空心陰極壽命預(yù)測(cè)問題，根據(jù)空心陰極的失效機(jī)理，本發(fā)明提出一種基于鎢頂孔短期實(shí)驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)方法。本發(fā)明提出了一種借助陰極鎢頂孔的在壽命試驗(yàn)過程中的失效規(guī)律，結(jié)合理論模型進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，利用特征參數(shù)離散度(方差)的變化情況評(píng)估陰極壽命的方法，用于解決陰極篩選、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等諸多壽命評(píng)估方面的問題。

附圖說明

圖1為模擬實(shí)驗(yàn)中空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間的變化曲線圖；

圖2為退化試驗(yàn)中空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間的變化曲線圖；

圖3為空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間變化的方差變化趨勢(shì)圖。

具體實(shí)施方式

空心陰極的失效形式主要有加熱絲蒸發(fā)失效、鎢頂孔擴(kuò)孔腐蝕、發(fā)射體蒸發(fā)失效等。其中，鎢頂孔對(duì)維持等離子體放電區(qū)域氣壓值，保證可靠點(diǎn)火和穩(wěn)定工作等都有著極其重要的作用，一旦鎢頂孔徑發(fā)生了變化，陰極的整個(gè)特性也將隨之發(fā)生明顯變化，比如點(diǎn)火時(shí)間增長(zhǎng)，震蕩增大等，最終造成整個(gè)陰極因?yàn)闊o(wú)法點(diǎn)火或工作震蕩過大而失效。下面利用以下實(shí)施方式具體說明鎢頂孔徑與陰極壽命之間的關(guān)系。

具體實(shí)施方式一：參照?qǐng)D1至圖3具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種基于鎢頂孔失效對(duì)電推進(jìn)空心陰極的壽命預(yù)測(cè)方法，

利用comsol軟件，對(duì)待檢測(cè)的空心陰極建立小孔腐蝕模型，該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢钥吹綒鈮鹤兓闆r、小孔腐蝕面貌。

利用該小孔腐蝕模型模擬實(shí)驗(yàn)元件的小孔腐蝕過程，鎢頂孔腐蝕導(dǎo)致孔徑變大，孔徑變大導(dǎo)致內(nèi)部氣壓變小，氣壓小到一定程度會(huì)造成整個(gè)陰極因?yàn)闊o(wú)法點(diǎn)火或工作震蕩過大而失效。因此陰極的壽命與小孔的腐蝕相關(guān)。小孔的腐蝕對(duì)應(yīng)著孔徑的變化，小孔孔徑變化影響了陰極內(nèi)部氣壓，具體實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法直接測(cè)到小孔的具體腐蝕情況，因?yàn)槠涓g與氣壓相關(guān)，具體實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的為氣壓的變化，從而反映壽命問題。

n次模擬時(shí)，孔徑初始值分別取值0.35mm上下，使其均值為0.35mm。模擬結(jié)束后，獲得每次模擬的氣壓變化，計(jì)算同一時(shí)間n次模擬的氣壓值的方差變化情況。發(fā)現(xiàn)其方差是收斂的，越來越趨于一致。

模擬得到的空心陰極鎢頂孔內(nèi)部氣壓隨時(shí)間的變化曲線，如圖1所示，說明對(duì)于空心陰極小孔腐蝕而言，有著明顯的減速腐蝕特征，即當(dāng)腐蝕進(jìn)行到一定程度后，腐蝕速率將降低到足夠低的量級(jí)，甚至可以忽略不計(jì)。

對(duì)待檢測(cè)的一批空心陰極進(jìn)行高加速應(yīng)力退化試驗(yàn)，退化試驗(yàn)采用0.35mm孔徑，1mm孔深，空心陰極在7.8a大電流工況下循環(huán)工作10小時(shí)，供氣流量采用3sccm，觀察陰極的各項(xiàng)參數(shù)變化情況。

利用試驗(yàn)初期10h內(nèi)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得試驗(yàn)樣本的特征參數(shù)的方差變化情況，這一過程為取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值，計(jì)算得到均值方差，其中，特征參數(shù)為陰極管內(nèi)部氣壓；

退化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這一批次的試驗(yàn)件的確是氣壓值的方差收斂，越來越趨于一致，證明comsol模擬的結(jié)果是可信的，規(guī)律是正確的,一批次陰極中小孔腐蝕過程中特征量(氣壓值)的離散情況隨著時(shí)間發(fā)展是收斂的，即

其中，指的是同一批次陰極中，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，陰極內(nèi)部壓力值的上限；

指的是同一批次陰極中，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，陰極內(nèi)部壓力值的下限；

pt,n指的是同一批次陰極中，時(shí)間t時(shí)對(duì)應(yīng)的陰極內(nèi)部壓力值的上限；

pt,n′指的是同一批次陰極中，時(shí)間t時(shí)對(duì)應(yīng)的陰極內(nèi)部壓力值的下限。

因此，以與對(duì)應(yīng)的壽命作為這一批次陰極的壽命范圍，更為保守。將對(duì)應(yīng)陰極實(shí)驗(yàn)初始內(nèi)部氣壓值為與的鎢頂孔進(jìn)行高加速應(yīng)力退化實(shí)驗(yàn)，獲得兩個(gè)壽命值，即為該批次陰極的壽命范圍。

鎢頂孔的主要失效方式有兩種，高能離子轟擊導(dǎo)致的鎢頂孔擴(kuò)孔腐蝕與高溫蒸發(fā)導(dǎo)致的鎢頂孔擴(kuò)孔腐蝕。

高能離子轟擊腐蝕速率比高溫蒸發(fā)速率高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此忽略鎢頂孔處的高溫蒸發(fā)機(jī)理。本實(shí)施方式只考慮高能離子轟擊腐蝕導(dǎo)致的鎢頂孔擴(kuò)孔腐蝕。

由于鎢頂孔尺寸微小(直徑小于1mm)，放電時(shí)物理過程極其復(fù)雜，但又無(wú)法通過現(xiàn)有的檢測(cè)方法獲悉其內(nèi)部物理參數(shù)，這給鎢頂孔的腐蝕過程研究帶來了很大的困難。

目前主要是破壞性試驗(yàn)方法，即：將腐蝕過后的鎢頂孔利用線切割等手段從中間切開放到顯微鏡下觀察其小孔形貌，雖然能夠獲得最終小孔形貌但無(wú)法與鎢頂孔的性能相對(duì)應(yīng)，更無(wú)法獲得整個(gè)壽命期間，小孔節(jié)流性能的變化過程，而這是基于性能退化試驗(yàn)方法中最為重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此急需要一種可測(cè)的特征參數(shù)來表征隨著壽命的增長(zhǎng)小孔性能的退化過程。針對(duì)這一性能特征參數(shù)缺失的問題，本實(shí)施方式從小孔的宏觀節(jié)流特性出發(fā)，提出了一種基于氣壓變化的小孔性能退化過程評(píng)估方法，即以陰極管內(nèi)部氣壓作為小孔的性能特征參數(shù)，通過監(jiān)測(cè)壽命期間小孔氣壓值的變化來評(píng)估小孔節(jié)流性能的變化。

實(shí)際上，大量實(shí)驗(yàn)證明了對(duì)于空心陰極小孔腐蝕而言，有著明顯的減速腐蝕特征，即當(dāng)腐蝕進(jìn)行到一定程度后，腐蝕速率將降低到足夠低的量級(jí)，甚至可以忽略不計(jì)。

為了驗(yàn)證這一過程，利用comsol(多物理場(chǎng)數(shù)值模擬)軟件，對(duì)一個(gè)孔徑為0.35mm的陰極建立小孔腐蝕模型，該模型在直流放電模塊，層流模塊，傳熱模塊與之前的模型一致，只在數(shù)值上有差別，在此基礎(chǔ)上腐蝕模型加入了變形幾何體模塊，以此來模擬小孔腐蝕過程。

根據(jù)comsol仿真模型里的氣壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，通過origin(函數(shù)繪圖軟件)中的指數(shù)擬合功能得到氣壓隨時(shí)間變化的方程：

p＝p0+a*exp(-t/x)

其中，p0——小孔腐蝕速率降低到可以忽略的水平時(shí)陰極的放電氣壓，與陰極的工作特性及工作參數(shù)有關(guān)；

x——正常數(shù)，表征時(shí)間特征量；

a——加速應(yīng)力水平有關(guān)的函數(shù)，表征退化速率；

對(duì)于不同的陰極，不同的工況條件下，特征參數(shù)的退化曲線形式一致，只是指數(shù)函數(shù)參數(shù)有所不同。