[发明专利]一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法

说明书

本申请涉及空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，通过构建仿真计算模型，建立高能离子与屏栅极表面溅射腐蚀速率之间的关系，实现对屏栅极失效发生的概率进行评估。一方面是基于离子推力器放电室的基础理论知识，进一步明确放电室气体放电过程和高能离子产生过程，另一方面是明晰高能离子对固体表面的轰击溅射刻蚀过程和工作机制，仿真计算结果可为设计人员在离子电推进产品研制及优化设计提供手段支持和数据参考，以达到大幅缩短产品研发周期、降低产品研制成本的目的。

技术领域

本申请涉及空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法。

背景技术

推进系统是任何航天器不可缺少的核心系统之一，与化学推进系统相比，电推进系统具有推力小、比冲高、寿命长、推力可调节、安全性好等特点，这就意味着完成同样的轨道控制任务时，电推进系统的控制精度要远远高于化学推进系统，同时，因电推进系统的比冲高，其在执行航天使命时所消耗的推进剂量较少，使得航天器的有效载荷将显著增加，电推进作为先进的空间推进技术，除了需要克服强引力的地球(星体)表面发射或降落外，几乎可以应用于所有需要推进系统的航天器使命。

离子推力器由于其自身的优点如高比冲、低推力、推力可调节、寿命长及高可靠等特点，目前已经被用来执行位置保持、轨道转移、轨道提升及深空探测中。未来航天器在轨任务对离子推力器提出了迫切需求，但因离子推力器的推力较小，以致要完成空间任务需工作几万小时，这对推力器乃至其关键部组件的耐溅射能力提出了很高的要求。

目前大部分离子推力器的寿命研究主要集中在栅极组件的加速栅结构失效和电子反流失效，但是从在轨和地面试验测试结果来看，屏栅极结构失效也是导致离子推力器寿命终止的一个关键失效模式，屏栅极结构失效相比加速栅结构失效和电子反流发生的概率较小，但试验结果显示，当推力器放电室内部阳极电压大于某一个值后，屏栅极的结构会快速发生变化，厚度变薄或某些部位脱落，大量溅射物漂浮在放电室内部或沉积在放电室内壁表面，小块溅射物通过屏栅极孔进入栅极系统，若溅射物搭接在屏栅极和加速栅极之间，会使两栅瞬间短路，推力器寿命终止，该种情况下屏栅极结构失效成为了决定推力器寿命终止的最关键失效模式。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，通过构建仿真计算模型，建立高能离子与屏栅极表面溅射腐蚀速率之间的关系，实现对屏栅极结构失效发生的概率进行评估。

为了实现上述目的，本申请提供了一种离子推力器屏栅极溅射刻蚀仿真分析方法，包括如下步骤：步骤1：根据推力器最大引出束流、工质利用率和几何结构参数、工作电气参数，计算放电室内中性气体密度和最大等离子体密度；步骤2：根据等离子体密度，确定计算区域中电子、离子的空间步长和时间步长；步骤3：求解麦克斯韦方程组，得到计算区域内的磁场分布和对应每个网格节点上的磁感应强度；步骤4：求解泊松方程，得到计算区域内的静电场分布、自洽电场分布和总电场分布；步骤5：利用牛顿第二定律，对阴极发射的原初电子进行加速，经过加速后的电子和计算区域内的中性气体进行碰撞，产生二次电子和一价氙离子；步骤6：阴极发射的原初电子和一次电离碰撞产生的二次电子和中性气体一价氙离子再次电离碰撞产生二价氙离子；步骤7：通过跟踪二价氙离子，获得二价氙离子对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程，得到溅射刻蚀速率；步骤8：根据收敛条件，即自洽电场变化率＜0.05％，判断程序是否收敛，若收敛，输出稳态计算结果，反之，回到步骤4，继续计算。

进一步的，步骤1中推力器为静电型离子电推力器。

进一步的，原初电子与中性原子之间的碰撞包括弹性碰撞、激发碰撞、一次电离碰撞以及二次电离碰撞。

进一步的，步骤6中二价氙离子的类型为轰击屏栅极表面的高能离子。

进一步的，步骤7中，利用粒子跟踪的方法，通过跟踪二价氙离子的运动，得到单个二价氙离子的产生、运动行为和其对屏栅极表面的轰击溅射刻蚀过程。