一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法技術

一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法，涉及空心陰極檢測技術領域。它是為了解決空心陰極壽命評估困難的問題。本發明專利技術所述的壽命預測方法，首先建立鎢頂孔腐蝕模型，將模擬用空心陰極放入鎢頂孔腐蝕模型中進行模擬，獲得每次模擬的空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，然后對每個待預測壽命的空心陰極進行高加速應力退化試驗，獲得空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，最后將二者進行比較，若二者一致，則將待預測壽命的空心陰極中鎢頂孔內部壓力最大和最小值的空心陰極作為標準空心陰極，將兩個標準空心陰極所對應的壽命作為待預測壽命的空心陰極的壽命范圍端點值，進而獲得待預測壽命的空心陰極的壽命范圍。

Life prediction method of electrically driven hollow cathode based on hole failure of tungsten tip

The invention relates to a method for predicting the life of an electric propulsion hollow cathode based on the failure of a tungsten hole, relating to the technical field of hollow cathode detection. It is a difficult problem to solve the life assessment of hollow cathode. The prediction method of the present invention of life, first established the top hole tungsten corrosion model, simulated by hollow cathode tungsten into the top hole corrosion model for simulation, for each simulation of hollow cathode tungsten top hole internal pressure versus time curve, and then to predict the life of hollow cathode high accelerated stress degradation test of for each, the hollow cathode tungsten top hole internal pressure variation curves, finally compare the two, if two is consistent, will be the life prediction of hollow cathode tungsten top hole of the internal pressure of the maximum and minimum values of hollow cathode as standard hollow cathode, corresponding to two standard hollow cathode life as the life span of endpoint to be predicted the value of the life of hollow cathode, and then get the life range to the life prediction of hollow cathode.

【技術實現步驟摘要】
一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法
本專利技術屬于空心陰極檢測

技術介紹
隨著越來越多的電推進裝置由早期的設計研發階段進入工程應用階段，可靠性成為限制電推進裝置進入太空的一個重要因素，電推進空心陰極是一種電子源，應用在離子和霍爾兩種現今的主流空間電推進器上，是兩種推進系統中必不可少的部件，空心陰極具有嚴酷的工作環境因而成為推力器系統中的薄弱點，其壽命直接限制了整套電推進裝置的可靠性，可以說是整個電推進器的“心臟”，所以對空心陰極的壽命可靠性進行探究具有重要意義。由于空心陰極具有造價昂貴、可靠性高、壽命長(壽命甚至可以達到幾萬小時)、各項性能參數變化極其緩慢等特點，因此在空心陰極的壽命探究過程中，1:1的地面試驗時間、經濟、人力、物力成本均相當高，實驗中所允許投入的樣本數量非常有限，地面試驗時間也有限。傳統的統計推斷雖然方法簡單直觀，但在沒有大量子樣的情況下，對于空心陰極往往只能獲得其性能衰退機理，得不到產品的確切壽命和失效置信數據，這給其壽命評估帶來嚴重困難。此外，當一批陰極生產出來后，因為無法進行大批量的長時間實驗驗證，如何判斷其中有哪些陰極的壽命滿足設計要求也是一個急需解決的問題，否則很難進行準確的篩選，因此探究一種新型的空心陰極壽命預測方法勢在必行。
技術實現思路
本專利技術是為了解決空心陰極得不到確切壽命和失效置信數據，壽命評估困難的問題，現提供一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法。一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法，所述壽命預測方法包括以下步驟：建立模型：以陰極管內部氣壓作為鎢頂孔的性能特征參數，將性能特征參數輸入到COMSOL軟件中，利用該軟件對空心陰極建立鎢頂孔腐蝕模型，模擬實驗：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行n次模擬，獲得每次模擬的空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，n為正整數，退化試驗：對每個待預測壽命的空心陰極進行高加速應力退化試驗，記錄空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，和每個待預測壽命空心陰極的試驗壽命，壽命預測：將退化試驗獲得的變化曲線與模擬實驗獲得的變化曲線進行比較，若二者一致，則將待預測壽命的空心陰極中鎢頂孔內部壓力最大和最小值的空心陰極作為標準空心陰極，將兩個標準空心陰極所對應的壽命作為待預測壽命的空心陰極的壽命范圍端點值，進而獲得待預測壽命的空心陰極的壽命范圍，完成壽命預測；否則重新進行退化試驗。模擬實驗中，根據空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，獲得同一時間內n次模擬的氣壓值的方差，該方差是收斂的。模擬實驗中n為20。退化試驗中對每個待預測壽命的空心陰極進行10小時高加速應力退化試驗。為了解決空心陰極壽命預測問題，根據空心陰極的失效機理，本專利技術提出一種基于鎢頂孔短期實驗的壽命預測方法。本專利技術提出了一種借助陰極鎢頂孔的在壽命試驗過程中的失效規律，結合理論模型進行仿真預測，利用特征參數離散度(方差)的變化情況評估陰極壽命的方法，用于解決陰極篩選、設計驗證等諸多壽命評估方面的問題。附圖說明圖1為模擬實驗中空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線圖；圖2為退化試驗中空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線圖；圖3為空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間變化的方差變化趨勢圖。具體實施方式空心陰極的失效形式主要有加熱絲蒸發失效、鎢頂孔擴孔腐蝕、發射體蒸發失效等。其中，鎢頂孔對維持等離子體放電區域氣壓值，保證可靠點火和穩定工作等都有著極其重要的作用，一旦鎢頂孔徑發生了變化，陰極的整個特性也將隨之發生明顯變化，比如點火時間增長，震蕩增大等，最終造成整個陰極因為無法點火或工作震蕩過大而失效。下面利用以下實施方式具體說明鎢頂孔徑與陰極壽命之間的關系。具體實施方式一：參照圖1至圖3具體說明本實施方式，本實施方式所述的一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法，利用COMSOL軟件，對待檢測的空心陰極建立小孔腐蝕模型，該實驗模型可以看到氣壓變化情況、小孔腐蝕面貌。利用該小孔腐蝕模型模擬實驗元件的小孔腐蝕過程，鎢頂孔腐蝕導致孔徑變大，孔徑變大導致內部氣壓變小，氣壓小到一定程度會造成整個陰極因為無法點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。小孔的腐蝕對應著孔徑的變化，小孔孔徑變化影響了陰極內部氣壓，具體實驗時無法直接測到小孔的具體腐蝕情況，因為其腐蝕與氣壓相關，具體實驗中測量的為氣壓的變化，從而反映壽命問題。n次模擬時，孔徑初始值分別取值0.35mm上下，使其均值為0.35mm。模擬結束后，獲得每次模擬的氣壓變化，計算同一時間n次模擬的氣壓值的方差變化情況。發現其方差是收斂的，越來越趨于一致。模擬得到的空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，如圖1所示，說明對于空心陰極小孔腐蝕而言，有著明顯的減速腐蝕特征，即當腐蝕進行到一定程度后，腐蝕速率將降低到足夠低的量級，甚至可以忽略不計。對待檢測的一批空心陰極進行高加速應力退化試驗，退化試驗采用0.35mm孔徑，1mm孔深，空心陰極在7.8A大電流工況下循環工作10小時，供氣流量采用3sccm，觀察陰極的各項參數變化情況。利用試驗初期10h內的試驗數據獲得試驗樣本的特征參數的方差變化情況，這一過程為取實驗數據值，計算得到均值方差，其中，特征參數為陰極管內部氣壓；退化試驗發現，這一批次的試驗件的確是氣壓值的方差收斂，越來越趨于一致，證明comsol模擬的結果是可信的，規律是正確的,一批次陰極中小孔腐蝕過程中特征量(氣壓值)的離散情況隨著時間發展是收斂的，即其中，指的是同一批次陰極中，實驗開始時，陰極內部壓力值的上限；指的是同一批次陰極中，實驗開始時，陰極內部壓力值的下限；Pt,n指的是同一批次陰極中，時間t時對應的陰極內部壓力值的上限；Pt,n′指的是同一批次陰極中，時間t時對應的陰極內部壓力值的下限。因此，以與對應的壽命作為這一批次陰極的壽命范圍，更為保守。將對應陰極實驗初始內部氣壓值為與的鎢頂孔進行高加速應力退化實驗，獲得兩個壽命值，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，高能離子轟擊導致的鎢頂孔擴孔腐蝕與高溫蒸發導致的鎢頂孔擴孔腐蝕。高能離子轟擊腐蝕速率比高溫蒸發速率高兩個數量級，因此忽略鎢頂孔處的高溫蒸發機理。本實施方式只考慮高能離子轟擊腐蝕導致的鎢頂孔擴孔腐蝕。由于鎢頂孔尺寸微小(直徑小于1mm)，放電時物理過程極其復雜，但又無法通過現有的檢測方法獲悉其內部物理參數，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法與鎢頂孔的性能相對應，更無法獲得整個壽命期間，小孔節流性能的變化過程，而這是基于性能退化試驗方法中最為重要的基礎數據。因此急需要一種可測的特征參數來表征隨著壽命的增長小孔性能的退化過程。針對這一性能特征參數缺失的問題，本實施方式從小孔的宏觀節流特性出發，提出了一種基于氣壓變化的小孔性能退化過程評估方法，即以陰極管內部氣壓作為小孔的性能特征參數，通過監測壽命期間小孔氣壓值的變化來評估小孔節流性能的變化。實際上，大量實驗證明了對于空心陰極小孔腐蝕而言，有著明顯的減速腐蝕特本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法，其特征在于，所述壽命預測方法包括以下步驟：建立模型：以陰極管內部氣壓作為鎢頂孔的性能特征參數，將性能特征參數輸入到COMSOL軟件中，利用該軟件對空心陰極建立鎢頂孔腐蝕模型，模擬實驗：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行n次模擬，獲得每次模擬的空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，n為正整數，退化試驗：對每個待預測壽命的空心陰極進行高加速應力退化試驗，記錄空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，和每個待預測壽命空心陰極的試驗壽命，壽命預測：將退化試驗獲得的變化曲線與模擬實驗獲得的變化曲線進行比較，若二者一致，則將待預測壽命的空心陰極中鎢頂孔內部壓力最大和最小值的空心陰極作為標準空心陰極，將兩個標準空心陰極所對應的壽命作為待預測壽命的空心陰極的壽命范圍端點值，進而獲得待預測壽命的空心陰極的壽命范圍，完成壽命預測；否則重新進行退化試驗。

【技術特征摘要】
1.一種基于鎢頂孔失效對電推進空心陰極的壽命預測方法，其特征在于，所述壽命預測方法包括以下步驟：建立模型：以陰極管內部氣壓作為鎢頂孔的性能特征參數，將性能特征參數輸入到COMSOL軟件中，利用該軟件對空心陰極建立鎢頂孔腐蝕模型，模擬實驗：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行n次模擬，獲得每次模擬的空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，n為正整數，退化試驗：對每個待預測壽命的空心陰極進行高加速應力退化試驗，記錄空心陰極鎢頂孔內部氣壓隨時間的變化曲線，和每個待預測壽命空心陰極的試驗壽命，壽命預測：將退化試驗獲得的變化曲線與模擬實驗獲得的變化曲線進行比較，若二者一致，則將待預測壽命的空心陰極中鎢頂...

【專利技術屬性】
技術研發人員：寧中喜，王亞楠，王福鋒，劉晨光，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23