本发明涉及离子推力器寿命评估技术领域，特别是基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法。
背景技术：
电推进系统是一种先进的空间推进系统，具有高比冲、高效率、小推力的特点，能够有效提高卫星在轨服务寿命和承载能力，近年来在空间推进中的应用越来越普遍。电推进相对于化学推进具有高比冲的突出优势，可大幅降低卫星推进剂携带量，从而提高卫星有效载荷比、延长在轨寿命和降低发射重量。
氙离子推力器是电推力器家族的重要成员，比冲和效率都高于其它电推进系统。离子推力器是离子电推进系统的核心单机之一，同时也是影响电推进系统寿命和可靠性的主要薄弱环节。为达到总冲量要求，离子推力器的寿命指标通常较长，达到数千小时甚至上万小时。如果按照常规的寿命指标验证方法，离子推力器寿命试验时间一般要求达到1.5～2倍任务时间，受限于研制进度、试验经费等因素，无论是在产品研制阶段还是批产阶段，寿命与可靠性能力的地面验证困难重重，因此，用较短的试验数据对离子推力器寿命进行评估具有重要意义。
通过国外相关研究报道与前期工作发现，离子推力器的关键失效部件主要为空心阴极与加速栅。目前，国内对于空心阴极已积累了少量的试验数据，而对于加速栅相应的试验研究还存在不足。由于离子推力器制造成本昂贵，同时受试验条件限制，试样样本有限；同时，由于寿命指标长，受研制周期制约，难以进行全寿命周期的验证。加速栅失效包括结构失效、电子返流失效等多种失效模式，难以用单一模型进行评价。基于此，本发明提出了一种基于栅极腐蚀形貌和电子返流等特征量退化规律的离子推力器寿命评估方法，用较短的寿命试验数据评估离子推力器寿命。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法，解决了离子推力器寿命评估试验时间较长、寿命预测精度较差的问题。
本发明的技术解决方案是：基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法，包括如下步骤：
步骤一，采集加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径；
步骤二，建立栅极腐蚀退化模型；
步骤三，确定栅极腐蚀退化模型参数，并得到栅极腐蚀拟合退化模型；
步骤四，预估离子推力器寿命；
步骤五，采集不同试验时间下电子返流极限电压数据；
步骤六，建立电子返流极限电压退化模型；
步骤七，确定栅极腐蚀退化模型参数，并得到栅极腐蚀拟合退化模型；
步骤八，预估离子推力器寿命；
步骤九，综合评估离子推力器寿命。
所述的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度d(t)为离子推力器栅极中心区域3个栅孔的平均凹槽腐蚀深度的最大值，
所述的栅极腐蚀退化模型包括点火工作时间t时刻对应的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度d(t)、点火工作时间t时刻对应的加速栅栅孔直径d(t)，其中
d(t)＝d0+bdt+εd，
d(t)＝d0+bdt+εd，
d0为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的初始值；
bd为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的线性变化速率；
d0为加速栅栅孔直径的初始值；
bd为加速栅栅孔直径的线性变化速率；
εd为均值为0、方差分别为
εd为均值为0、方差分别为
所述的确定栅极腐蚀退化模型参数，并得到栅极腐蚀拟合退化模型的方法包括：
得到时刻t对应的性能参数y(t)＝y0+b·x(t)+ε，ε～n(0,σ2)，y0为性能参数初始值，b为退化速率，x(t)为时间t的已知函数，ε为均值为0、方差为σ2的随机误差；
tj时刻检测性能数据，获得一组退化数据(yj，xj)，j＝1,2,…,p，得到栅极腐蚀拟合退化模型为
所述的预估离子推力器寿命包括如下步骤：
(1)加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命估计
当加速栅下游表面凹槽腐蚀深度满足d≥df时，则假设结构失效；
其中，d为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度，df为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度失效阈值；
当加速栅下游表面凹槽腐蚀深度满足df＝加速栅厚度h时，设dj为tj时刻下加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的观测值，令y(t)＝d(t)，y0＝d0，b＝bd，性能数据阈值yf＝df，得到加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命
(2)加速栅孔壁腐蚀寿命估计
当加速栅栅孔直径满足d≥df时，则结构失效和电子反流失效；其中，d为加速栅栅孔直径，df为加速栅栅孔直径失效阈值，df为两个相邻栅孔中心之间的距离，d0为加速栅栅孔直径的初始值；
当结构未失效和电子反流未失效时，设dj为tj时刻下加速栅栅孔直径的观测值，令y(t)＝d(t)，y0＝d0，b＝bd，性能数据阈值yf＝df，得到加速栅孔壁腐蚀寿命的估计
所述的建立电子返流极限电压退化模型为：
u(t)＝u0+but+εu，
其中，u(t)为点火工作时间t时刻对应的电子反流极限电压，u0为电子反流极限电压的初始值，bu为电子反流极限电压的线性变化速率，εu为均值为0、方差为
所述的预估离子推力器寿命的方法为：
当电子反流极限电压满足u≤uf时，则电子反流失效；其中，u为电子反流极限电压，uf为电子反流极限电压失效阈值按uf＝ua计算，ua为加速栅电压设计值；
当电子反流极限电压不满足u≤uf时，设uj为tj时刻下电子反流极限电压的观测值，令y(t)＝u(t)，y0＝u0，b＝bu，x(t)＝t，性能数据阈值yf＝uf，得到电子反流失效寿命估计为
所述的综合评估离子推力器寿命的方法为：
计算得到氙离子推力器寿命模型为
t＝min{td,td,tu}
其中，td、td、tu分别为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径增大导致加速栅结构失效以及电子反流极限电压减小导致的电子反流失效对应的推力器寿命。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明本发明通过对栅极腐蚀形貌等主要可靠性特征量的退化特征进行建模分析及线性拟合，评估了离子推力器寿命，解决了离子推力器寿命需要长时间试验验证的问题；
(2)本发明充分考虑了栅极结构失效和电子返流失效等失效模式，覆盖了影响推力器寿命的主要故障模式，并对相应数据进行了分析梳理，确保了寿命评估结果的准确性；
(3)本发明利用较短时间的寿命试验数据评估了离子推力器的寿命，节约了大约1/3～1/2的试验时间成本。
附图说明
图1为本发明的加速栅相邻栅孔凹槽腐蚀深度测量示意图；
图2为本发明的加速栅栅孔直径测量示意图；
图3为本发明的加速栅栅孔结构示意图；
图4为本发明的离子推力器寿命评估流程。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于栅极腐蚀形貌和电子返流的离子推力器寿命评估方法，包括以下步骤：
步骤一，栅极腐蚀形貌数据采集
首先，对表征离子推力器栅极腐蚀形貌的特征量进行采集，主要采集“加速栅下游表面凹槽腐蚀深度”和“加速栅栅孔直径”。其中：
a)加速栅下游表面凹槽腐蚀深度以中心区域3个栅孔的平均凹槽腐蚀深度的最大值为准，即
b)加速栅栅孔直径以中心区域3个栅孔的直径的平均值为准，即
步骤二，基于栅极腐蚀的离子推力器寿命评估。
步骤2.1：栅极腐蚀退化模型建立；
根据氙离子推力器研制过程中的地面真空点火试验数据分析结果，加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径与点火工作时间之间存在显著的线性相关关系，可以采用公式(1)和(2)所示经验模型描述。
d(t)＝d0+bdt+εd，
d(t)＝d0+bdt+εd，
式中，
d(t)为点火工作时间t时刻对应的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度，单位为毫米(mm)；
d(t)为点火工作时间t时刻对应的加速栅栅孔直径，单位为毫米(mm)；
d0为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的初始值，单位为毫米(mm)；
bd为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的线性变化速率，单位为毫米每小时(mm/h)；
d0为加速栅栅孔直径的初始值，单位为毫米(mm)；
bd为加速栅栅孔直径的线性变化速率，单位为毫米每小时(mm/h)；
εd为均值为0、方差分别为
εd为均值为0、方差分别为
其中，t、d(t)、d(t)为观测值，d0、d0、bd、bd和
步骤2.2：栅极腐蚀退化模型参数确定；
本节给出线性退化模型的性能退化数据分析方法，用以确定步骤2.1公式(1)、公式(2)中的待确定参数。
退化模型如公式(3)所示。
y(t)＝y0+b·x(t)+ε，ε～n(0,σ2)(3)
式中y(t)为时刻t对应的性能参数(或其已知函数)，y0为性能参数初始值(或其已知函数)，b为退化速率，x(t)为时间t的已知函数，ε为均值为0、方差为σ2的随机误差。
对于某个子样，tj(j＝1,2,…,p)时刻检测一次性能数据，获得一组退化数据(yj，xj)，性能数据阈值为yf。
按照公式(4)～公式(8)拟合退化模型：
步骤2.3：离子推力器寿命预估。
1)加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命估计：
当加速栅下游表面凹槽腐蚀深度满足式(1)关系时，则结构失效假设，
d≥df(1)
式中，
d为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度，单位为毫米(mm)；
df为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度失效阈值，单位为毫米(mm)，由式(2)确定。
df＝h(2)
h为加速栅厚度，单位为毫米(mm)；
设dj(j＝1,2,…,p)为tj时刻下加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的观测值，令y(t)＝d(t)，y0＝d0，b＝bd，性能数据阈值yf＝df，其中df由式(2)可得。则加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命由式(18)计算。
式中，
2)加速栅孔壁腐蚀寿命估计：
当加速栅栅孔直径满足式(3)关系时，则结构失效假设和电子反流失效；
d≥df(3)
式中，
d为加速栅栅孔直径，单位为毫米(mm)；
df为加速栅栅孔直径失效阈值，单位为毫米(mm)。df为两个相邻栅孔中心之间的距离(测量值)，如图3所示，图中d0为加速栅栅孔直径的初始值；
设dj(j＝1,2,…,p)为tj时刻下加速栅栅孔直径的观测值，令y(t)＝d(t)，y0＝d0，b＝bd，性能数据阈值yf＝df，其中df可测量得到。则加速栅孔壁腐蚀寿命的估计由式(19)计算。
式中，
步骤三，电子返流极限电压数据采集。
电子返流极限电压为表征离子推力器寿命的重要参数，可通过试验直接测量。采集不同试验时间下测量的电子返流电压值。
步骤四，基于电子返流极限电压退化的离子推力器寿命评估；
步骤4.1：电子返流极限电压退化模型建立；
根据氙离子推力器研制过程中的地面真空点火试验数据分析结果，电子反流极限电压与点火工作时间之间存在显著的线性相关关系，可以采用公式(8)所示的经验模型描述。
u(t)＝u0+but+εu，
式中，
u(t)为点火工作时间t时刻对应的电子反流极限电压，单位为伏特(v)；
u0为电子反流极限电压的初始值(v)，单位为伏特(v)；
bu为电子反流极限电压的线性变化速率，单位为伏特每小时(v/h)；
εu为均值为0、方差为
其中，t、u(t)为观测值，u0、bu和
步骤4.2：栅极腐蚀退化模型参数确定；
栅极腐蚀退化模型为线性退化模型，模型参数确定方法参照步骤2.1
步骤4.3：离子推力器寿命预估。
当电子反流极限电压满足式(21)时，则电子反流失效；
u≤uf(21)
式中，
u为电子反流极限电压，单位为伏特(v)；
uf为电子反流极限电压失效阈值按式(22)计算。
uf＝ua(22)
式中，ua为加速栅电压设计值，单位为伏特(v)。
3)电子反流失效寿命估计：
设uj(j＝1,2,…,p)为tj时刻下电子反流极限电压的观测值，令y(t)＝u(t)，y0＝u0，b＝bu，x(t)＝t，性能数据阈值yf＝uf，其中uf由式(22)确定。则电子反流失效寿命估计由公式(23)计算。
式中，
步骤五，离子推力器寿命综合评估
按照薄弱环原理，氙离子推力器寿命模型采用公式(24)描述。
t＝min{td,td,tu}(24)
式中td、td、tu分别为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径增大导致加速栅结构失效以及电子反流极限电压减小导致的电子反流失效对应的推力器寿命。
下面结合附图对本发明进行详细的说明。
如图4所示，基于栅极腐蚀形貌和电子返流等特征量退化规律的离子推力器寿命评估方法应包括图4中所示步骤，下面通过一个实例进行说明。
步骤一，栅极腐蚀形貌数据采集
本实例中对栅极腐蚀形貌数据进行了采集，见表1。
表1栅极腐蚀形貌试验数据
步骤二，基于栅极腐蚀的离子推力器寿命评估。
应用表1中加速栅下游表面凹槽腐蚀深度和加速栅栅孔直径数据，建立性能退化模型，并确定模型参数，，退化模型拟合结果如下：
加速栅下游表面凹槽腐蚀、加速栅孔壁腐蚀的寿命估计分别为：
步骤三，电子返流极限电压数据采集。
本实例中对电子反流极限电压进行了采集，见表2。
表2电子返流极限电压试验数据
步骤四，基于电子返流极限电压退化的离子推力器寿命评估；
应用电子反流极限电压测试数据，采用完成氙离子推力器加速栅腐蚀模型、电子反流极限电压退化模型拟合及寿命估计，退化模型拟合结果如下：
电子反流失效的寿命估计为：
步骤五，离子推力器寿命综合评估
按照薄弱环原理，该推力器的寿命估计为：
综上所述，本发明基于栅极腐蚀形貌和电子返流等特征量退化规律的离子推力器寿命评估方法，具体包括以下步骤：
步骤一，栅极腐蚀形貌数据采集
首先采集“加速栅下游表面凹槽腐蚀深度”和“加速栅栅孔直径”。其中：a)加速栅下游表面凹槽腐蚀深度以离子推力器栅极中心区域3个栅孔的平均凹槽腐蚀深度的最大值，即
步骤二，基于栅极腐蚀的离子推力器寿命评估。
步骤2.1：栅极腐蚀退化模型建立；
d(t)＝d0+bdt+εd，
d(t)＝d0+bdt+εd，
式中，
d(t)为点火工作时间t时刻对应的加速栅下游表面凹槽腐蚀深度，；
d(t)为点火工作时间t时刻对应的加速栅栅孔直径；
d0为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的初始值；
bd为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的线性变化速率；
d0为加速栅栅孔直径的初始值；
bd为加速栅栅孔直径的线性变化速率；
εd为均值为0、方差分别为
εd为均值为0、方差分别为
其中，t、d(t)、d(t)为观测值，d0、d0、bd、bd和
步骤2.2：栅极腐蚀退化模型参数确定；
得到
y(t)＝y0+b·x(t)+ε，ε～n(0,σ2)
式中y(t)为时刻t对应的性能参数(或其已知函数)，y0为性能参数初始值(或其已知函数)，b为退化速率，x(t)为时间t的已知函数，ε为均值为0、方差为σ2的随机误差。
对于某个子样，tj(j＝1,2,…,p)时刻检测一次性能数据，获得一组退化数据(yj，xj)，性能数据阈值为yf大于0。
按照公式(4)～公式(8)拟合退化模型：
步骤2.3：离子推力器寿命预估。
1)加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命估计：
当加速栅下游表面凹槽腐蚀深度满足式(1)关系时，则结构失效假设，
d≥df(2)
式中，
d为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度，单位为毫米(mm)；
df为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度失效阈值，单位为毫米(mm)，由式(2)确定。
df＝h(2)
h为加速栅厚度，单位为毫米(mm)；
设dj(j＝1,2,…,p)为tj时刻下加速栅下游表面凹槽腐蚀深度的观测值，令y(t)＝d(t)，y0＝d0，b＝bd，性能数据阈值yf＝df，其中df由式(2)可得。则加速栅下游表面凹槽腐蚀寿命由式(18)计算。
式中，
2)加速栅孔壁腐蚀寿命估计：
当加速栅栅孔直径满足式(3)关系时，则结构失效假设和电子反流失效；
d≥df(3)
式中，
d为加速栅栅孔直径，单位为毫米(mm)；
df为加速栅栅孔直径失效阈值，单位为毫米(mm)。df为两个相邻栅孔中心之间的距离(测量值)，如图3所示，图中d0为加速栅栅孔直径的初始值；
设dj(j＝1,2,…,p)为tj时刻下加速栅栅孔直径的观测值，令y(t)＝d(t)，y0＝d0，b＝bd，性能数据阈值yf＝df，其中df可测量得到。则加速栅孔壁腐蚀寿命的估计由式(19)计算。
式中，
步骤三，电子返流极限电压数据采集。
电子返流极限电压为表征离子推力器寿命的重要参数，可通过试验直接测量。采集不同试验时间下测量的电子返流电压值。
步骤四，基于电子返流极限电压退化的离子推力器寿命评估；
步骤4.1：电子返流极限电压退化模型建立；
根据氙离子推力器研制过程中的地面真空点火试验数据分析结果，电子反流极限电压与点火工作时间之间存在显著的线性相关关系，可以采用公式(8)所示的经验模型描述。
u(t)＝u0+but+εu，
式中，
u(t)为点火工作时间t时刻对应的电子反流极限电压，单位为伏特(v)；
u0为电子反流极限电压的初始值(v)，单位为伏特(v)；
bu为电子反流极限电压的线性变化速率，单位为伏特每小时(v/h)；
εu为均值为0、方差为
其中，t、u(t)为观测值，u0、bu和
步骤4.2：栅极腐蚀退化模型参数确定；
栅极腐蚀退化模型为线性退化模型，模型参数确定方法参照步骤2.1
步骤4.3：离子推力器寿命预估。
当电子反流极限电压满足式(21)时，则电子反流失效；
u≤uf(21)
式中，
u为电子反流极限电压，单位为伏特(v)；
uf为电子反流极限电压失效阈值按式(22)计算。
uf＝ua(22)
式中，ua为加速栅电压设计值，单位为伏特(v)。
3)电子反流失效寿命估计：
设uj(j＝1,2,…,p)为tj时刻下电子反流极限电压的观测值，令y(t)＝u(t)，y0＝u0，b＝bu，x(t)＝t，性能数据阈值yf＝uf，其中uf由式(22)确定。则电子反流失效寿命估计由公式(23)计算。
式中，
步骤五，离子推力器寿命综合评估
按照薄弱环原理，氙离子推力器寿命模型采用公式(24)描述。
t＝min{td,td,tu}(24)
式中td、td、tu分别为加速栅下游表面凹槽腐蚀深度、加速栅栅孔直径增大导致加速栅结构失效以及电子反流极限电压减小导致的电子反流失效对应的推力器寿命。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。