一种基于钨顶孔失效对电推进空心阴极的寿命预测方法与流程

本发明属于空心阴极检测技术领域。

背景技术：

随着越来越多的电推进装置由早期的设计研发阶段进入工程应用阶段，可靠性成为限制电推进装置进入太空的一个重要因素，电推进空心阴极是一种电子源，应用在离子和霍尔两种现今的主流空间电推进器上，是两种推进系统中必不可少的部件，空心阴极具有严酷的工作环境因而成为推力器系统中的薄弱点，其寿命直接限制了整套电推进装置的可靠性，可以说是整个电推进器的“心脏”，所以对空心阴极的寿命可靠性进行探究具有重要意义。

由于空心阴极具有造价昂贵、可靠性高、寿命长(寿命甚至可以达到几万小时)、各项性能参数变化极其缓慢等特点，因此在空心阴极的寿命探究过程中，1:1的地面试验时间、经济、人力、物力成本均相当高，实验中所允许投入的样本数量非常有限，地面试验时间也有限。传统的统计推断虽然方法简单直观，但在没有大量子样的情况下，对于空心阴极往往只能获得其性能衰退机理，得不到产品的确切寿命和失效置信数据，这给其寿命评估带来严重困难。

此外，当一批阴极生产出来后，因为无法进行大批量的长时间实验验证，如何判断其中有哪些阴极的寿命满足设计要求也是一个急需解决的问题，否则很难进行准确的筛选，因此探究一种新型的空心阴极寿命预测方法势在必行。

技术实现要素：

本发明是为了解决空心阴极得不到确切寿命和失效置信数据，寿命评估困难的问题，现提供一种基于钨顶孔失效对电推进空心阴极的寿命预测方法。

一种基于钨顶孔失效对电推进空心阴极的寿命预测方法，所述寿命预测方法包括以下步骤：

建立模型：以阴极管内部气压作为钨顶孔的性能特征参数，将性能特征参数输入到comsol软件中，利用该软件对空心阴极建立钨顶孔腐蚀模型，

模拟实验：保持模拟用空心阴极钨顶孔的孔径均值为0.35mm，将模拟用空心阴极放入钨顶孔腐蚀模型中进行n次模拟，获得每次模拟的空心阴极钨顶孔内部气压随时间的变化曲线，n为正整数，

退化试验：对每个待预测寿命的空心阴极进行高加速应力退化试验，记录空心阴极钨顶孔内部气压随时间的变化曲线，和每个待预测寿命空心阴极的试验寿命，

寿命预测：将退化试验获得的变化曲线与模拟实验获得的变化曲线进行比较，若二者一致，则将待预测寿命的空心阴极中钨顶孔内部压力最大和最小值的空心阴极作为标准空心阴极，将两个标准空心阴极所对应的寿命作为待预测寿命的空心阴极的寿命范围端点值，进而获得待预测寿命的空心阴极的寿命范围，完成寿命预测；否则重新进行退化试验。

模拟实验中，根据空心阴极钨顶孔内部气压随时间的变化曲线，获得同一时间内n次模拟的气压值的方差，该方差是收敛的。

模拟实验中n为20。

退化试验中对每个待预测寿命的空心阴极进行10小时高加速应力退化试验。

为了解决空心阴极寿命预测问题，根据空心阴极的失效机理，本发明提出一种基于钨顶孔短期实验的寿命预测方法。本发明提出了一种借助阴极钨顶孔的在寿命试验过程中的失效规律，结合理论模型进行仿真预测，利用特征参数离散度(方差)的变化情况评估阴极寿命的方法，用于解决阴极筛选、设计验证等诸多寿命评估方面的问题。

附图说明

图1为模拟实验中空心阴极钨顶孔内部气压随时间的变化曲线图；

图2为退化试验中空心阴极钨顶孔内部气压随时间的变化曲线图；

图3为空心阴极钨顶孔内部气压随时间变化的方差变化趋势图。

具体实施方式

空心阴极的失效形式主要有加热丝蒸发失效、钨顶孔扩孔腐蚀、发射体蒸发失效等。其中，钨顶孔对维持等离子体放电区域气压值，保证可靠点火和稳定工作等都有着极其重要的作用，一旦钨顶孔径发生了变化，阴极的整个特性也将随之发生明显变化，比如点火时间增长，震荡增大等，最终造成整个阴极因为无法点火或工作震荡过大而失效。下面利用以下实施方式具体说明钨顶孔径与阴极寿命之间的关系。

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于钨顶孔失效对电推进空心阴极的寿命预测方法，

利用comsol软件，对待检测的空心阴极建立小孔腐蚀模型，该实验模型可以看到气压变化情况、小孔腐蚀面貌。

利用该小孔腐蚀模型模拟实验元件的小孔腐蚀过程，钨顶孔腐蚀导致孔径变大，孔径变大导致内部气压变小，气压小到一定程度会造成整个阴极因为无法点火或工作震荡过大而失效。因此阴极的寿命与小孔的腐蚀相关。小孔的腐蚀对应着孔径的变化，小孔孔径变化影响了阴极内部气压，具体实验时无法直接测到小孔的具体腐蚀情况，因为其腐蚀与气压相关，具体实验中测量的为气压的变化，从而反映寿命问题。

n次模拟时，孔径初始值分别取值0.35mm上下，使其均值为0.35mm。模拟结束后，获得每次模拟的气压变化，计算同一时间n次模拟的气压值的方差变化情况。发现其方差是收敛的，越来越趋于一致。

模拟得到的空心阴极钨顶孔内部气压随时间的变化曲线，如图1所示，说明对于空心阴极小孔腐蚀而言，有着明显的减速腐蚀特征，即当腐蚀进行到一定程度后，腐蚀速率将降低到足够低的量级，甚至可以忽略不计。

对待检测的一批空心阴极进行高加速应力退化试验，退化试验采用0.35mm孔径，1mm孔深，空心阴极在7.8a大电流工况下循环工作10小时，供气流量采用3sccm，观察阴极的各项参数变化情况。

利用试验初期10h内的试验数据获得试验样本的特征参数的方差变化情况，这一过程为取实验数据值，计算得到均值方差，其中，特征参数为阴极管内部气压；

退化试验发现，这一批次的试验件的确是气压值的方差收敛，越来越趋于一致，证明comsol模拟的结果是可信的，规律是正确的,一批次阴极中小孔腐蚀过程中特征量(气压值)的离散情况随着时间发展是收敛的，即

其中，指的是同一批次阴极中，实验开始时，阴极内部压力值的上限；

指的是同一批次阴极中，实验开始时，阴极内部压力值的下限；

pt,n指的是同一批次阴极中，时间t时对应的阴极内部压力值的上限；

pt,n′指的是同一批次阴极中，时间t时对应的阴极内部压力值的下限。

因此，以与对应的寿命作为这一批次阴极的寿命范围，更为保守。将对应阴极实验初始内部气压值为与的钨顶孔进行高加速应力退化实验，获得两个寿命值，即为该批次阴极的寿命范围。

钨顶孔的主要失效方式有两种，高能离子轰击导致的钨顶孔扩孔腐蚀与高温蒸发导致的钨顶孔扩孔腐蚀。

高能离子轰击腐蚀速率比高温蒸发速率高两个数量级，因此忽略钨顶孔处的高温蒸发机理。本实施方式只考虑高能离子轰击腐蚀导致的钨顶孔扩孔腐蚀。

由于钨顶孔尺寸微小(直径小于1mm)，放电时物理过程极其复杂，但又无法通过现有的检测方法获悉其内部物理参数，这给钨顶孔的腐蚀过程研究带来了很大的困难。

目前主要是破坏性试验方法，即：将腐蚀过后的钨顶孔利用线切割等手段从中间切开放到显微镜下观察其小孔形貌，虽然能够获得最终小孔形貌但无法与钨顶孔的性能相对应，更无法获得整个寿命期间，小孔节流性能的变化过程，而这是基于性能退化试验方法中最为重要的基础数据。因此急需要一种可测的特征参数来表征随着寿命的增长小孔性能的退化过程。针对这一性能特征参数缺失的问题，本实施方式从小孔的宏观节流特性出发，提出了一种基于气压变化的小孔性能退化过程评估方法，即以阴极管内部气压作为小孔的性能特征参数，通过监测寿命期间小孔气压值的变化来评估小孔节流性能的变化。

实际上，大量实验证明了对于空心阴极小孔腐蚀而言，有着明显的减速腐蚀特征，即当腐蚀进行到一定程度后，腐蚀速率将降低到足够低的量级，甚至可以忽略不计。

为了验证这一过程，利用comsol(多物理场数值模拟)软件，对一个孔径为0.35mm的阴极建立小孔腐蚀模型，该模型在直流放电模块，层流模块，传热模块与之前的模型一致，只在数值上有差别，在此基础上腐蚀模型加入了变形几何体模块，以此来模拟小孔腐蚀过程。

根据comsol仿真模型里的气压随时间的变化数据，通过origin(函数绘图软件)中的指数拟合功能得到气压随时间变化的方程：

p＝p0+a*exp(-t/x)

其中，p0——小孔腐蚀速率降低到可以忽略的水平时阴极的放电气压，与阴极的工作特性及工作参数有关；

x——正常数，表征时间特征量；

a——加速应力水平有关的函数，表征退化速率；

对于不同的阴极，不同的工况条件下，特征参数的退化曲线形式一致，只是指数函数参数有所不同。