栅极系统电子返流是离子推力器寿命的主要失效模式之一。以20 cm Xe离子推力器地面运行测试数据为基础,结合离子推力器栅极系统电子返流失效机理,预测了离子推力器在地面测试环境中和空间飞行环境中栅极系统电子返流对寿命的影响。预测结果表明:20 cm Xe离子推力器在地面试验环境中和空间飞行环境中的预期寿命分别为6 600 h和17 000 h。
针对现有离子推力器栅极系统束流引出分析中未考虑放电室等离子体密度均匀性影响的不足,基于数值方法对该问题进行了研究。采用单元内粒子(Particle In Cell,PIC)方法对栅极系统束流引出进行了数值模拟。PIC方法中电场求解采用有限差分方法,离子加速方法采用跳蛙格式。以国产20cm Xe离子推力器作为算例,计算得到了栅极中心和边缘孔引出束流离子和电场的分布。结果显示栅极中心孔相对边缘孔束流聚焦性好,束流发散角小,但中心孔轴线的鞍点电势较边缘孔高24.8V。因此,放电室等离子体密度分布对束流引出具有重要影响,电子返流现象最先出现在栅极中心位置。
