Page 113 - 《真空与低温》2025年第4期

528 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

试验发现寿命短板失效模式，再通过设计改进消除 题。为解决这一难题，离子推力器可靠性评估经历
或抑制短板失效模式磨损机理，实现离子推力器寿 了从定性到半定量、从半定量到定量评估的漫长
命的不断增长。 发展过程。在初期发展阶段，由于无法进行可靠性
（1）在离子电推进初期发展阶段进行的大量汞 定量评估，主要通过较高的寿命安全裕度来消除单
离子推力器寿命试验 [143-145，148，425-426] ，对提升推力器 子样寿命试验结果的不确定影响，以保证工程应用
工作寿命的主要贡献可归纳为两个方面 [142] ：一是 可靠性，安全裕度一般取 1.5 倍以上。在中期发展
用多孔栅代替线栅，用空心阴极代替热丝阴极，使 阶段，随着工程任务所需工作寿命的显著提高和昂
推力器验证寿命达到 8 000 h；二是采用高透明度曲 贵的地面长寿命试验验证成本，发展了基于少子样
面栅和抑制放电室溅射沉积物，扩展了推力器的宽 截尾寿命试验和寿命影响因素不确定度评估相结
范围调节能力，使推力器验证寿命达到 15 000 h。 合的半定量方法，并由此降低寿命裕度到了 1.25
（2）进入中期发展阶段以后，用氙气替代汞推 甚至更低。从满足未来航天工程应用的角度看，对
进剂，显著提高了离子电推进与航天器之间的兼容 离子推力器的寿命需求可能长达 10 万小时，再加
性。用环切场放电室替代发散场放电室，消除了阴 上高功率工况下对地面寿命试验设备的要求，沿用
极极靴和挡板的腐蚀问题，进一步提高了推力器的 以往的可靠性评估方法已经变得不现实。为此，从
效率和工作寿命。特别是降额工作模式的实施，极 中期发展阶段开始到当代发展阶段基本完成，建立
大缓解了离子推力器栅极的离子溅射腐蚀程度，再 了离子推力器可靠性定量评估方法 [429，437-449] 。
加上耐溅射的碳基材料栅极、进一步缓解交换电 针对具体工程任务的离子推力器可靠性定量
荷离子溅射的三栅极等，使得离子推力器寿命达到 评估方法的基本步骤为 [328，438] ：①基于最坏寿命试
15 000～50 000 h。正如当前发展阶段各国专项寿 验结果及寿命预测模型，确定每个失效模式相对于
命试验所验证：XIPS-13 达到 21 058 h [233] ，XIPS-25 工程任务需求的保守评估寿命裕度，对保守评估寿
达到 16 250 h [234] ，NSTAR-30 达到 30 352 h [427] ，RIT-10 命裕度大于 1.5 的失效模式不进行可靠性定量评
达到 20 000 h [107] ， ISE-12 达 到 16 041 h [238， 313] ， μ-10 估；②对保守评估寿命裕度小于 1.5 的失效模式，
达到 20 000 h [285， 428] ， NEXT-36 达 到 51 184 h [429-430] ， 应用裕度与不确定度量化（QMU）分析方法，进行
LIPS-200 达到 14 649 h [27，431] 等。 基于寿命模型预测寿命的不确定度分析，裕度与不
（3）在当前发展阶段，除了进行长寿命试验验 确定度比值 M/U >1.0 的失效模式称为工程安全失
证外，还发展了极限寿命综合评价方法，该方法的 效模式，对工程安全失效模式不再进行可靠性定量
主要步骤包括： ①获取空心阴极和栅极等关键组 评估，M/U ≤1.0 的失效模式称为工程关键失效模
件的磨损特性；②获取推力器的磨损特性；③为关 式，对工程关键失效模式进行可靠性定量评估；
键组件和推力器寿命模型提供检验数据；④结合寿 ③进行工程关键失效模式可靠性定量评估时，首先
命模型和寿命评价综合试验数据，预测离子推力器 根据工程经验和内在机理，确定寿命预测模型中各
极限寿命或者完成具体任务的寿命裕度。例如英国 变量参数的取值范围及分布模型，然后对所有变量
的 T6 推力器针对水星探测任务综合评估的极限寿 参数进行抽样计算对应的推力器工作寿命，如此重
命为 17 740 h [432] ，中国 LIPS-300 综合评估的极限寿命 复进行抽样及工作寿命的计算，获得足够多的离子
为 32 000 h [328] ，德国 RIT-22 在 150～175 mN 范围内 推力器工作寿命数据，最后对全部工作寿命数据进
综合评估的极限寿命为 28 500～22 200 h 范围 [433] ，美 行威布尔三参数分布的统计拟合，得到对应工程关
国 XIPS-25A 综合评估的极限寿命为 442 700 h [434-435] 。 键失效模式对应的工作寿命分布函数，由此分布函
面对长寿命、高比冲、大功率、多模式离子推 数直接获得对应工程需求工作寿命下的推力器工
力器的产品研制需求，为有效解决离子推力器寿命 作可靠度结果。
试验的高成本、长周期、低效率、高风险及其试验 离子推力器可靠性定量评估方法已经应用于
结果低置信度等突出问题，迫切需要在寿命试验方 多个离子推力器 [429，437-449] ，以下简要介绍一些典型
法和技术上取得新突破 [142，436] 。 应用：

5.9.2 可靠性量化评估技术发展及应用 （1）美国 JPL 最早对离子推力器工作寿命进行
各类氙离子推力器的失效模式多达十几种 [437-438] ， 了概率性可靠性评估，1997 年前后针对 NSTAR 离
由此导致离子推力器工作可靠性评估成为一大难 子推力器及 DS-1 航天器工程应用，完成了对屏栅