Page 90 - 《真空与低温》2025年第4期

高 斌等：薄壁多孔碳-碳复合材料栅极力学性能仿真与试验评价研究 505

0 引言 研究，成功研制并在轨应用了 LIPS-100、LIPS-200
及 LIPS-300 等型谱化离子推力器产品 。作者团
[9]
离子推力器是一种典型的电推力器，具有比冲
高、推力精度高等优势，承担着通信、遥感、导航 队依托 LIPS-100 离子推力器，基于栅极等效模型
等重大航天任务卫星平台的位姿控制、轨道转移 及 ABAQUS 有限元动力学模型研究了超薄 10 cm
[1]
等功能 。栅极组件是离子推力器的核心组件，典 碳-碳栅极 Grms 为 13.6g 随机振动响应、1 000g 加
型的双栅型栅极组件主要由屏栅与加速栅组成，具 速度冲击谱及多阶模态分析，为超薄碳-碳栅极复杂
有球面、薄壁、多孔等结构特性。栅极组件长期服 力学环境中薄弱结构失效问题提供了论证依据，对后
役于强电场、宽温域、大负载等极端工况，易出现 续碳-碳栅极产品的研制与定型提供了合理的建议。

形变、破损、放电烧蚀、溅射磨损等失效现象，严 1 碳-碳栅极动力学模型
重制约离子推力器性能迭代及寿命提升。碳纤维
现阶段主流的动力学模拟仿真研究一般是基
复合材料具有耐离子溅射好、抗高温冲击优、力学
于随机响应分析来模拟随机振动试验，通过响应谱
强度高等优势，是理想的离子推力器栅极组件应用
分析模拟冲击试验，通过模态分析研究固有频率变
材料，美国 NSTAR、NEXIS 等离子推力器、日本 μ10
[10]
化 。在传统静力学研究基础上需考虑结构惯性
离子推力器、欧洲 T6 离子推力器等均实现了不同
影响，对于 n 个自由度系统运动表达式一般如下：
口径碳纤维栅极组件的研制与验证 [2-4] ，我国在轨离
子推力器栅极均采用金属钼材料，考虑到潜在的空 [M]{¨x}+[C]{˙x}+[K]{x} = {F(t)} （1）
间任务需求，需对碳纤维栅极组件进行预研分析。 式中： M、C、K依次为分析对象质量、阻尼及刚度
离子推力器搭载星体上升过程中由于气流波 矩阵；x 为位移响应；F 为激励力向量，对上式两边
动、火箭推进及爆炸螺栓影响，会产生高能量振动 进行傅里叶变换，得到频响函数矩阵如下：
2
与冲击，由于栅极具有薄壁多孔特殊结构特性，需对 H(ω) = (−ω [M]+iω[C]+[K]) −1 （2）
[5]
其力学薄弱点进行分析。Polaha 等 基于 ABAQUS 多体动力学中自由运动振型方程如下：
2
仿真平台对 HIPEP 离子推力器栅极进行宽范围频 ([K]−ω n [M]){X i } = {0} （3）
率 Grms 为 10g 级随机振动分析及正弦振动分析； 式中： ω n为各阶固有频率； {X i }为各主振型。进而
Snyder 等 以 NSTAR 离子推力器为研究对象，开 得振型矩阵 [X N ] 将其进行坐标变换可得式（4）微分
[6]
[7]
展 Grms 为 9.1g 随机振动分析；Haag 等 通过 30 cm 方程：
2
双栅型碳-碳栅极组件力学测试，屏栅与加速栅一 ¨ q Ni +2ζ i ω i ˙q Ni +ω i q Ni = F Ni (t) （4）
阶模态频率分别为 504 Hz 及 664 Hz，Grms 为 9.3g 式中： ζ i = C Ni /2ω i为不同阶阻尼比； ωi 为系统第 i阶
随机振动试验后结构未失效。JPL 通过随机振动 共振频率；q N 为广义坐标，表示坐标位移； ˙ q Ni为 q Ni
i
测试探究了不同口径碳-碳栅极在 Grms 为 9.1g 随 相对时间一阶导数，即为速度； ¨ q 为 q N 相对时间二
i
Ni
[8]
机振动测试下的结构完整性 。我国碳基材料栅 阶导数，即为加速度。
极起步较晚，大多处于实验室论证试验阶段，兰州 依据单自由度系统方法对各正则化坐标下响
空间技术物理研究所长期致力于空间电推进技术 应进行分析如下：
1 w t −ξ i ω i (t−τ)
˙ q Ni0 +ξ i ω i q Ni0
−ξ i ω i t
q Ni = e (q Ni0 cosω d t + sinω d t)+ F Ni (τ)e sinω d (t −τ)dτ （5）
ω d ω d 0
1 w ∞
√
其中， ω d = ω i 1−ζ i ，其表示各阶频率 ω与固 S v (ω) = R v (τ)exp(−iωτ)dτ （6）
2
2π −∞
有频率 ω i逼近时，第 i阶正则坐标 q Ni的振幅最大达
冲击是指在随时间变化的载荷和速度作用下
到极值，对于 n 个自由度系统，会出现不同阶共振
设备结构的振动响应，由使用过程中遇到的非经常
[11]
姿态 。 性、非周期性的冲击力引起。冲击载荷所引起的
随机振动指无规则运动对设备产生的振动，随 最大反应依赖于脉冲的持续时间与结构固有周期
机振动在数学分析上不能用确切的函数来表示，只 的比值 t 1 /T ，应用如下的近似数学模型 ：
[12]
能用概率和统计的方法来描述其规律性。输入过 1 w t 1
∆˙x = F(t)dt （7）
程 v(t)的功率谱密度函数与它的自相关函数 R v (τ) m 0
间存在 Fourier 变换关系： 加载结束后的反应为自由振动：