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510 真空与低温 第 31 卷 第 4 期

离子推力器推力与栅极栅间距可建立以下数 3.4 碳-碳栅极与钼栅极冲击响应谱对比
学模型： 由 LIPS-100 薄壁多孔碳-碳栅极随机振动与冲
8 √ V 2 击响应谱仿真分析结果可以看出，等口径栅极组件
T max = ε 0 γT s A g R T （13）
9 d 2 s 下，冲击较随机振动响应谱更为显著，结构破坏风
(L g +t s ) +
2
4
险更大。
−12
式中：ε 0 为真空介电常数，取 8.854 2×10 F/m；γ 为
为进一步探究碳-碳栅极与传统金属钼栅极力
推力补偿系数，取 0.958；T s 为屏栅透明度；A g 为栅
学性能差异，通过等口径、等球面参数钼栅极组件
极有效面积；R 为电子电量与离子质量比；V T 为总
进行上述冲击响应谱分析，提取栅极组件屏栅与
加速电压；L g 为有效栅间距；t s 为屏栅厚度；d s 为屏
加速栅 Mises 应力与最大形变如图 7 所示，由图 7
栅孔径。工程经验中，钼栅组件初始栅间距一般设
可 知， 屏 栅 应 力 极 值 为 110.3 MPa， 最 大 位 移 为
定为 0.8～1 mm，栅间距波动量为 0.3～0.5 mm，结
合碳-碳栅极冲击响应分析结果，调整碳-碳栅极初 0.521 6 mm，加速栅应力极值为 59.59 MPa，最大位
装栅间距，将原钼栅间距（0.80 mm）调整为碳-碳复 移为 0.301 6 mm，栅极应力集中位置处于安装耳处，
合材料栅间距（0.70 mm），由式（13）可知，理论上可 最大变形位置均位于栅极中心，与碳-碳栅极仿真
提升 10.52% 推力。 结果一致。

Mises应力/MPa Mises应力/MPa
（Avg: 75%） （Avg: 75%）
110.3 59.59
101.3 54.64
92.26 49.68
83.24 44.73
74.22 39.77
65.20 34.82
56.18 29.86
47.15 24.91
38.13 19.95
29.11 15.00
20.09 10.04
11.07 5.089
2.046 0.134 5
（a）Z 向载荷屏栅 Mises 应力 （b）Z 向载荷加速栅 Mises 应力
变形位移/mm 变形位移/mm
0.521 6 0.301 6
0.498 9 0.292 2
0.476 2 0.282 9
0.453 5 0.273 6
0.430 7 0.264 3
0.408 0 0.254 9
0.385 3 0.245 6
0.362 5 0.236 3
0.339 8 0.226 9
0.317 1 0.217 6
0.294 3 0.208 3
0.271 6 0.198 9
0.248 9 0.189 6
（c）Z 向载荷屏栅最大形变 （d）Z 向载荷加速栅最大形变
图 7 冲击响应谱下钼栅极屏栅与加速栅力学响应
Fig. 7 Mechanical response result of molybdenum grid components under impact response

由碳-碳栅极与钼栅极仿真结果可知，球面参数 裕度为钼栅的 2.53 倍。

一致条件下，屏栅由于透明度更高、厚度更小，更易
表 5 LIPS-100 碳-碳栅极与钼栅组件屏栅
出现结构失效。因此，工程设计中，应以冲击载荷下
冲击响应特性对比
屏栅响应作为栅极设计指标，对比分析 10 cm 口径 Tab. 5 Comparison of screen grid impulse response param-
碳-碳栅极与钼栅极屏栅冲击响应特性如表 5 所列。 eters between carbon-carbon grid and molybdenum
冲击动态载荷响应下，碳-碳栅极及钼栅极组 grid components
件屏栅应力安全系数均大于 1，不存在破坏性应力， 栅极屏栅 应力极值/MPa 位移/mm 应力安全系数
相比于传统钼栅，碳-碳栅极动态响应下安全裕度 碳-碳栅极屏栅 2.14 5.767×10 −3 5.11
明显高于钼栅，1 000g 加速度冲击下应力系数安全 钼栅极屏栅 110.3 0.521 6 2.02