Page 96 - 《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 511

4 抗力学推力器振动试验评价 高的应力安全系数，相比于等口径钼栅，1 000g 加
速度冲击下屏栅应力安全裕度为钼栅的 2.53 倍；
依据 10 cm 碳-碳栅极组件动载荷仿真响应及
（2）基于碳-碳栅极仿真安全裕度分析，调整原
栅间距调整结果，为对比实际模型抗力学环境响应，
栅极组件栅间距 0.80 mm 至 0.70 mm，理论上可提
在兰州空间技术物理研究所力学测试平台开展了
升等口径栅极离子推力器 10.52% 推力；
三向栅极组件力学冲击响应，LIPS-100 离子推力器
（3）碳-碳栅极组件力学冲击响应试验表明，
栅极组件抗力学评价系统如图 8 所示。
1 000g 加速度、Z 向冲击下，栅极组件双栅极间、栅
工程评价中一般通过特征阻值诊断做力学验
极与外壳间、栅极与阳极间特征阻值均大于 40 MΩ，
证，与栅极组件相关的特征阻值项主要为屏栅-加
满足特征阻值项设计要求；
速栅、屏栅-外壳等，试验后通过绝缘测试仪测试对
（4）两组态载荷下，最为苛刻的力学载荷为冲
应阻值结果如表 6 所列，由表 6 可知，栅极组件各
击响应谱，薄弱零件为屏栅，碳-碳栅极组件工程设
项特征阻值实测结果均满足设计技术要求，未发生
计中，应以加速度冲击响应下屏栅力学响应作为安
结构破裂及局部大变形现象，验证了抗力学环境冲
全设计指标。不同工况下碳-碳栅极组件安装耳片
击仿真响应分析的有效性及合理性。
位置均出现了较大应力集中现象，考虑到栅间距工
作稳定性要求，后续可在栅极安装耳片间设计减震
装置。
薄壁多孔碳-碳栅极设计力学安全裕度可满足
现离子推力器工作环境，具有较好的钼栅极可替代
性，是未来国内外离子推力器寿命延长、性能提升
的关键优化路径，本文研究成果对后续碳-碳栅极
研制与定型具有一定参考价值。
（a）10 cm 口径碳-碳栅极组件 （b）冲击试验平台
参考文献：
图 8 LIPS-100 离子推力器栅极组件抗力学评价系统
Fig. 8 LIPS-100 ion thruster grid component resistance
[1] 耿海，李婧，吴辰宸，等. 空间电推进技术发展及应用展望
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项目 测试电压（真空）/V 规定值/MΩ 实测值/GΩ
[3] JOVEL D R，WALKER M L R，HERMAN D，et al. Review
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of high-power electrostatic and electrothermal electric propul-
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屏栅-加速栅 2 500 ≥40 8.22
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进展 [J]. 真空与低温，2016，22（3）：125−131.
5 结论
[5] POLAHA J，MECKMEL N，WELANDER B，et al. Random
依托兰州空间技术物理研究所自研 LIPS-100 and sine-spectrum ibration testing of pyrolytic graphite ion
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极力学特性分析，通过 ABAQUS 有限元平台进行 Conference and Exhibit，2005.
了随机振动及冲击谱下碳-碳栅极应力及位移特性 [6] SNYDER J S，BROPHY J. Performance characterizationand
分析，与传统钼栅进行特性对比并进行了试验评价 vibration testing of 30 cm carbon-carbon ion optics[J]. 41st
研究，结果显示： AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulation Conference and
（1）10 cm 口径碳-碳栅极具有良好的结构刚性， Exhibit，2004.
两组动态载荷下均未出现结构失效问题，且具有较 [7] HAAG T，PATTERSON M，RAWLINV，et al. Carbon-based