Page 88 - 《真空与低温》2025年第5期

李 婧等：基于非齐次泊松过程的离子推力器可靠性分析 627

0 引言 环模式，每 500 h 作为一个试验小节，其间击穿次
数随试验时间的累积分布情况如图 1 所示。
电推进是实现遥感、深空探测、载人航天等领

域重大专项任务的核心技术基础，而离子推力器作为 250
[1]
电推进系统的核心单机，直接决定了任务成败 。因
200
此，开展离子推力器服役可靠性分析是十分必要的。
现有研究主要从失效模式出发，结合失效机制 150
的进一步分析，基于反应论模型、应力强度模型以 累积击穿次数 100
及累积损伤模型等典型失效物理模型 ，借助数值
[2]
仿真 等手段开展可靠性评估。而对于离子推力 50
[3]
器来讲，其产品开发投入大，生产批量小，技术范围 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
广，结构、工艺繁杂，系统集成度高，具有复杂产品 试验小节
[4]
特征 ，且服役过程中伴随着冲击振动、电磁辐射、
图 1 各试验小节累积击穿次数
高低温交变等苛刻的环境条件，这就不可避免地导
Fig. 1 Cumulative number of breakdowns with test segment
致了离子推力器失效模式的多样性和失效机制的
复杂性。因此，采用失效物理模型进行离子推力器 从图 1 可以看出，击穿事件的发生率表现出明
可靠性评估会存在模型维度较高、难以获得确定 显的时倚特征，即击穿发生率是依赖于时间的分布
解析解等现实困境。基于上述分析，本文在收集历 函数，因此可用非齐次泊松过程（Non-homogeneous
史试验数据的前提下，结合离子推力器故障发生率 Poisson Process，NHPP）描述这一特征 [6-8] 。根据文
随时间的变化特征进行模型拟合和参数估计，并 献 [9] 对电击穿发生机制和后果的描述可知，离子
借助故障强度模型进行离子推力器的可靠性评估。 推力器非预期电击穿的发生会直接影响其服役可
1 离子推力器故障强度模型拟合及参数估计 靠性，除了可恢复的束流中断外，非预期电击穿还
会因破坏稳定放电条件而导致推力器连续稳定推
离子推力器非预期电击穿是影响其工作可靠
力输出状态被破坏，此时可认为离子推力器发生了
性的重要问题之一，主要表现为原本绝缘良好的电
故障。故障强度在实际应用中表示设备在单位时
极之间出现电流且电压快速降低的现象。非预期
间内发生故障的次数，则其倒数表示设备一次故障
电击穿发生机制较为复杂，其影响及危害是多方面
所经过的时间。因此，采用故障强度这一概念来
的，若不加以控制，轻则导致推力器暂时性的输出
描述推力器服役过程中非预期电击穿的发生频率。
中断，重则导致中和器和放电室熄弧、栅极永久短
常见装备故障强度 λ(t)的曲线大致可以分为浴
路以及配套 PPU 单机失效等不可逆的损伤，进一步
盆曲线、威布尔曲线、直线型曲线和恒定故障率曲
导致任务全面失败。因此，在设计之初就必须针对
线 4 种类型 [10-12] 。各类型曲线的故障强度函数依次
性地进行可靠性和安全性设计，为避免电击穿发生
表示为式（1）～（4）。
保留足够的安全裕度，并在服役过程中设置合理的
浴盆曲线（ β和 η为模型参数）：
击穿保护流程以恢复输出。在这种情形下，考虑电
( ) β−1 ( ) β
击穿现象的离子推力器可以看作是一个可修系统， β t t
λ(t;η,β) = exp （1）
其故障发生满足随机过程特征。因此，本文后续拟 η η η
结合推力器地面试验故障数据，依据随机过程理论 威布尔曲线（ ξ和 m为模型参数）：
( ) m−1
建立其故障过程的数学模型，并由故障强度相关函 m t
λ(t;ξ,m) = （2）
数给出故障强度曲线及平均故障间隔时间的估计 ξ ξ
值，由此进行离子推力器的可靠性分析。 线性递增函数（ a和 b为模型参数）：
考虑离子推力器产品和技术成熟度、数据覆 λ(t;a,b) = at +b （3）
盖周期、数据信息完整性等因素，本文选择 LIPS- 指数分布函数（ θ为模型参数）：
200 离子推力器的击穿数据作为基础分析数据 。 1
[5]
λ(t;θ) = （4）
LIPS-200 离子推力器 12 000 h 地面试验中采用单 θ
一工况，试验过程中采取工作 2 h、关机 0.5 h 的循 基于上述常见的故障率曲线，结合离子推力器