新研究计算出预测电力空间推进系统寿命的第一步

电力空间推进系统使用带电原子产生推力。高速离子束撞击推进器的石墨表面，每次撞击都会对它们造成更多侵蚀，这是系统寿命的主要限制因素。当离子推进器在封闭腔室中进行地面测试时，石墨腔室壁上的碳颗粒也会重新沉积回推进器表面。这改变了推进器的测量性能特征。

伊利诺伊大学香槟分校的研究人员使用低压室实验和大规模计算的数据开发了一个模型，以更好地了解离子侵蚀对碳表面的影响——这是预测其失效的第一步。

“我们需要准确评估石墨上的离子侵蚀率以预测推进器寿命，但测试设施报告了不同的溅射率，导致预测存在很大的不确定性，”博士 Huy Tran 说。UIUC航空航天工程系学生。

Tran 表示，很难在实验室腔室中复制空间环境，因为很难构建足够大的腔室来避免腔室壁上的离子表面相互作用。尽管石墨通常用于推进器中的加速器格栅和极盖，但对于哪种类型的石墨最耐侵蚀(称为溅射)尚未达成一致。

“在腔室中测试离子推进器的根本问题是，推进器不断地吐出氙离子，这些氙离子也会影响由石墨板制成的腔室壁，但太空中没有腔室壁，”Tran 说。“当这些氙离子撞击石墨板时，它们也会溅射出碳原子，这些碳原子会重新沉积在加速器网格上。因此，网格并没有因为推进器腐蚀而变得越来越薄，而是一些人在实验中发现网格随着时间的推移变得越来越厚，因为碳从腔室壁返回。”

模拟解决了实验数据的局限性和不确定性，研究人员深入了解了一个关键现象。

“无论是网格离子光学器件上的热解石墨、极盖上的各向同性石墨，还是室壁上的 poco 石墨或各向异性石墨，我们的分子动力学模拟表明，所有这些不同的参考结构的溅射速率和机制都是相同的， ” Tran 的顾问Huck Beng Chew说。

他说，溅射过程在轰击过程中创造了一种独特的碳结构。 观看一段模拟视频，该视频显示了氙离子以超音速运动并影响碳结构的特写视图。

“当离子到来并破坏表面时，它们会将表面转变成类似无定形的结构，而不管最初的碳结构如何，”Chew 说。“你最终会得到一个具有相同独特结构特征的溅射表面。这是我们从模拟中观察到的主要发现之一。”

Chew 说他们甚至用钻石试过。尽管初始孔隙率低得多且键合结构更坚固，但它们得到了相同的溅射结构。

“我们开发的模型将分子动力学模拟结果与实验数据联系起来，”Chew 说。“接下来我们要研究的是随着时间的推移，随着越来越多的氙离子进入系统，表面形态的演变。这与用于深空探索的离子推进器有关。”

该研究是宇航局 联合高级推进研究所中心的一部分，该中心 包括九所大学的研究人员，包括 UIUC 航空航天工程学院的 Chew、Debbie Levin 和领导伊利诺斯州团队的 Joshua Rovey。

模拟是使用 NCSA 的 Delta执行的，它是伊利诺伊州的一个超级计算设施。

论文“表面形态和碳结构对溅射的影响：分子动力学模拟和实验之间的桥梁”，由 Huy Tran 和 Huck Beng Chew 撰写。它发表在《 碳》杂志上。