离子推进器羽流电磁特性的PIC/MCC模拟研究

摘要

离子推进器具有比冲高、寿命长等优势，已经应用于GEO卫星位置保持、轨道转移、姿态控制、深空探测等航天任务中。离子推进器羽流中交换电荷离子速度较低，受羽流中自洽电磁场作用影响较大，交换电荷离子的回流会影响航天器的寿命以及性能。因此，对离子推进器羽流特性的研究至关重要。目前，对羽流研究方法很多，其中数值模拟方法是一种快速高效的方法。
　　本论文采用2D3V电磁PIC/MCC模型对离子推进器羽流特性进行了数值模拟研究，考虑了带电粒子的输运、时变电磁场的演化、带电粒子与电磁场自洽的相互作用、电荷交换碰撞以及中和器阴极的中和等物理过程。
　　本论文的研究工作包括：
　　1.首先简要概述了电推进的应用背景；其次阐述了离子推进器工作原理，离子推进器羽流主要组成部分，指出对羽流研究的重要意义；最后介绍了现有的羽流研究方法和国内外羽流数值模拟研究动态；
　　2.概述了模拟羽流的三种数值模拟方法：粒子模型、流体模型和混合模型。通过对已有羽流数值模拟研究工作的总结，得出目前羽流数值模拟研究大多采用静电模型，并未考虑羽流电磁效应以及时变电磁场对羽流的影响的结论，由此本论文采用电磁PIC/MCC模型对羽流展开数值模拟研究；
　　3.针对离子推进器羽流数值模拟研究需求，建立了二维轴对称柱坐标系物理模型，确定了2D3V电磁PIC/MCC的模拟模型，并详细推导了模拟算法，其中主要包括：由麦克斯韦方程组求解羽流时变电磁场；利用伯兹奥尔-兰登方法求解带电粒子运动；采用Zigzag方法求解电流源；蒙特卡罗方法模拟粒子间的碰撞过程；
　　4.在数值模拟软件BUMBLEBEE的基础上开发了离子推进器羽流二维求解器。运行求解器，得到了带电粒子的输运过程、时变电磁场和电流源的演化过程，并详细分析了交换电荷离子的回流运动情况以及中和器阴极的电子中和束流离子的过程。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 电推进的应用背景及简介

1.2 离子推进器基本原理

1.3 羽流研究现状

1.4 主要工作与创新

1.5 论文的结构安排

第二章 羽流数值模拟综述

2.1 粒子模型

2.2 流体模型

2.3 混合模型

第三章 羽流电磁PIC/MCC的模拟算法

3.1 电磁场的求解

3.2 粒子运动求解

3.3 电流源的求解

3.4 吸收边界处理

3.5 电荷交换碰撞

3.6 快速模拟技术

3.7 羽流数值模拟流程

3.8 本章小结

第四章 羽流数值模拟结果与分析

4.1 物理模型

4.2 初始静电场

4.3 粒子空间分布

4.4 电磁场分布

4.5 本章小结

第五章 全文总结与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果