离子发动机光学系统的粒子模拟

摘要

近年来,具有高比冲特性的离子发动机已广泛应用于各种航天任务如:同步轨道卫星的位置保持、阻力补偿、深空探测的主推进等。离子光学系统是离子发动机的关键部件,直接影响离子发动机的性能。通过建立数值模型对离子光学系统进行研究,在低成本的前提下,可预测推力器的性能,为推力器结构改进和新一代离子发动机设计提供参考。
　　本文建立了离子光学系统的三维数值模型,采用PIC方法模拟离子在离子发动机光学系统中的运动。栅极系统中的推进剂用模拟粒子代替。在计算域中,离子的初始位置在左边界,速度根据波姆判据确定。采用IFE方法求解泊松方程得到计算空间的电势分布,用插值法求出离子的电场力;粒子的运动方程满足牛顿第二定律。计算得到计算空间的电势分布、离子束密度分布、离子束流、栅极电流等。通过向PIC程序中加入蒙特卡洛碰撞模块模拟离子的电荷交换过程,计算得到交换电荷离子产生的栅极电流,并统计出撞击到加速栅极上的信息包括离子数量、位置、速度。基于三维数值模型建立了加速栅极下游表面和孔壁腐蚀模型。计算出离子都加速栅极下游和孔壁的腐蚀深度。通过模拟与实验数据比较验证了PIC程序和PI-MCC程序的正确性。通过对比得出:PIC程序能准确地模拟离子的引出过程,PIC-MCC能较好的模拟电荷交换过程。

目录

离子发动机光学系统的粒子模拟

PARTICLE SIMULATION OF THE OPTICALSYSTEM IN ION THRUSTER

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 离子发动机的研究背景和意义

1.2.1 课题来源

1.2.2 电推进技术

1.2.3 研究背景和意义

1.3 离子发动机发展概况

1.4 主要研究内容

第2章 离子光学系统的模拟方法

2.1 离子发动机的工作原理

2.2 离子光学系统的基本理论

2.3 PIC算法

2.3.1 PIC算法简介

2.3.2 离子的初始状态和运动边界

2.3.3 离子的运动方程

2.3.4 电荷分配与电场求解

2.3.5 电场求解

2.3.6 简化PIC与标准PIC算法

2.4 本章小结

第3章 离子引出过程的数值模拟

3.1 无量纲化与参数设置

3.2 计算域选取与边界设置

3.2.1 边界设置

3.2.2 计算域设置

3.3 网格设置

3.4 离子运动模拟

3.5 计算结果分析

3.6 本章小结

第4章 加速栅极腐蚀的数值计算

4.1 电荷交换过程

4.2 腐蚀模型计算

4.3 模拟结果分析

4.4 本章小结

第5章 数值模型的验证

5.1 粒子光学系统模型设置

5.2 离子引出过程的程序验证

5.3 电荷交换程序的验证

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢