电推力器中双阶栅极系统数值模拟及实验研究

摘要

本文阐述了电推进技术相较于化学推进的优缺点，并对电推进技术的原理及基本组成进行了总结。作为最成功的电推力器之一，栅极离子推力器在近几十年来得到了越来越广泛且细致的研究。而随着各种新型空间任务的提出，电推力器系统将向着大功率、高比冲方向发展。针对传统栅极离子推力器中加速与引出过程相互耦合的问题，学者提出了双阶栅极的概念，将离子的引出和加速过程分离，从而大幅提高栅极离子推力器的比冲。 双阶栅极系统作为一种新型的栅极结构，对其进行仿真模拟工作十分必要。本文根据国内外对双阶栅极系统开展的初步研究和相关基础理论进行归纳总结，并对栅极系统开展PIC/MCC仿真工作。PIC/MCC方法是等离子体输运和电推进领域常用的基于粒子动力学的数值模拟方法，它采用“宏粒子”的概念接近真实地对等离子体的输运过程进行描述。此外，针对PIC/MCC方法计算量较大的问题，本文提出了一种求解复杂电场的三维并行算法，加快PIC方法中每一时间步的电场求解速度，从而提高计算效率。 本文在对等离子体在栅极系统中的输运过程进行初步计算之后，针对以Xe为工质的高比冲双阶栅极系统进行结构优化，具体包括栅极孔径、厚度、间距、电压的影响情况，使得推力、比冲性能得到提升，发散角损失减小。此外，提高了束流准直性，并大幅降低了栅孔轴线处的离子数密度，改善了聚焦过度的问题。对不同工质气体在相同栅极结构条件下的输运特性进行了对比分析。 基于优化后的栅极结构，设计加工出一套完整的双阶栅极，以电子回旋共振离子源作为等离子体产生装置，开展相关放电实验研究。电离室口径40mm，与栅极板开孔区域相同。微波源工作频率为5.6GHz，在90V的引出电压条件下离子束被较好地引出，并得到了不同屏栅电压条件下的羽流形貌，随着电压的改变，推力器的聚焦性能也发生变化。使用法拉第筒对推力器引出的离子电流进行了收集，间接得出了双阶栅极离子推力器的性能参数。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 电推进概述

1.2.1 电推进系统原理及分类

1.2.2 电推进系统的基本组成

1.3 离子推力器概述

1.3.1 工作原理

1.3.2 栅极系统

1.4 双阶栅极离子推力器概述

1.4.1 双阶栅极离子推力器原理

1.4.2 国内外研究现状

1.5 论文研究内容

2 数值模拟方法

2.1 数值模拟方法概述

2.2 PIC方法的基本理论

2.2.1 初始化宏粒子

2.2.2 粒子插值分配

2.2.3 电磁场求解

2.2.4 粒子运动

2.2.5 稳定性条件

2.3 碰撞处理方法

2.3.1 MCC方法概述

2.3.2 碰撞类型选择及碰撞后处理方式

2.3.3 本文中工质气体的碰撞截面

2.4 本章小结

3 一种求解复杂电场的三维并行算法

3.1 泊松方程及分组显式格式

3.1.1 三维泊松方程

3.1.2 分组显式格式

3.2 并行超松弛算法流程

3.2.1 区域分解

3.2.2 迭代算法

3.2.3 OpenMP模块

3.3 数值算例

3.3.1 柱形IEC装置计算

3.3.2 球形IEC装置计算

3.4 本章小结

4 高比冲双阶栅极系统仿真模拟及优化

4.1 初始参数设置

4.1.1 仿真区域

4.1.2 等离子体描述

4.1.3 边界条件

4.1.4 时间步长设置

4.1.5 栅极电压设置

4.2 仿真结果

4.2.1 等离子体参数分布

4.2.2 流场分布

4.3 栅极系统参数优化

4.3.1 初始性能参数

4.3.2 栅极孔径的影响

4.3.3 栅极厚度的影响

4.3.4 栅极间距的影响

4.3.5 栅极电压的影响

4.3.6 优化结果

4.4 Ar工质条件下的仿真

4.4.1 不同工质气体的特性分布比较

4.4.2 不同加速电压的影响

4.5 本章小结

5 双阶栅极系统实验研究

5.1 实验装置

5.1.1 高真空实验平台

5.1.2 电子回旋共振离子源

5.1.3 双阶栅极系统

5.1.4 RPA分析仪

5.1.5 法拉第筒

5.2 高真空双阶栅极系统放电实验

5.2.1 实验工况设置

5.2.2 真空放电观测

5.2.3 推力器性能测试

5.2.4 结果分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文内容总结

6.2 未来工作展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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