离子推力器羽流特性的粒子模拟

采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。     

离子推力器加速栅极离子运动规律的数值研究

 以离子推力器栅极组件为研究对象,建立了3维数值模型,应用网格质点法研究了束流离子和电荷交换离子在栅极组件间的运动规律。根据给定的几何和物理参数,模拟得到了栅极组件附近的电势分布、束流离子和电荷交换离子的运动轨迹、速度相空间分布以及加速极电流等。模拟结果表明：加速栅极下游产生的电荷交换离子在电场的作用下会加速撞击加速栅极下游面,是造成加速栅极腐蚀的主要因素;栅极间产生的电荷交换离子会撞击到加速栅极孔壁面,使加速栅极孔逐渐增大。     

图形处理器并行计算用于离子发动机粒子模拟

 为了研究离子发动机羽流对航天器的影响,采用质点网格-蒙特卡罗碰撞方法对离子发动机羽流中的交换电荷离子进行了模拟。利用计算设备统一架构技术,开发出一套基于图形处理器的并行粒子模拟程序。随机数生成采用并行MT19937伪随机数生成器算法,电场方程使用完全近似存储格式的代数多重网格法求解。r-z轴对称坐标系中,在z=0 m处获得的电流密度均值为4.5×10^-5 A/m²,图形处理器所得结果与中央处理器模拟结果吻合。在16核心的NVIDIA GeForce 9400 GT图形显示卡上,取得相对于Intel Core 2 E6300中央处理器4.5~10.0倍的加速比。     

离子推力器推力密度特性

离子推力器推力密度分布对航天器轨道维持和修正具有重要影响.采用粒子模拟-蒙特卡罗碰撞方法模拟束流等离子体输运过程,分析束流多组分粒子喷出数量和速度等微观参数,并计算得到单孔束流推力,结合放电室出口等离子体密度分布,进一步对推力密度分布特性分析,最后开展实验验证.研究结果显示:束流中单价离子、双荷离子以及交换电荷离子的推力贡献比分别为84.63%,15.35%和1.82%,可见推力主要来源于束流中的单价离子和双荷离子,交换电荷离子对推力贡献很小;推力密度分布具有较好的中心轴对称性,从推力器中心沿着径向先快速下降后趋于缓慢;与实验结果对比,经验模型相对误差约为4.1%,数值模型相对误差约为2.8%,相比经验模型,数值模型具有更好的准确性.研究结果可为离子推力器推力密度分布均匀性等优化提供参考.     

气体放电空心阴极鞘层氩离子的蒙特-卡罗模拟研究

建立了气体放电空心圆筒阴极鞘层离子的自洽蒙特-卡罗模拟模型,对鞘层区内离子的输运过程进行了研究。考虑了离子与中性原子的电荷交换碰撞和弹性散射,用到了精确依赖于离子能量的电荷交换和动量输运截面。模拟了氩离子在空心阴极鞘层中的运动,得到了不同放电条件下自洽电场分布,离子的能量分布,角分布以及电子密度分布和离子密度分布。计算结果表明:离子在由鞘层边界向阴极运动过程中,离子能量分布的高能部分逐渐增大,角分布向小角度部分压缩,鞘层中的强电场对离子起加速和聚焦作用;在鞘层内离子密度分布比较均匀,只是在鞘层边界附近变化 关键词：     

线型离子阱中空间电荷效应的理论分析

线型离子阱中的离子在射频场作用下做宏观的久期运动,久期运动频率与实验参数有关.但当离子阱中囚禁大量同种电荷的离子时,空间电荷效应会导致离子间存在相互排斥的库仑力,使离子的运动频率发生漂移.本文通过求解泊松方程计算了空间电荷产生的附加电场的解析表达式,在小振动近似下理论计算了该附加电场对久期运动频率的影响,模拟了不同离子云中心密度下久期频率的漂移,讨论了离子云的数目、温度与实验参数之间的关系.对用离子阱进行的频标实验、碰撞实验和其他方面的研究都具有重要的指导意义.     

铯离子/原子与金属表面电荷交换的计算

用Ｎｅｗｎｓ－Ａｎｄｅｒｓｏｎ量子模型，计算了低能铯离子与涂有铯原子的钨表面（Ｃｓ／ｗ（１１０））碰撞时，由于电荷交换引起的末态电荷态的分布与Ｃｓ／Ｗ（１１０）表面功函数及表面温度的关系，计算结果与相应的实验符合得较好。同时，也给出了铯离子和原子与Ｃｓ／Ｗ（１１０）表面相互作用过程中粒子电荷态变化的全过程，并对两者作了比较． 关键词：     

原子和离子间激光感生碰撞电荷交换的微扰理论

将激光感生碰撞电荷看作一个四体系统，发展了激光感生碰撞电荷电荷的微扰理论，以独立原子和离子的复合态波函数作为激光感生碰撞体系的基组函数，得到了体系态振幅的运动方程。利用激光感生碰撞电荷交换的微扰理论，对Ｃａ＾＋－Ｓｒ间激光感生碰撞电荷交换进行了数值计算，并与Ｇｒｅｅｎ等人的实验结果进行了比较。     

电子束离子阱对中性气体电荷交换的光谱诊断

在实验室天体物理研究中,电子束离子阱(EBIT)是极端紫外(EUV)和X射线波段能谱分析的重要实验平台,其中EBIT中心残余的中性气体对离子产生存在显著影响。研究了阱区中心残余中性气体对电荷态分布的影响,发现阱区中心残余中性气体和高电荷态离子之间的电荷/能量交换过程不仅影响离子的电荷分布, 而且对激发函数(离子分布比例随电子能量关系曲线)有着极大的影响。利用电离平衡分析方法成功诊断出阱区中心区域残留的中性气体分子数密度,以及内腔室的真空度。     

单链表在离子发动机光学系统粒子模拟中的应用

 目前离子发动机光学系统数值模拟大多采用PIC方法，由于该方法需要跟踪单个粒子的运动，因此需要存储每个粒子的位置信息与运动信息。传统的粒子模拟程序中，保存粒子信息大多采用数组的方式，但是采用这种方式存在弊端，例如对粒子总数变化的自适应不好。基于此开发了一种使用链式存储结构的粒子模拟程序，该程序使用带头节点的单向链表存储粒子信息。使用基于链式存储结构的PIC方法对离子发动机光学系统进行了粒子模拟，验证了链式粒子信息存储方法在粒子模拟中的可用性。模拟表明：（1）在粒子模拟中采用链式存储结构存储粒子信息，无需预先指定最大粒子总数，程序可自适应粒子总数的变化，因此无需进行试算，节省了计算时间；（2）在粒子模拟中采用链式存储结构，由于不存在内存资源的浪费，因而可显著提高程序的存储效率与计算效率。     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响

为了研究30 cm离子推力器束流引出状态对栅极刻蚀的影响,建立了束流引出模型,并采用PIC-MCC方法对CEX离子造成的栅极腐蚀速率进行了计算,最后将计算结果与1500 h寿命试验结果进行比对分析。结果显示:束流正常聚焦时,在3 kW和5 kW两种工作模式下,加速栅和减速栅的质量刻蚀速率分别为(1.11～1.72)×10?15 kg/s及(1.22～1.26)×10?17 kg/s。在5 kW工况下,当屏栅上游等离子体密度达到4.03×1017 m?3时,束流出现欠聚焦现象,此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为4.33×10?15 kg/s和4.02×10?15 kg/s;在3 kW工况下,当屏栅上游等离子体密度达到0.22×1017 m?3时,束流出现过聚焦现象,此时加速栅和减速栅的最大离子刻蚀速率分别为3.24×10?15 kg/s和5.01×10?15 kg/s。寿命试验结果表明,加速栅孔质量刻蚀速率的计算值与试验值比对误差较小,而由于束流离子对减速栅孔的直接轰击,导致减速栅孔刻蚀速率的计算值和试验值差异极大。经研究认为,对屏栅小孔采用变孔径设计,是降低当束流处于欠聚焦或过聚焦状态下,CEX离子造成加速栅孔和减速栅孔刻蚀速率,并提升推力器工作寿命的有效措施。     

离子推力器栅极透过率径向分布特性研究

栅极系统是离子推力器的主要组件,其透过率特性对推力器的效率和推力具有重要影响.为了进一步优化栅极性能和有效评估离子推力器效率,对离子推力器栅极透过率径向分布进行研究.采用particle-In-CellMonte Carlo Collision数值仿真方法对束流引出过程进行了模拟.分析了屏栅、加速栅以及栅极系统的透过率随栅孔引出束流离子数量的变化关系,结合放电室出口离子密度分布,进而分别得到屏栅透过率、加速栅透过率和栅极系统透过率的径向分布特性,最后进行实验验证.研究结果表明:屏栅透过率径向分布具有中心对称性,在推力器中心有最小值,从中心沿着径向逐渐增大;加速栅透过率径向分布与屏栅透过率变化趋势相反;栅极系统透过率受加速栅透过率的影响很小,其径向分布与屏栅透过率径向分布相近;离子推力器栅极总透过率随着束流增大而缓慢减小.研究结果可为离子推力器栅极优化提供参考.     

Study on the Relation Between Discharge Voltage and Magnetic Field Topography in a Hall Thruster Discharge Channel

The relation between magnetic field topography and operating voltage is investigated in a 1kW Hall thruster discharge channel in order to focus the ion beam effectively and optimize the performance. The curvature of magnetic field line (α) is introduced to characterize the differences of topologies. The optimized magnetic field distribution under each operating voltage is obtained by experiment. Through the curvature transformation, we find that the area of (α > 1) in the channel gradually decreases with the increase of the operating voltage. In response to the results above, two dimensional plasma flows are simulated employing Particle‐in‐Cell method. The distributions of the electric potential, ion density and ion radial velocity are calculated to understand the important influence of the relation above on ion beam focusing. The numerical results indicate that magnetic field curvature and thermal electric field control the ion beam in the ionization and acceleration zone, respectively. The magnetic field topography and discharge voltage interact with each other and together form the focusing electric field. The ion radial mobility is suppressed effectively and the ion beam is focused to the channel centerline. In addition, for a given voltages, when the area of (α > 1) is larger than the optimal scope, the electric potential lines excessively bend to the anode causing ion over focus; contrarily, the electric potential lines will bend to the exit and defocus ions. All these results suggest the relation between magnetic field topography and discharge voltage is important to the ion radial flow control and performance optimization of the Hall thruster (© 2009 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析

栅极热变形是影响离子推力器性能和寿命的重要因素. 采用三维粒子方法对栅极系统等离子体输运过程进行模拟, 对比、分析栅极热变形前后栅极系统的电子返流限制、导流系数限制、离子通过率和发散角损失. 结果表明: 栅极热变形增大了屏栅离子通过率和推力器推力值, 并由于加速栅截止电流阈值的提高拓展了推力器工作电流区间, 但电子返流阈值的明显降低对栅极系统可靠工作造成了不利影响.     

基于Kr工质的离子推力器栅极PIC仿真

Kr是新型低成本离子推力器的优选工质之一。采用三维PIC粒子模拟方法对Kr等离子体在栅极系统中的输运过程进行仿真,并与Xe工质仿真结果进行对比,分析工质类型对束流分布、离子通过率、发散角损失和推力等参数特性和分布的影响。结果表明:相比于Xe工质,Kr工质条件下,屏栅上游鞘层区域更大,屏栅离子通过率略有上升;Kr+在加速栅孔轴向速度较大,径向位移小,撞击加速栅几率小,加速栅电流相对较小;Kr工质和Xe工质的发散角损失相当,但Kr工质工作电流区域更高;相比于Xe工质,相同功率条件下Kr工质的推力值约降低20%。