CN111259514A - 霍尔推力器的全流程数值仿真系统及使用该系统的全流程数值仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统及全流程数值仿真方法，包括霍尔推力器二维结构设计模块、磁场仿真模块及等离子体仿真模块三个模块；通过霍尔推力器二维结构设计模块，开展推力器二维结构的设计，通过调节磁屏结构，线圈结构以及放电通道结构达到设计预期目标；通过磁场仿真模块，开展磁场拓扑结构的数值仿真，达到预期设计目标；通过等离子体仿真模块，开展放电通道和羽流区中等离子体特征参数的演化模拟，通过特征参数的随时演化物理图像展示推力器中等离子体的产生，增长到饱和的过程，并且通过特征参数评估推力器的性能。通过三个模块的协同工作实现霍尔推力器在设计研制全流程的数值仿真能力，实现等离子体在放电通道以及羽流区的产生，增长以及饱和演化全流程的数值仿真能力，更准确地评估推力器的工作性能。

Description

霍尔推力器的全流程数值仿真系统及使用该系统的全流程数 值仿真方法
技术领域
本发明涉及霍尔推力器的几何结构设计以及工作性能评估的全流程数值仿真系统，属于航天技术和低温等离子体技术领域。
背景技术
目前霍尔推力器的设计研制中，磁场拓扑结构的设计主要通过商用磁场仿真软件进行二维和三维的实现，其优化的依据主要来源于对磁场拓扑结构的经验判断，缺乏对包含等离子体情况的评估，并且所设计的确定的磁场拓扑结构不能完全移植到霍尔推力器中等离子体的数值仿真程序中。因此，无法保证数值仿真与实验设计的一致性。
现有霍尔推力器数值仿真系统中，主要存在以下问题：
1)没有自洽的磁场拓扑结构设计模块，既不能与商用磁场仿真软件移植对接，也不能自洽地计算空间磁场拓扑结构。
2)现有数值仿真系统没有预留后续的升级完善接口，只能对接特定的推力器的几何结构以及磁场拓扑结构进行初步分析，对推力器前期设计阶段的指导性很低性很低。
3)现有数值仿真系统使用范围受限，只能对特定结构的推力器进行初步的设计，对推力器前期设计阶段的指导性不足。
为进一步提高霍尔推力器数值仿真技术在设计研制流程中起到的重要作用，提出一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统。
发明内容
本发明的目的是提高数值仿真技术在霍尔推力器设计研制流程中的作用，将霍尔推力器数值仿真应用于整个样机研制流程的各个关键环节，实现数值仿真设计前置，通过数值仿真技术手段提前预演，发现和解决问题并进行设计指标优化。
本发明中的霍尔推力器全流程数值仿真系统的发明构思主要为：将霍尔推力器结构和磁场线圈参数设计前置，显著提高数值仿真技术的对霍尔推力器设计的指导性，通过磁场迭代优化，完善霍尔推力器的最优设计，降低推力器研制的时间和经济成本，同时也为优化设计提供了理论支撑。
为解决现有技术中霍尔推力器数值仿真系统所存在的问题，本发明通过以下技术方案实现：霍尔推力器的全流程数值仿真系统包括霍尔推力器二维结构设计模块、磁场仿真模块及等离子体仿真模块三个模块；其中，推力器二维结构设计模块包括推力器二维结构的设计、磁屏结构的调节、推力器放电通道结构的设计及励磁线圈位置的设计；磁场仿真模块包括励磁线圈产生磁场的拓扑结构的计算模块与数值仿真，用于生成放电通道以及羽流近场区的磁场；等离子体仿真模块包括放电通道等离子体演化模块和羽流区中等离子体演化模块，等离子体仿真模块对等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲进行判定，优化磁场结构。
进一步的，霍尔推力器二维结构设计模块包括：导磁底座、励磁线圈、极靴和磁屏。
进一步的，磁场拓扑结构能够调节励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小及其他励磁线圈参数，同时磁场拓扑结构调节磁屏的几何结构。
进一步的，霍尔推力器的放电通道以及羽流近场区的磁场主要由励磁线圈产生，霍尔推力器数值仿真方案的背景磁场由外部磁场设计单元给出，并且满足空间上磁场散度为零的条件。
进一步的，放电通道和羽流区中采用磁流体(MHD)模型的等离子体演化模块。
本发明还提供了一种利用霍尔推力器的全流程数值仿真系统的全流程数值仿真方法，其中上述仿真方法包括如下步骤：(1)设计霍尔推力器二维结构，其中，霍尔推力器二维结构主要包括：导磁底座、励磁线圈、极靴、和磁屏；(2)调节磁场拓扑结构中励磁线圈参数和磁屏几何结构，以满足霍尔推力器磁场设计要求，其中励磁线圈参数包括励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小；(3)运行等离子体仿真模块模拟等离子体演化过程，通过等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲等判据，评估磁场结构是否优化；(4)以步骤3的判据为依据，迭代步骤2，对磁场进行优化；(5)完成迭代，并最终获得优化后的霍尔推力器结构以及性能参数。
进一步的，采用自主研发编写的FROTRAN程序设计初期霍尔推力器的结构和磁场拓扑结构。
进一步的，所述步骤(1)中还包括对霍尔推力器放电通道的几何结构和中和器阴极安装位置的优化。
进一步的，所述步骤(3)中还包括记录放电通道中等离子体关键参数随时演化。
进一步的，所述步骤(3)还包括对羽流区等离子体的分布以及推力器综合性能的评估。
通过霍尔推力器二维结构设计模块，开展推力器二维结构的设计，通过调节磁屏结构，线圈结构以及放电通道结构达到设计预期目标；通过磁场仿真模块，开展磁场拓扑结构的数值仿真，达到预期设计目标；通过等离子体仿真模块，开展放电通道和羽流区中等离子体特征参数的演化模拟，通过特征参数的随时演化物理图像展示推力器中等离子体的产生，增长到饱和的过程，并且通过特征参数评估推力器的性能。通过三个模块的协同工作实现霍尔推力器在设计研制全流程的数值仿真能力，实现等离子体在放电通道以及羽流区的产生，增长以及饱和演化全流程的数值仿真能力，更准确地评估推力器的工作性能。
采用本发明中的全流程数值仿真系统获得了如下的有益效果：将数值仿真技术在霍尔推力器设计研制的流程中前置，提高其对设计研制的指导性；通过数值仿真对推力器结构以及磁场设计进行迭代优化，大幅降低研制的时间和经济成本；为后续产品型号多样化的研制提供有效理论支撑。
附图说明
图1霍尔推力器二维仿真剖面结构示意图。
图2霍尔推力器二维磁拓扑结构仿真示意图。
图3霍尔推力器二维等离子体宏观参数分布示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明，但不限于此。
为解决现有技术中霍尔推力器数值仿真系统所存在的问题，本发明的霍尔推力器的全流程数值仿真系统包括霍尔推力器二维结构设计模块、磁场仿真模块及等离子体仿真模块三个模块。
其中霍尔推力器二维结构设计模块包括推力器二维结构的设计、磁屏结构的调节、推力器放电通道结构的设计及励磁线圈位置的设计。霍尔推力器二维结构设计模块包括：导磁底座、励磁线圈、极靴和磁屏。
其中，磁场拓扑结构能够调节励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小及其他励磁线圈参数，同时磁场拓扑结构调节磁屏的几何结构。
磁场仿真模块包括励磁线圈产生磁场的拓扑结构的计算模块与数值仿真，用于生成放电通道以及羽流近场区的磁场。霍尔推力器的放电通道以及羽流近场区的磁场主要由励磁线圈产生，霍尔推力器数值仿真方案的背景磁场由外部磁场设计单元给出，并且满足空间上磁场散度为零的条件。
等离子体仿真模块包括放电通道等离子体演化模块和羽流区中等离子体演化模块，等离子体仿真模块对等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲进行判定，优化磁场结构。放电通道和羽流区中采用磁流体(MHD)模型的等离子体演化模块。
霍尔推力器的全流程数值仿真系方法包括如下步骤：
(1)设计霍尔推力器二维结构，其中，霍尔推力器二维结构主要包括：导磁底座、励磁线圈、极靴、和磁屏；采用自主研发编写的FROTRAN程序设计初期霍尔推力器的结构和磁场拓扑结构。
还包括对霍尔推力器放电通道的几何结构和中和器阴极安装位置的优化。
(2)调节磁场拓扑结构中励磁线圈参数和磁屏几何结构，以满足霍尔推力器磁场设计要求，其中励磁线圈参数包括励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小；
(3)运行等离子体仿真模块模拟等离子体演化过程，通过等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲等判据，评估磁场结构是否优化；
还包括记录放电通道中等离子体关键参数随时演化以及对羽流区等离子体的分布以及推力器综合性能的评估。
(4)以步骤3的判据为依据，迭代步骤2，对磁场进行优化；
(5)完成迭代，并最终获得优化后的霍尔推力器结构以及性能参数。
通过霍尔推力器二维结构设计模块，开展推力器二维结构的设计，通过调节磁屏结构，线圈结构以及放电通道结构达到设计预期目标；通过磁场仿真模块，开展磁场拓扑结构的数值仿真，达到预期设计目标；通过等离子体仿真模块，开展放电通道和羽流区中等离子体特征参数的演化模拟，通过特征参数的随时演化物理图像展示推力器中等离子体的产生，增长到饱和的过程，并且通过特征参数评估推力器的性能。通过三个模块的协同工作实现霍尔推力器在设计研制全流程的数值仿真能力，实现等离子体在放电通道以及羽流区的产生，增长以及饱和演化全流程的数值仿真能力，更准确地评估推力器的工作性能。
本发明中通过将数值仿真技术在霍尔推力器设计研制的流程中前置，提高其对设计研制的指导性；通过数值仿真对推力器结构以及磁场设计进行迭代优化，大幅降低研制的时间和经济成本；为后续产品型号多样化的研制提供有效理论支撑。
以上仅详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性老大就可以根据本发明的构思做出许多修改和变化，因此，凡是本领域技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上经过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，皆应落在本申请权利要求所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统，其特征在于：该系统包括霍尔推力器二维结构设计模块、磁场仿真模块及等离子体仿真模块三个模块；其中，推力器二维结构设计模块包括推力器二维结构的设计、磁屏结构的调节、推力器放电通道结构的设计及励磁线圈位置的设计；磁场仿真模块包括励磁线圈产生磁场的拓扑结构的计算模块与数值仿真，用于生成放电通道以及羽流近场区的磁场；等离子体仿真模块包括放电通道等离子体演化模块和羽流区中等离子体演化模块，等离子体仿真模块对等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲进行判定，优化磁场结构。
2.如权利要求1所述的一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统，其特征在于：霍尔推力器二维结构设计模块包括：导磁底座、励磁线圈、极靴和磁屏。
3.如权利要求1所述的一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统，其特征在于：磁场拓扑结构能够调节励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小及其他励磁线圈参数，同时磁场拓扑结构调节磁屏的几何结构。
4.如权利要求1中所述的一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统，其特征在于：霍尔推力器的放电通道以及羽流近场区的磁场主要由励磁线圈产生，霍尔推力器数值仿真方案的背景磁场由外部磁场设计单元给出，并且满足空间上磁场散度为零的条件。
5.如权利要求1所述的一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统，其特征在于：放电通道和羽流区中采用磁流体(MHD)模型的等离子体演化模块。
6.一种利用如权利要求1-5中霍尔推力器的全流程数值仿真系统的全流程数值仿真方法，其特征在于：所述仿真方法包括如下步骤：(1)设计霍尔推力器二维结构，其中，霍尔推力器二维结构主要包括：导磁底座、励磁线圈、极靴、和磁屏；(2)调节磁场拓扑结构中励磁线圈参数和磁屏几何结构，以满足霍尔推力器磁场设计要求，其中励磁线圈参数包括励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小；(3)运行等离子体仿真模块模拟等离子体演化过程，通过等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲等判据，评估磁场结构是否优化；(4)以步骤3的判据为依据，迭代步骤2，对磁场进行优化；(5)完成迭代，并最终获得优化后的霍尔推力器结构以及性能参数。
7.如权利要求5所述的全流程数值仿真方法，其特征在于：采用自主研发编写的FROTRAN程序设计初期霍尔推力器的结构和磁场拓扑结构。
8.如权利要求5所述的全流程数值仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)中还包括对霍尔推力器放电通道的几何结构和中和器阴极安装位置的优化。
9.如权利要求5所述的全流程数值仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中还包括记录放电通道中等离子体关键参数随时演化。
10.如权利要求5所述的全流程数值仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)还包括对羽流区等离子体的分布以及推力器综合性能的评估。
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