CN112329201A - 一种集成化离子电推进仿真模型及方法 - Google Patents

Abstract

本公开的集成化离子电推进仿真模型及方法，通过空心阴极，模拟热电子发射过程和自维持放电过程，得到电子速度分布和密度分布的仿真数值，输出到放电室；放电室，模拟气体放电过程，得到等离子体密度分布和速度分布及空间电势分布的仿真数值，输出到离子光学系统；离子光学系统，模拟束流离子加速、聚焦、引出过程和交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，得到束流离子密度分布、速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值，输出到羽流区；羽流区，模拟束流离子和电子的中和过程，得到准中性等离子体密度分布和速度分布、空间电势分布等仿真数值。能够快速预测离子电推进性能、寿命及可靠性等因素，优化结构设计，缩短研发周期和降低研发成本。

Description

一种集成化离子电推进仿真模型及方法

技术领域

本公开属于空间等离子体电推进技术领域，特别涉及一种集成化离子电推进仿真模型及方法。

背景技术

离子电推进因其比冲高、寿命长、推力连续可调等技术优势，已成功应用于航天器轨道位置保持和轨道转移等任务。

离子电推进作为电推进系统的核心单机，其性能直接决定航天器在轨工作状态。目前离子电推进的产品优化设计主要依靠试验测试的方法，但该方法费用昂贵，且试验测试存在着很多局限性，导致在没有理解推力器工作过程及推力器结构参数、工作参数等对推力器性能、寿命和可靠性影响的情况下，利用不断改变产品结构或产品工作参数来达到产品优化设计的目的不太现实。数值仿真是通过采用数学手段，模拟离子电推进的工作过程，再现离子电推进真实工作过程，得到试验测量不到或难以测量的微观参数或分布，对推力器性能、可靠性或寿命的影响因素实现快速定位。该方法可加快产品研发进度、大幅节省产品研发成本。

离子电推进由空心阴极、放电室、离子光学系统和中和器四大部分组成，各组成部分有其各自的组成结构和对应工作原理，四个组成部分之间相互耦合、相互作用，形成了整个离子电推进的工作全过程。

不同几何尺寸、不同结构组成和不同工作原理，使得离子电推进的全过程集成化仿真将是一个大尺寸、多维度、计算量庞大的计算工程，其中各功能软件之间的数据对接和数据处理非常复杂、难度极高，它是准确描述离子电推进工作全过程的前提，也是使计算结果能够对离子电推进产品优化设计提供技术指导的基础。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种集成化离子电推进仿真模型及方法，能够模拟离子电推进工作全过程，快速预测离子电推进的性能、寿命及可靠性等关键因素，指导离子电推进的优化设计，缩短离子电推进的研发周期和降低其研发成本。

根据本公开的一方面，提出了一种集成化离子电推进仿真模型，所述模型包括：空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区；

其中，所述空心阴极，用于模拟热电子发射过程和自维持放电过程，得到电子速度分布和电子密度分布的仿真数值，输出到放电室；

所述放电室，用于模拟气体放电过程，得到等离子体密度分布、等离子体速度分布和空间电势分布的仿真数值，输出到离子光学系统；

所述离子光学系统，用于模拟束流离子加速、聚焦、引出过程和交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，得到束流离子速度分布、束流离子速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值，输出到羽流区；

所述羽流区，用于模拟束流离子和电子的中和过程，得到准中性等离子体密度分布、准中性等离子体速度分布、空间电势分布、推力、比冲、效率和束流发散角的仿真数值。

在一种可能的实现方式中，所述空心阴极包括热电子发射模型和自维持放电模型。

在一种可能的实现方式中，所述放电室包括气体放电模型和粒子碰撞模型。

在一种可能的实现方式中，所述离子光学系统包括束流引出模型和粒子碰撞模型。

在一种可能的实现方式中，所述羽流区包括离子输运模型和粒子碰撞模型。

根据本公开的另一方面，提出了一种集成化离子电推进仿真方法，所述方法应用于上述的集成化离子电推进仿真模型，包括：

对比经所述空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区的仿真结果与试验测量结果；

根据所述仿真结果和所述试验测量结果的对比结果，分析所述仿真结果和所述试验测量结果的数值误差，依据所述数值误差优化所述集成化离子电推进仿真模型。

本公开通过所述空心阴极，用于模拟热电子发射过程和自维持放电过程，得到电子速度分布和电子密度分布的仿真数值，输出到放电室；所述放电室，用于模拟气体放电过程，得到等离子体密度分布、等离子体速度分布和空间电势分布的仿真数值，输出到离子光学系统；所述离子光学系统，用于模拟束流离子加速、聚焦、引出过程和交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，得到束流离子速度分布、束流离子速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值，输出到羽流区；所述羽流区，用于模拟束流离子和电子的中和过程，得到准中性离子体密度分布、准中性离子体速度分布、空间电势分布、推力、比冲、效率和束流发散角的仿真数值。能够模拟离子电推进工作全过程，快速预测离子电推进的性能、寿命及可靠性等关键因素，指导离子电推进的优化设计，缩短离子电推进的研发周期和降低其研发成本。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开一实施例的集成化离子电推进仿真模型的框图；

图2示出根据本公开另一实施例的集成化离子电推进仿真模型的框图；

图3示出根据本公开另一实施例的集成化离子电推进仿真方法流程图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开一实施例的集成化离子电推进仿真模型的框图。如图1所示，该仿真模型可以包括：空心阴极1、放电室2、离子光学系统3和羽流区4

所述空心阴极1，用于模拟热电子发射过程和自维持放电过程，得到电子速度分布和电子密度分布的仿真数值，输出到放电室2；

所述放电室2，用于模拟气体放电过程，得到等离子体密度分布、等离子体速度分布和空间电势分布的仿真数值，输出到离子光学系统3；

所述离子光学系统3，用于模拟束流离子加速、聚焦、引出过程和交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，得到束流离子速度分布、束流离子速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值，输出到羽流区4；

所述羽流区4，用于模拟束流离子和电子的中和过程，得到准中性离子体密度分布、准中性离子体速度分布、空间电势分布、推力、比冲、效率和束流发散角的仿真数值。

图2示出根据本公开一实施例的集成化离子电推进仿真模型的框图。

在一示例中，如图2所示，根据离子电推进的结构组成，将仿真区域划分成空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区四大系统。针对不同关键区域，开发与完善对接仿真模块，其中，空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区的对接仿真模块分别包括：数据对接、独立仿真、数据处理模块。在对接仿真模块的基础上，基于初始条件、边界条件，开展各个关键组件区域独立仿真模块的开发研究。

空心阴极的对接仿真模块包括热电子发射模型和自维持放电模型，能够模拟热电子发射过程和自维持放电过程，主要涉及的方程包括粒子平衡方程、电子能量平衡方程、中性原子方程、粒子运动方程、泊松方程、碰撞方程、离子与固体表面的相互作用方程等，得到电子密度分布、电子速度分布、电子温度分布，压强分布，等离子体速度分布、密度分布、数密度分布，空间电势分布等仿真数值。其中，电子密度分布和电子速度分布的仿真数值可以输入到放电室，作为放电室的对接仿真模型的输入。

放电室的对接仿真模块包括气体放电模型和粒子碰撞模型，能够模拟气体放电过程，主要涉及的方程可以包括麦克斯韦方程、粒子运动方程、泊松方程等，得到等离子体密度分布、等离子体速度分布、空间电势分布、空心阴极溅射腐蚀分布，磁鞘层溅射腐蚀分布等仿真数值。其中，等离子体密度分布、等离子体速度分布、空间电势分布的仿真数值可以输入到离子光学系统，作为离子光学系统的对接仿真模型的输入。

离子光学系统的对接仿真模型包括束流引出模型和粒子碰撞模型，能够模拟离子束流加速、聚焦、引出过程与交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，主要涉及的方程可以包括离子运动方程、泊松方程，得到束流离子密度分布、束流离子速度分布、空间电势分布，交换电荷离子密度分布、能量分布，加速栅电流，减速栅电流，屏栅极电流，栅极溅射腐蚀分布、溅射速率、溅射沉积量等仿真数值。其中，离子密度分布、离子速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值可以输入到羽流区，作为羽流区的对接仿真模型的输入。

羽流区的对接仿真模型包括离子输运模型和粒子碰撞模型，能够模拟束流离子和电子的中和过程，主要涉及的方程可以包括粒子运动方程、泊松方程、离子质量守恒方程、动量守恒方程、泊松方程，得到准中性等离子体密度分布、准中性等离子体速度分布、空间电势分布、推力、比冲、效率和束流发散角等仿真数值。

通过上述空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区四大系统的对接仿真模型，能够模拟离子电推进工作的全过程，根据仿真得到的数值计算结果进行过程分析和问题分析，预测离子推力器性能、可靠性和寿命。

本公开通过所述空心阴极，用于模拟热电子发射过程和自维持放电过程，得到电子速度分布和电子密度分布的仿真数值，输出到放电室；所述放电室，用于模拟气体放电过程，得到等离子体密度分布、等离子体速度分布和空间电势分布的仿真数值，输出到离子光学系统；所述离子光学系统，用于模拟离子束流加速、聚焦、引出过程与交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，得到束流离子速度分布、束流离子速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值，输出到羽流区；所述羽流区，用于模拟束流离子和电子的中和过程，得到准中性等离子体密度分布、准中性等离子体速度分布、空间电势分布、推力、比冲、效率和束流发散角的仿真数值。能够模拟离子电推进工作全过程，快速预测离子电推进的性能、寿命及可靠性等关键因素，指导离子电推进的优化设计，缩短离子电推进的研发周期和降低其研发成本。

图3示出根据本公开另一实施例的集成化离子电推进仿真方法流程图。该方法应用于上述的集成化离子电推进仿真模型，该方法可以包括：

S11：对比经所述空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区的仿真结果与试验测量结果；

S12：根据所述仿真结果和所述试验测量结果的对比结果，分析所述仿真结果和所述试验测量结果的数值误差，依据所述数值误差优化所述集成化离子电推进仿真模型。

如图2所示，将经所述空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区的对接仿真系统输出的仿真计算结果与试验测量结果进行比较，根据试验测量结果诊断集成化离子电推进仿真模型的仿真计算结果，分析离子电推进仿真计算结果和试验测量结果的数值误差，依据所述数值误差来优化集成化离子电推进仿真模型。

本公开的集成化离子电推进仿真方法，通过对比经所述空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区的仿真结果与试验测量结果；根据所述仿真结果和所述试验测量结果的对比结果，分析所述仿真结果和所述试验测量结果的数值误差，依据所述数值误差优化所述集成化离子电推进仿真模型。能够快速预测离子电推进的性能、寿命及可靠性等关键因素，指导离子电推进的优化设计，缩短离子电推进的研发周期和降低其研发成本。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (6)

1.一种集成化离子电推进仿真模型，其特征在于，所述模型包括：空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区；

其中，所述空心阴极，用于模拟热电子发射过程和自维持放电过程，得到电子速度分布和电子密度分布的仿真数值，输出到放电室；

所述放电室，用于模拟气体放电过程，得到等离子体密度分布、等离子体速度分布和空间电势分布的仿真数值，输出到离子光学系统；

所述离子光学系统，用于模拟束流离子加速、聚焦、引出过程和交换电荷离子对栅极表面的轰击溅射过程，得到束流离子密度分布、束流离子速度分布、溅射速率、溅射沉积量的仿真数值，输出到羽流区；

所述羽流区，用于模拟束流离子和电子的中和过程，得到准中性等离子体密度分布、准中性等离子体速度分布、空间电势分布、推力、比冲、效率和束流发散角的仿真数值。

2.根据权利要求1所述的仿真模型，其特征在于，所述空心阴极包括热电子发射模型和自维持放电模型。

3.根据权利要求1所述的仿真模型，其特征在于，所述放电室包括气体放电模型和粒子碰撞模型。

4.根据权利要求1所述的仿真模型，其特征在于，所述离子光学系统包括束流引出模型和粒子碰撞模型。

5.根据权利要求1所述的仿真模型，其特征在于，所述羽流区包括离子运输模型和粒子碰撞模型。

6.一种集成化离子电推进仿真方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5任意一项的集成化离子电推进仿真模型，包括：

对比经所述空心阴极、放电室、离子光学系统和羽流区的仿真结果与试验测量结果；

根据所述仿真结果和所述试验测量结果的对比结果，分析所述仿真结果和所述试验测量结果的数值误差，依据所述数值误差优化所述集成化离子电推进仿真模型。

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