[發明專利]一種電推進器產生的等離子體分布特性數值模擬預估方法

有效

• 申請號: 201310146284.0
• 申請日: 2013-04-24
• 公開（公告）號: CN103226638A
• 公開（公告）日: 2013-07-31
• 發明（設計）人: 陳益峰;李得天;秦曉剛;楊生勝;史亮;柳青;湯道坦;王俊
• 申請（專利權）人: 蘭州空間技術物理研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;李愛英

技術領域

本發明涉及一種電推進器產生的等離子體分布特性數值模擬預估方法，適用于電推進器工作時產生等離子體的分布特性數值模擬，屬于計算領域。

背景技術

電推進是一種高比沖、長壽命、高效率的空間推進技術，能大幅減少推進劑的攜帶量，顯著提高有效載荷比，延長衛星壽命。隨著我國對衛星長壽命高性能需求的增長，電推進技術的使用將成為一種必然趨勢。推進器工作時會產生低溫度、高密度的等離子體，將與空間天然存在的高溫度、低密度等離子體發生多種作用過程，導致衛星的充放電過程更加復雜，造成衛星高壓太陽電池功率損失、部件間產生短路電流和結構電位漂移等危害，從而影響衛星在軌安全運行。

文獻“張天平等，電推進航天器的特殊環境機器影響，航天器環境工程24（2），2007”介紹了電推進系統在衛星周圍產生的等離子體和電磁場等特殊環境，討論了這些特殊環境對航天器各分系統產生的充電等影響效應，建立了電推進羽流等離子體的數值模型。文獻“田東波等，穩態等離子體推進器羽流的粒子模擬，空氣動力學學報24（4），2006”利用單元粒子方法（particle-in-cell，PIC）和Monte?Carlo方法模擬了穩態等離子體推進器的羽流場，模擬中包含了背壓氣體對羽流場的影響。

上述數值模擬方法雖然分析了電推進產生等離子體羽流作用過程，但未考慮空間天然等離子體對電推進產生等離子體分布特性的影響，無法在電推進產生等離子體誘發的充放電效應評價得到應用，因此需要一種電推進工作時產生等離子體分布特性數值模擬預估方法。

發明內容

本發明提供一種電推進工作時產生等離子體分布特性數值模擬預估方法，可直接應用于衛星電推進產生等離子體的分布特性規律研究，節約了衛星研制設計成本。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種電推進器產生的等離子體分布特性數值模擬預估方法，所述方法包括下列步驟：

步驟一、確定衛星所處的空間等離子體環境參數；

步驟二、確定電推進產生的等離子體參數；

步驟三、建立電推進產生的等離子體與空間等離子體作用模擬模型，設定計算區域與計算時間步長；

步驟四、對模型進行數值模擬計算；

步驟五、由MATLAB軟件建立電推進器產生的等離子體分布特性圖形。

其中，步驟一中所述的空間等離子環境參數和步驟二中所述的電推進產生的等離子體參數，包括電子數密度、電子溫度、離子數密度和離子溫度。

步驟三中所述的建立電推進產生的等離子體與空間等離子體作用模擬模型，是以動態的等離子體模型為基礎，模擬空間等離子體及電推進器產生的等離子體，并將其分解成許多小網格單元，由此確定電荷密度，得到電推進產生等離子體的空間分布規律。包括以下步驟：

a.根據空間等離子體和電推進產生的等離子體參數，分別確定空間等離子體和電推進產生的等離子體中粒子的初始位置和速度分布；

b.設置計算時間與計算時間步長，選取計算區域和邊界條件，并將該區域分解成多網格單元；其中對于電推進器產生的等離子體，計算時間步長Δt1與計算區域長度L1存在下述關系：

Δt1≈L1Vk1---(1)]]>

式（1）中V_k1為電推進器產生的等離子體中粒子的速度：