[發(fā)明專利]一種集成化離子電推進仿真模型及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011063438.6
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112329201B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設計）人: 耿海;陳娟娟;王潤福;楊三祥;劉超;孫新鋒;賈艷輝;楊福全
• 申請（專利權(quán)）人: 蘭州空間技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李愛英;付雷杰

本公開的集成化離子電推進仿真模型及方法，通過空心陰極，模擬熱電子發(fā)射過程和自維持放電過程，得到電子速度分布和密度分布的仿真數(shù)值，輸出到放電室；放電室，模擬氣體放電過程，得到等離子體密度分布和速度分布及空間電勢分布的仿真數(shù)值，輸出到離子光學系統(tǒng)；離子光學系統(tǒng)，模擬束流離子加速、聚焦、引出過程和交換電荷離子對柵極表面的轟擊濺射過程，得到束流離子密度分布、速度分布、濺射速率、濺射沉積量的仿真數(shù)值，輸出到羽流區(qū)；羽流區(qū)，模擬束流離子和電子的中和過程，得到準中性等離子體密度分布和速度分布、空間電勢分布等仿真數(shù)值。能夠快速預測離子電推進性能、壽命及可靠性等因素，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)成本。

技術(shù)領域

本公開屬于空間等離子體電推進技術(shù)領域，特別涉及一種集成化離子電推進仿真模型及方法。

背景技術(shù)

離子電推進因其比沖高、壽命長、推力連續(xù)可調(diào)等技術(shù)優(yōu)勢，已成功應用于航天器軌道位置保持和軌道轉(zhuǎn)移等任務。

離子電推進作為電推進系統(tǒng)的核心單機，其性能直接決定航天器在軌工作狀態(tài)。目前離子電推進的產(chǎn)品優(yōu)化設計主要依靠試驗測試的方法，但該方法費用昂貴，且試驗測試存在著很多局限性，導致在沒有理解推力器工作過程及推力器結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)等對推力器性能、壽命和可靠性影響的情況下，利用不斷改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)或產(chǎn)品工作參數(shù)來達到產(chǎn)品優(yōu)化設計的目的不太現(xiàn)實。數(shù)值仿真是通過采用數(shù)學手段，模擬離子電推進的工作過程，再現(xiàn)離子電推進真實工作過程，得到試驗測量不到或難以測量的微觀參數(shù)或分布，對推力器性能、可靠性或壽命的影響因素實現(xiàn)快速定位。該方法可加快產(chǎn)品研發(fā)進度、大幅節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)成本。

離子電推進由空心陰極、放電室、離子光學系統(tǒng)和中和器四大部分組成，各組成部分有其各自的組成結(jié)構(gòu)和對應工作原理，四個組成部分之間相互耦合、相互作用，形成了整個離子電推進的工作全過程。

不同幾何尺寸、不同結(jié)構(gòu)組成和不同工作原理，使得離子電推進的全過程集成化仿真將是一個大尺寸、多維度、計算量龐大的計算工程，其中各功能軟件之間的數(shù)據(jù)對接和數(shù)據(jù)處理非常復雜、難度極高，它是準確描述離子電推進工作全過程的前提，也是使計算結(jié)果能夠?qū)﹄x子電推進產(chǎn)品優(yōu)化設計提供技術(shù)指導的基礎。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本公開提出了一種集成化離子電推進仿真模型及方法，能夠模擬離子電推進工作全過程，快速預測離子電推進的性能、壽命及可靠性等關(guān)鍵因素，指導離子電推進的優(yōu)化設計，縮短離子電推進的研發(fā)周期和降低其研發(fā)成本。

根據(jù)本公開的一方面，提出了一種集成化離子電推進仿真模型，所述模型包括：空心陰極、放電室、離子光學系統(tǒng)和羽流區(qū)；

其中，所述空心陰極，用于模擬熱電子發(fā)射過程和自維持放電過程，得到電子速度分布和電子密度分布的仿真數(shù)值，輸出到放電室；

所述放電室，用于模擬氣體放電過程，得到等離子體密度分布、等離子體速度分布和空間電勢分布的仿真數(shù)值，輸出到離子光學系統(tǒng)；

所述離子光學系統(tǒng)，用于模擬束流離子加速、聚焦、引出過程和交換電荷離子對柵極表面的轟擊濺射過程，得到束流離子速度分布、束流離子速度分布、濺射速率、濺射沉積量的仿真數(shù)值，輸出到羽流區(qū)；

所述羽流區(qū)，用于模擬束流離子和電子的中和過程，得到準中性等離子體密度分布、準中性等離子體速度分布、空間電勢分布、推力、比沖、效率和束流發(fā)散角的仿真數(shù)值。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述空心陰極包括熱電子發(fā)射模型和自維持放電模型。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述放電室包括氣體放電模型和粒子碰撞模型。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述離子光學系統(tǒng)包括束流引出模型和粒子碰撞模型。

在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述羽流區(qū)包括離子輸運模型和粒子碰撞模型。