[发明专利]一种离子推力器栅极组件变边界仿真模型建立方法

说明书

本申请涉及空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器栅极组件变边界仿真模型建立方法，包括步骤1：对栅极进行区域划分；步骤2：在每个区域内选取需要研究的对象；步骤3：计算得到每个研究对象对应的屏栅上游离子密度；步骤4：计算得到对应的德拜长度，确定计算区域在横向和径向方向的最大值；步骤5：处理原子之间的碰撞；步骤6：建立仿真计算模型；步骤7：计算栅极形貌；步骤8：修正栅极的仿真计算模型；步骤9：完成离子推力器栅极组件变边界仿真模型的建立。本申请利用仿真计算得到的溅射刻蚀形貌，对仿真计算模型进行实时更新和完善，能够较为准确地对推力器的工作寿命进行预测，可以大幅缩短产品研发周期和降低研制成本。

技术领域

本申请涉及空间电推进技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器栅极组件变边界仿真模型建立方法。

背景技术

推进系统是任何航天器不可缺少的核心系统之一，当今军事航天技术发展对推进系统的需求出现了一些显著的变化。大容量、长寿命的军事通信、数据中继、导航定位等卫星需要高比冲的在轨推进系统以大幅提升卫星的有效载荷比，延长卫星的工作寿命、降低卫星的发射成本，离子和霍尔类型的电推进系统成为了满足这一需求的优先选择。

相比霍尔推力器，离子推力器具有超高比冲、长寿命、推力精确可调等显著优势，成为了未来在轨任务的最佳选择。离子推力器的推力较小，使得其需要高效可靠地工作上万甚至几万小时。大量的试验结果表明，栅极组件是离子推力器的一个薄弱环节，推力器工作时高能离子对栅极组件的轰击溅射会导致组件发生结构失效，严重时引起推力器失效。

试验测试的方法可以验证推力器的长寿命，但其耗时耗力，数值仿真可以利用仿真计算的方法通过模拟高能离子的运动过程和轰击溅射过程，对推力器的工作寿命进行估算，或对栅极组件的几何结构参数或工作电参数设计值的正确性进行判断。高能离子对栅极孔壁或表面的轰击溅射是一个动态的过程，目前的数值仿真模型均为静态模型，无法准确地对仿真模型进行实时修正，很难对推力器的工作寿命进行准确预测。

发明内容

本申请提供了一种离子推力器栅极组件变边界仿真模型建立方法，利用数值仿真技术的手段，结合试验测量结果，对推力器的工作寿命进行较为准确的预测。

为了实现上述目的，本申请提供了一种离子推力器栅极组件变边界仿真模型建立方法，包括如下步骤：步骤1：根据试验测量得到的束流离子密度分布，对栅极进行区域划分；步骤2：根据研究的需要，在每个区域内选取需要研究的对象；步骤3：利用束流离子密度和屏栅上游离子密度之间的关系，计算得到每个研究对象对应的屏栅上游离子密度；步骤4：根据屏栅上游离子密度大小，计算得到对应的德拜长度，确定计算区域在横向和径向方向的最大值；步骤5：处理原子和原子之间的碰撞，得到计算区域内每个网格节点上的中性气体密度分布；步骤6：建立仿真计算模型，采用粒子云方法模拟束流离子的加速聚焦和引出过程，处理束流离子和中性气体之间的碰撞，模拟碰撞过程中高能离子的产生以及对栅极孔壁和表面的溅射刻蚀过程；步骤7：仿真系统自动根据单个离子的溅射刻蚀速率，计算每工作1000个时间步长后的栅极形貌；步骤8：对比仿真计算和试验测量到的栅极腐蚀结果，根据试验测量到的栅极形貌，修正栅极的仿真计算模型；步骤9：每1000个时间步长修正一次仿真计算模型，直到计算区域内的网格节点上的电场分布变化量≤0.05％，计算结束，完成离子推力器栅极组件变边界仿真模型的建立。

进一步的，步骤1中，将栅极划分为3个区域，分别为栅极中心区域、栅极边缘区域以及栅极其他区域。

进一步的，步骤2中，在每个区域内选取需要研究的对象包括如下步骤：

步骤2.1：选取栅极中心区域束流离子密度最大的两个栅孔的各四分之一作为栅极中心区域的研究对象；步骤2.2：选取栅极边缘区域束流离子密度最小的两个栅孔的各四分之一作为栅极边缘区域的研究对象；步骤2.3：选取栅极其他区域平均束流离子密度对应的两个栅孔的各四分之一作为栅极其他区域的研究对象。

进一步的，研究对象为静电型离子推力器的栅极组件。