电推力器中双阶栅极系统数值模拟及实验研究

发布时间：2020-12-28 02:10

　　本文阐述了电推进技术相较于化学推进的优缺点,并对电推进技术的原理及基本组成进行了总结。作为最成功的电推力器之一,栅极离子推力器在近几十年来得到了越来越广泛且细致的研究。而随着各种新型空间任务的提出,电推力器系统将向着大功率、高比冲方向发展。针对传统栅极离子推力器中加速与引出过程相互耦合的问题,学者提出了双阶栅极的概念,将离子的引出和加速过程分离,从而大幅提高栅极离子推力器的比冲。双阶栅极系统作为一种新型的栅极结构,对其进行仿真模拟工作十分必要。本文根据国内外对双阶栅极系统开展的初步研究和相关基础理论进行归纳总结,并对栅极系统开展PIC/MCC仿真工作。PIC/MCC方法是等离子体输运和电推进领域常用的基于粒子动力学的数值模拟方法,它采用“宏粒子”的概念接近真实地对等离子体的输运过程进行描述。此外,针对PIC/MCC方法计算量较大的问题,本文提出了一种求解复杂电场的三维并行算法,加快PIC方法中每一时间步的电场求解速度,从而提高计算效率。本文在对等离子体在栅极系统中的输运过程进行初步计算之后,针对以Xe为工质的高比冲双阶栅极系统进行结构优化,具体包括栅极孔径、厚度、间距、电压的影响情况,... 

【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：84 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 电推进概述
        1.2.1 电推进系统原理及分类
        1.2.2 电推进系统的基本组成
    1.3 离子推力器概述
        1.3.1 工作原理
        1.3.2 栅极系统
    1.4 双阶栅极离子推力器概述
        1.4.1 双阶栅极离子推力器原理
        1.4.2 国内外研究现状
    1.5 论文研究内容
2 数值模拟方法
    2.1 数值模拟方法概述
    2.2 PIC方法的基本理论
        2.2.1 初始化宏粒子
        2.2.2 粒子插值分配
        2.2.3 电磁场求解
        2.2.4 粒子运动
        2.2.5 稳定性条件
    2.3 碰撞处理方法
        2.3.1 MCC方法概述
        2.3.2 碰撞类型选择及碰撞后处理方式
        2.3.3 本文中工质气体的碰撞截面
    2.4 本章小结
3 一种求解复杂电场的三维并行算法
    3.1 泊松方程及分组显式格式
        3.1.1 三维泊松方程
        3.1.2 分组显式格式
    3.2 并行超松弛算法流程
        3.2.1 区域分解
        3.2.2 迭代算法
        3.2.3 OpenMP模块
    3.3 数值算例
        3.3.1 柱形IEC装置计算
        3.3.2 球形IEC装置计算
    3.4 本章小结
4 高比冲双阶栅极系统仿真模拟及优化
    4.1 初始参数设置
        4.1.1 仿真区域
        4.1.2 等离子体描述
        4.1.3 边界条件
        4.1.4 时间步长设置
        4.1.5 栅极电压设置
    4.2 仿真结果
        4.2.1 等离子体参数分布
        4.2.2 流场分布
    4.3 栅极系统参数优化
        4.3.1 初始性能参数
        4.3.2 栅极孔径的影响
        4.3.3 栅极厚度的影响
        4.3.4 栅极间距的影响
        4.3.5 栅极电压的影响
        4.3.6 优化结果
    4.4 Ar工质条件下的仿真
        4.4.1 不同工质气体的特性分布比较
        4.4.2 不同加速电压的影响
    4.5 本章小结
5 双阶栅极系统实验研究
    5.1 实验装置
        5.1.1 高真空实验平台
        5.1.2 电子回旋共振离子源
        5.1.3 双阶栅极系统
        5.1.4 RPA分析仪
        5.1.5 法拉第筒
    5.2 高真空双阶栅极系统放电实验
        5.2.1 实验工况设置
        5.2.2 真空放电观测
        5.2.3 推力器性能测试
        5.2.4 结果分析
    5.3 本章小结
6 结论与展望
    6.1 本文内容总结
    6.2 未来工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]加速栅电压对双级加速离子光学系统栅极性能的影响[J]. 贾连军,张天平,刘明正,陈娟娟,贾艳辉.  激光与光电子学进展. 2018(05)
[2]电推力器中复杂电场求解的超松弛并行算法[J]. 韩亚杰,夏广庆,吴秋云,陈留伟,周念东,温正.  中国空间科学技术. 2017(05)
[3]双级加速离子光学系统几何参数研究[J]. 贾连军,张天平,陈娟娟,贾艳辉,刘明正.  激光与光电子学进展. 2017(04)
[4]GEO卫星霍尔推力器羽流防护结构混合PIC模拟[J]. 刘辉,罗晓明,温正,王珏,于达仁.  中国空间科学技术. 2016(01)
[5]基于Kr工质的离子推力器栅极PIC仿真[J]. 陈茂林,夏广庆,邹存祚,毛根旺.  强激光与粒子束. 2015(07)
[6]多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真[J]. 陈茂林,夏广庆,毛根旺.  物理学报. 2014(18)
[7]空间电推进技术及应用新进展[J]. 张天平,张雪儿.  真空与低温. 2013(04)
[8]基于CUDA的二维泊松方程快速直接求解[J]. 岳小宁,肖炳甲,罗正平.  计算机科学. 2013(10)
[9]离子发动机加速栅极孔扩大腐蚀的粒子模拟[J]. 任军学,谢侃,汤海滨,顾左.  推进技术. 2013(10)
[10]三维泊松方程基于Richardson外推法的高阶紧致差分方法[J]. 马月珍,葛永斌,王燕.  数学的实践与认识. 2011(08)

博士论文
[1]二维泊松方程和扩散方程的一类显式并行算法[D]. 许秋燕.山东大学 2010
[2]霍尔推力器电子运动行为的数值模拟[D]. 刘辉.哈尔滨工业大学 2009

硕士论文
[1]微弧阴极放电推力器系统设计及性能测试[D]. 王鹏.大连理工大学 2017
[2]电子回旋共振等离子体推力器电磁仿真与实验研究[D]. 邹存祚.大连理工大学 2017



本文编号：2942936