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多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

陈茂林 夏广庆 毛根旺

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多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

陈茂林, 夏广庆, 毛根旺

Three-dimensional particle in cell simulation of multi-mode ion thruster optics system

Chen Mao-Lin, Xia Guang-Qing, Mao Gen-Wang
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  • 栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关. 对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况. 采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求. 分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀. 研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.
    The optics is one of the main components of an ion thrust, which influences the performance and thruster lifetime. The operation of ion thruster can be evaluated by numerical simulation based on the current-voltage entrance condition, especially for thruster with a variety of operating modes. The plasma transport process is simulated with 3D-PIC (particle in cell) method for a two-grids optic. The performances of the NSTAR thruster under different operating modes are calculated and compared with the results of in-orbit test, verifying the correctness of the simulation mode. The influences of operation modes on the electric field distribution and the beam state are analyzed, and the requirements of multi-mode design for ion thruster are discussed. The results show that a convex sheath and concave zero equipotential surface away from the optic, low value of “saddle point”, and gentle downstream potential distribution, which help to improve ion pass rate, suppress electronic reflux and reduce Pits-and-Grooves corrosion, are the target of ion thruster mode design. Increasing beam voltage will result in a high loss caused by the divergence angle, and extend the beam current range for a good operation condition. For a large beam current mode, high beam voltage will make the beam have a better “focus” state, and reduce the Barrel corrosion. The results will provide a reference for the operation mode design for the multi-mode ion thruster.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:51276147,11105023,11275034)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:3102014KYJD005)、西北工业大学基础研究基金(批准号:NPU-FFR-JC20120201)和工业装备结构分析国家重点实验室开放基金(批准号:GZ1101)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51276147, 11105023, 11275034), the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant No. 3102014KYJD005), the NPU Foundation for Fundamental Research, China (Grant No. NPU-FFR-JC20120201), and Open Project of State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, China (Grant No. GZ1101).
    [1]

    Sovey J S, Rawlin V K, Patterson M J 2001 J. Propuls. Power 17 517

    [2]

    Patterson M J, Sovey J S 2013 J. Aerospace Engineer. 26 300

    [3]

    Yamamoto N, Tomita K, Yamasaki N, Tsuru T, Ezaki T, Kotani Y, Uchino K, Nakashima H 2010 Plasma Sources Sci. Technol. 19 045009

    [4]

    Wang J, Polk J, Brophy J, Katz I 2003 J. Propuls. Power 19 1192

    [5]

    Whealton J H, Whitson J C 1980 Particle Accelerators 10 235

    [6]

    Wheelock A, Cooke D L, Gatsonis N A 2004 Comput. Phys. Commun. 164 336

    [7]

    Miyasaka T, Kobayashi T, Asato K 2010 Vacuum 85 585

    [8]

    Miyamoto K, Okuda S, Hatayama A, Hanada M, Kojima A 2013 AIP Conference Proceedings 1515 22

    [9]

    Miyamoto K, Okuda S, Hatayama A, Hanada M, Kojima A 2013 Appl. Phys. Lett. 102 023512

    [10]

    Zhong L W, Liu Y, Li J, Gu Z, Jiang H C, Wang H X, Tang H B 2010 Chin. J. Aeronaut. 23 15

    [11]

    Liu C, Tang H B, Gu Z, Jiang H C 2006 High Power Laser and Particle Beams 18 1193(in Chinese)[刘畅, 汤海滨, 顾佐, 江豪城 2006 强激光与粒子束 18 1193]

    [12]

    Du J 2009 M. S. Dissertation (Harbin: Harbin Institute of Technology) (in Chinese)[杜军 2009 硕士学位论文 (哈尔滨: 哈尔滨工业大学)]

    [13]

    Sun A B 2010 Ph. D. Dissertation (Xi'an: Northwestern Polytechnical University) (in Chinese)[孙安邦 2010 博士学位论文 (西安: 西北工业大学)]

    [14]

    Jia Y H, Li Z M, Zhang T P, Li J 2012 Chin. Space Sci. Technol. 32 72(in Chinese)[贾艳辉, 李忠明, 张天平, 李娟 2012 中国空间科学技术 32 72]

    [15]

    Wang H Y, Jiang W, Sun P, Kong L B 2014 Chin. Phys. B 23 035204

    [16]

    Hu W P, Sang C F, Tang T F, Wang D Z, Li M, Jin D Z, Tan X H 2014 Phys. Plasmas 21 033510

  • [1]

    Sovey J S, Rawlin V K, Patterson M J 2001 J. Propuls. Power 17 517

    [2]

    Patterson M J, Sovey J S 2013 J. Aerospace Engineer. 26 300

    [3]

    Yamamoto N, Tomita K, Yamasaki N, Tsuru T, Ezaki T, Kotani Y, Uchino K, Nakashima H 2010 Plasma Sources Sci. Technol. 19 045009

    [4]

    Wang J, Polk J, Brophy J, Katz I 2003 J. Propuls. Power 19 1192

    [5]

    Whealton J H, Whitson J C 1980 Particle Accelerators 10 235

    [6]

    Wheelock A, Cooke D L, Gatsonis N A 2004 Comput. Phys. Commun. 164 336

    [7]

    Miyasaka T, Kobayashi T, Asato K 2010 Vacuum 85 585

    [8]

    Miyamoto K, Okuda S, Hatayama A, Hanada M, Kojima A 2013 AIP Conference Proceedings 1515 22

    [9]

    Miyamoto K, Okuda S, Hatayama A, Hanada M, Kojima A 2013 Appl. Phys. Lett. 102 023512

    [10]

    Zhong L W, Liu Y, Li J, Gu Z, Jiang H C, Wang H X, Tang H B 2010 Chin. J. Aeronaut. 23 15

    [11]

    Liu C, Tang H B, Gu Z, Jiang H C 2006 High Power Laser and Particle Beams 18 1193(in Chinese)[刘畅, 汤海滨, 顾佐, 江豪城 2006 强激光与粒子束 18 1193]

    [12]

    Du J 2009 M. S. Dissertation (Harbin: Harbin Institute of Technology) (in Chinese)[杜军 2009 硕士学位论文 (哈尔滨: 哈尔滨工业大学)]

    [13]

    Sun A B 2010 Ph. D. Dissertation (Xi'an: Northwestern Polytechnical University) (in Chinese)[孙安邦 2010 博士学位论文 (西安: 西北工业大学)]

    [14]

    Jia Y H, Li Z M, Zhang T P, Li J 2012 Chin. Space Sci. Technol. 32 72(in Chinese)[贾艳辉, 李忠明, 张天平, 李娟 2012 中国空间科学技术 32 72]

    [15]

    Wang H Y, Jiang W, Sun P, Kong L B 2014 Chin. Phys. B 23 035204

    [16]

    Hu W P, Sang C F, Tang T F, Wang D Z, Li M, Jin D Z, Tan X H 2014 Phys. Plasmas 21 033510

  • [1] 武文斌, 彭士香, 张艾霖, 周海京, 马腾昊, 蒋耀湘, 李凯, 崔步坚, 郭之虞, 陈佳洱. 微型电子回旋共振离子源的全局模型研究. 物理学报, 2022, 0(0): . doi: 10.7498/aps.71.20212250
    [2] 李建鹏, 靳伍银, 赵以德. 加速电压和阳极流率对离子推力器性能的影响. 物理学报, 2022, 71(1): 015202. doi: 10.7498/aps.71.20211316
    [3] 李建鹏, 靳伍银, 赵以德. 多模式离子推力器输入参数设计及工作特性研究. 物理学报, 2022, 71(7): 075203. doi: 10.7498/aps.71.20212045
    [4] 张钰如, 高飞, 王友年. 低气压感性耦合等离子体源模拟研究进展. 物理学报, 2021, 70(9): 095206. doi: 10.7498/aps.70.20202247
    [5] 夏旭, 杨涓, 付瑜亮, 吴先明, 耿海, 胡展. 2 cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟. 物理学报, 2021, 70(7): 075204. doi: 10.7498/aps.70.20201667
    [6] 龙建飞, 张天平, 杨威, 孙明明, 贾艳辉, 刘明正. 离子推力器推力密度特性. 物理学报, 2018, 67(2): 022901. doi: 10.7498/aps.67.20171507
    [7] 王宬朕, 董全力, 刘苹, 吴奕莹, 盛政明, 张杰. 激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟. 物理学报, 2017, 66(11): 115203. doi: 10.7498/aps.66.115203
    [8] 龙建飞, 张天平, 李娟, 贾艳辉. 离子推力器栅极透过率径向分布特性研究. 物理学报, 2017, 66(16): 162901. doi: 10.7498/aps.66.162901
    [9] 陈茂林, 夏广庆, 魏延明, 于洋, 孙安邦, 毛根旺. 电动帆平行双导线鞘层特性与受力分析. 物理学报, 2016, 65(20): 209601. doi: 10.7498/aps.65.209601
    [10] 陈茂林, 夏广庆, 徐宗琦, 毛根旺. 栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析. 物理学报, 2015, 64(9): 094104. doi: 10.7498/aps.64.094104
    [11] 陈兆权, 殷志祥, 陈明功, 刘明海, 徐公林, 胡业林, 夏广庆, 宋晓, 贾晓芬, 胡希伟. 负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟. 物理学报, 2014, 63(9): 095205. doi: 10.7498/aps.63.095205
    [12] 王宇, 陈再高, 雷奕安. 等离子体填充0.14 THz相对论返波管模拟. 物理学报, 2013, 62(12): 125204. doi: 10.7498/aps.62.125204
    [13] 刘雷, 李永东, 王瑞, 崔万照, 刘纯亮. 微波阶梯阻抗变换器低气压电晕放电粒子模拟. 物理学报, 2013, 62(2): 025201. doi: 10.7498/aps.62.025201
    [14] 陈兆权, 夏广庆, 刘明海, 郑晓亮, 胡业林, 李平, 徐公林, 洪伶俐, 沈昊宇, 胡希伟. 气体压强及表面等离激元影响表面波等离子体电离发展过程的粒子模拟. 物理学报, 2013, 62(19): 195204. doi: 10.7498/aps.62.195204
    [15] 杨超, 刘大刚, 周俊, 廖臣, 彭凯, 刘盛纲. 一种新型径向三腔同轴虚阴极振荡器全三维粒子模拟研究. 物理学报, 2011, 60(8): 084102. doi: 10.7498/aps.60.084102
    [16] 杨涓, 石峰, 杨铁链, 孟志强. 电子回旋共振离子推力器放电室等离子体数值模拟. 物理学报, 2010, 59(12): 8701-8706. doi: 10.7498/aps.59.8701
    [17] 杨雁南, 杨 波, 朱金荣, 沈中华, 陆 建, 倪晓武. 真空环境下激光与固体靶冲量耦合的机理分析和数值模拟. 物理学报, 2007, 56(10): 5945-5951. doi: 10.7498/aps.56.5945
    [18] 杨 涓, 苏纬仪, 毛根旺, 夏广庆. 外加磁场微波等离子推力器内流场数值模拟. 物理学报, 2006, 55(12): 6494-6499. doi: 10.7498/aps.55.6494
    [19] 卓红斌, 胡庆丰, 刘 杰, 迟利华, 张文勇. 超短脉冲激光与稀薄等离子体相互作用的准静态粒子模拟研究. 物理学报, 2005, 54(1): 197-201. doi: 10.7498/aps.54.197
    [20] 简广德, 董家齐. 环形等离子体中电子温度梯度不稳定性的粒子模拟. 物理学报, 2003, 52(7): 1656-1662. doi: 10.7498/aps.52.1656
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  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-04-15
  • 修回日期:  2014-05-08
  • 刊出日期:  2014-09-05

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

  • 1. 西北工业大学, 固体火箭发动机燃烧、热结构与内流场国防科技重点实验室, 西安 710072;
  • 2. 大连理工大学, 工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号:51276147,11105023,11275034)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:3102014KYJD005)、西北工业大学基础研究基金(批准号:NPU-FFR-JC20120201)和工业装备结构分析国家重点实验室开放基金(批准号:GZ1101)资助的课题.

摘要: 栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关. 对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况. 采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求. 分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀. 研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.

English Abstract

参考文献 (16)

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