一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法技术

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孔径缩放设计方法，包括如下步骤：步骤1：采用网格离子法数值仿真计算得到一定电、气参数下，不同屏栅孔径和厚度组合对应的束流发散角；步骤2：将步骤1中束流发散角相等的屏栅孔径和厚度组合代入导流计算公式，计算得到相应的导流系数；步骤3：根据实际需要从步骤2具有相同导流系数的屏栅孔径和厚度组合中选择合适的参数作为设计参数即可。本申请利用等离子体鞘层结构相似性开展离子推力器栅极孔径缩放设计，使得等离子体鞘层位形不发生变化，保证栅极系统在几何尺寸发生变化时具有相似性。寸发生变化时具有相似性。寸发生变化时具有相似性。

【技术实现步骤摘要】
一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法


[0001]本申请涉及空间电推进
，具体而言，涉及一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法。

技术介绍

[0002]实现大功率、超高比冲一直是离子推力器重点发展的方向之一。为了实现离子推力器的大功率和超高比冲，需要大幅提升栅极系统的加速电压和束流引出能力。传统的双栅或三栅极系统，由于无法实现离子加速过程和引出过程的退耦合，只能通过扩大栅极面积实现推力器的大功率。
[0003]理论研究表明：传统栅极离子推力器栅极系统直径最大为50cm，实现的最大功率约50kW；双级四栅加速技术由于将离子的引出过程和加速过程退耦合，因此在不增加栅极直径的情况下，可以通过大幅提高引出电压和加速电压，实现推力器的大功率和超高比冲。图1为双级四栅加速系统示意图。理论研究表明，双级加速系统加速电压最高可加至80kV，采用氙工质比冲超过30000s，功率可达兆瓦级。
[0004]不论是传统的栅极离子推力器还是双级加速离子推力器，在大功率下，栅极系统均需承受较高的能量沉积，若栅极的厚度较小，会使得栅极发生严重的形变，降低栅极系统的寿命。研究表明，增加栅极厚度可以有效提高栅极的抗热形变能力，但增加栅极厚度，需要相应的增加栅极孔径才能保证栅极系统的导流系数不降低。因此，有必要开展栅极孔径和厚度缩放的设计方法研究。

技术实现思路

[0005]本申请的主要目的在于提供一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法，用于大功率离子推力器大孔径栅极系统的设计。
[0006]为了实现上述目的，本申请提供了一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法，包括如下步骤：步骤1：采用网格离子法数值仿真计算得到一定电、气参数下，不同屏栅孔径和厚度组合对应的束流发散角；步骤2：将步骤1中束流发散角相等的屏栅孔径和厚度组合代入导流计算公式，计算得到相应的导流系数；步骤3：根据实际需要从步骤2具有相同导流系数的屏栅孔径和厚度组合中选择合适的参数作为设计参数即可。
[0007]进一步的，步骤1中束流发散角的计算包括如下步骤：步骤1.1：在仿真系统中输入栅极电压和栅极几何参数等初始参数；步骤1.2：计算初始静电场，将模拟计算区域划分为大量网格，将各栅极施加的电压作为初始条件，通过求解poisson方程计算各节点的静电势和静电场，根据周围节点电场对其它位置的电场强度进行插值；步骤1.3：进入粒子，在离子推力器栅极系统的粒子模拟中模拟粒子包括推进剂离子和电子，推进剂离子进入计算区域的过程是通过向计算区域内加入模拟粒子来实现的，模拟中每个时间步都有一定数量的模拟粒子以特定的速度从计算区域的左边界(放电室)进入计算区域；步骤1.4：计算加入带电粒子后的电场强度，将带电粒子电量权重到周围网格节点，通过求解poisson方程计算各节
点电势和电场，根据周围节点电场对粒子所在位置的电场强度进行插值；步骤1.5：根据牛顿第二定律加速离子，离子的加速运动根据运动学原理可表示为：F＝m(dv/dt)，F＝M
i
a，dx/dt＝F；步骤1.6：判断电场是否改变，电场发生改变，则返回步骤1.2；步骤1.7：电场没有发生改变，则计算离子轨迹和束流发散角。
[0008]进一步的，步骤1.7中，离子轨迹的计算根据步骤1.5中牛顿第二定律计算得到每一时间步长离子的轴向位置和径向位置，即可得到离子的运动轨迹；束流发散角的计算根据统计到达计算区域右边界的所有离子的轴向位置和径向位置，并利用tanα＝y/x计算得到每一个离子的束流发散角d，根据束流发散角定义，统计获得的束流发散角。
[0009]进一步的，步骤2中，导流计算公式为：
[0010][0011]其中：ε0代表真空介电常数，e代表电子电荷，M
i
代表离子质量，ds代表屏栅小孔直径，lg代表栅极间距，ts代表屏栅厚度。
[0012]本专利技术提供的一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法，具有以下有益效果：
[0013]本申请利用等离子体鞘层结构相似性开展离子推力器栅极孔径缩放设计，使得等离子体鞘层位形不发生变化，保证栅极系统在几何尺寸发生变化时具有相似性，可以根据实际需要快速开展栅极设计。
附图说明
[0014]构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0015]图1是双极四栅加速系统示意图；
[0016]图2是不同屏栅孔径等离子体鞘层位形及离子轨迹；
[0017]图3是不同屏栅厚度等离子体鞘层位形及离子轨迹；
[0018]图4是本申请实施例提供的离子推力器栅极孔径缩放设计方法的流程图。
具体实施方式
[0019]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
[0020]需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清
楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0021]在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
[0022]并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
[0023]另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
[0024]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0025]如图4所示，本申请提供了一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法，包括如下步骤：步骤1：采用网格离子法数值仿真计算得到一定电、气参数下，不同屏栅孔径和厚度组合对应的束流发散角；步骤2：将步骤1中束流发散角相等的屏栅孔径和厚度组合代入导流计算公式，计算得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子推力器栅极孔径缩放设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用网格离子法数值仿真计算得到一定电、气参数下，不同屏栅孔径和厚度组合对应的束流发散角；步骤2：将步骤1中束流发散角相等的屏栅孔径和厚度组合代入导流计算公式，计算得到相应的导流系数；步骤3：根据实际需要从步骤2具有相同导流系数的屏栅孔径和厚度组合中选择合适的参数作为设计参数即可。2.如权利要求1所述的离子推力器栅极孔径缩放设计方法，其特征在于，所述步骤1中束流发散角的计算包括如下步骤：步骤1.1：在仿真系统中输入栅极电压和栅极几何参数等初始参数；步骤1.2：计算初始静电场，将模拟计算区域划分为大量网格，将各栅极施加的电压作为初始条件，通过求解poisson方程计算各节点的静电势和静电场，根据周围节点电场对其它位置的电场强度进行插值；步骤1.3：进入粒子，在离子推力器栅极系统的粒子模拟中模拟粒子包括推进剂离子和电子，推进剂离子进入计算区域的过程是通过向计算区域内加入模拟粒子来实现的，模拟中每个时间步都有一定数量的模拟粒子以特定的速度从计算区域的左边界(放电室)进入计算区域；步骤1.4：计算加入带电粒子后的电场强度，将带电粒子电量权重...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾连军，王小军，吴辰宸，吴先明，李兴达，贺亚强，蒲彦旭，李沛，耿海，郭宁，杨三祥，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：