一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法技术

本发明专利技术公开了一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，包括：通过实验测量获得加速栅极下游的单孔束流大小；选取一对屏栅、加速栅孔作为数值仿真研究的对象；根据束流电流和屏栅极上游等离子体密度的关系，获取初始的屏栅上游等离子体密度；根据上游等离子体密度计算获得德拜长度，并选取仿真网格的尺寸；根据中性气体碰撞模型，获得仿真区域内每个网格节点上中性气体密度；建立栅极腐蚀形貌演化模型，开始束流计算，仿真得到单孔束流大小，通过实验值进行反馈调节，确定最终的上游离子密度；处理离子与栅极的碰撞过程，开始腐蚀计算，获得栅极准确腐蚀速率；基于腐蚀速率减小网格质量，消去网格节点，实现栅极形貌的改变。实现栅极形貌的改变。实现栅极形貌的改变。

【技术实现步骤摘要】
一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法


[0001]本专利技术属于等离子体推进
，具体涉及一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法。

技术介绍

[0002]离子推力器具有推力小、比冲高、寿命长等特点，被广泛的应用于空间推进，如航天器姿态控制、位置保持、轨道机动、星际飞行等方面。随着我国航天事业的发展，空间探测任务向更高载荷、更远距离、更长时间发展。
[0003]离子推力器运行过程中荷能离子会轰击在空心阴极、屏栅极、加速栅极等离子推力器部件上，造成腐蚀。由于加速栅极存在较大的负电位，加速栅极下游的离子在负的电势的吸引下造成的腐蚀最为严重，成为了制约离子推力器寿命的一个关键因素。
[0004]传统的离子推力器栅极腐蚀测量实验，实验测量周期长，一般为数千小时，对于耐溅射的碳碳栅极而言更是长达上万小时。数值仿真手段可以模拟栅极束流离子的引出以及离子在栅极上的溅射腐蚀过程，因此是一种高效的预测栅极腐蚀形貌演变的方法。现有的栅极腐蚀模型建设方案考虑了栅极形貌的变化对于场计算边界条件的修正，然而对于溅射腐蚀而言，栅极形貌变化会引起栅极局部法向发生改变，导致离子入射栅极角度发生偏差，很难对于栅极腐蚀形貌演变进行精准的预测。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，基于基本的实验测量结果，采用数值仿真的方法，对于离子推力器栅极腐蚀形貌演变进行准确的预测。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，包括以下步骤：
[0008]S1：通过实验测量，获得加速栅极下游的单孔束流大小；
[0009]S2：对选取的屏栅、加速栅孔所在的圆柱形区域进行数值仿真，获得轴对称计算域；
[0010]S3：在所述轴对称计算域中，根据束流电流和屏栅极上游等离子体密度的关系，获得初始的屏栅上游等离子体密度；
[0011]S4：根据屏栅上游等离子体密度，获得德拜长度，基于德拜长度，获得仿真网格的尺寸；
[0012]S5：根据中性气体碰撞模型，获得仿真区域内每个网格节点上中性气体密度；
[0013]S6：建立栅极腐蚀形貌演化模型，基于所述栅极腐蚀形貌演化模型，开始束流计算，仿真得到单孔束流大小；基于仿真得到的单孔束流大小和所述S1中，通过实验测量获得的单孔束流大小，对初始的屏栅上游等离子体密度进行反馈调节，获得最终的屏栅上游等离子体密度；
[0014]S7：处理离子与栅极的碰撞过程，生成电荷交换离子；基于所述电荷交换离子，开始腐蚀计算，并采用栅极质心和重心对于离子碰撞角度进行修正，获得栅极腐蚀速率；
[0015]S8：基于所述栅极腐蚀速率减小网格质量，当网格质量满足预设要求时，消去网格节点，实现栅极形貌的改变。
[0016]优选的，所述S2中，所述轴对称计算域包括：屏栅上游区域、屏栅、栅极之间区域、加速栅和加速栅下游区域。
[0017]优选的，所述S3中，获得初始的屏栅上游等离子体密度的方法包括：
[0018][0019]其中，η是栅极系统的透明度，e为元电荷的电荷量，k是玻尔兹曼常数，T
e
是电子温度，m
i
是离子质量，R为计算域半径。
[0020]优选的，所述S4中，获得德拜长度的方法包括：
[0021][0022]其中，ε0为真空介电常数，k为Boltzmann常数，T
e
为等离子体中电子温度，n0为参考等离子体密度，e为元电荷电荷量。
[0023]优选的，所述S6中，基于所述栅极腐蚀形貌演化模型，进行束流计算，仿真得到单孔束流大小的方法包括：
[0024]S61：在所述轴对称计算域的左边界抛洒离子；
[0025]S62：通过逐次超松弛迭代的方法求解泊松方程，获得每一个轴对称计算域内网格节点上的电势和电场大小；
[0026]S63：所述轴对称计算域内的离子在所述电势和电场下受力运动；
[0027]S64：重复所述S61、所述S62和所述S63过程，直到所述轴对称计算域内的离子数量不再变化，获得单孔束流大小。
[0028]优选的，所述S7中，生成电荷交换离子的方法包括：
[0029]根据所述S5中获得的各个网格节点上的中性原子密度，采用蒙特卡洛碰撞的方式处理离子与中性原子电荷交换碰撞过程，生成电荷交换离子。
[0030]优选的，所述S7中，获得栅极腐蚀速率的方法包括：
[0031]选取以碰撞网格为中心的九个网格作为一个表面单元，通过计算获得所述九个网格的质心坐标(z
m
,r
m
)，形状中心坐标(z
c
,r
c
)；
[0032]基于所述质心坐标(z
m
,r
m
)和所述形状中心坐标(z
c
,r
c
)，获得被轰击网格节点处的表面法向
[0033]基于所述被轰击网格节点处的表面法向和电荷交换离子入射向量获得离子入射方向与栅极局部表面的夹角
[0034]基于束流计算，获得电荷交换离子能量；
[0035]基于所述离子入射方向与栅极局部表面的夹角和所述电荷交换离子能量，获得每个离子的溅射产额Y(E,θ)，其中E为入射离子能量；
[0036]基于每个离子的溅射产额Y(E,θ)，获得栅极不同节点位置的腐蚀速率N
r
＝∑Y(E,θ)/Δt，其中Y(E,θ)为单个离子溅射产额值，Δt为发生溅射行为的时间。
[0037]优选的，所述S8中，实现栅极形貌的改变的方法包括：
[0038]基于所述栅极腐蚀速率减小网格质量，当损失的原子数量小于节点时N
r
＜N
node
，栅极形状不发生改变；
[0039]当损失的原子数量大于节点时N
r
＞N
node
消去网格节点，实现栅极形貌的改变。
[0040]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0041]本专利技术采用最新的栅极腐蚀形貌对离子轰击栅极的角度进行修正，获得精确的栅极腐蚀速率，能够准确通过数值仿真计算获得栅极腐蚀形貌的演变过程，实现对于离子推力器设计参数的快速优化指导，可以大幅的缩短推力器的设计周期，有效的提高了生产效率。
附图说明
[0042]为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0043]图1为本专利技术实施例中的一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法的流程示意图；
[0044]图2为本专利技术实施例中的仿真对象的选择(虚线圈)以及仿真计算域的设置示意图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：通过实验测量，获得加速栅极下游的单孔束流大小；S2：对选取的屏栅、加速栅孔所在的圆柱形区域进行数值仿真，获得轴对称计算域；S3：在所述轴对称计算域中，根据束流电流和屏栅极上游等离子体密度的关系，获得初始的屏栅上游等离子体密度；S4：根据屏栅上游等离子体密度，获得德拜长度，基于德拜长度，获得仿真网格的尺寸；S5：根据中性气体碰撞模型，获得仿真区域内每个网格节点上中性气体密度；S6：建立栅极腐蚀形貌演化模型，基于所述栅极腐蚀形貌演化模型，开始束流计算，仿真得到单孔束流大小；基于仿真得到的单孔束流大小和所述S1中，通过实验测量获得的单孔束流大小，对初始的屏栅上游等离子体密度进行反馈调节，获得最终的屏栅上游等离子体密度；S7：处理离子与栅极的碰撞过程，生成电荷交换离子；基于所述电荷交换离子，开始腐蚀计算，并采用栅极质心和重心对于离子碰撞角度进行修正，获得栅极腐蚀速率；S8：基于所述栅极腐蚀速率减小网格质量，当网格质量满足预设要求时，消去网格节点，实现栅极形貌的改变。2.根据权利要求1所述的离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，其特征在于，所述S2中，所述轴对称计算域包括：屏栅上游区域、屏栅、栅极之间区域、加速栅和加速栅下游区域。3.根据权利要求1所述的离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，其特征在于，所述S3中，获得初始的屏栅上游等离子体密度的方法包括：其中，η是栅极系统的透明度，e为元电荷的电荷量，k是玻尔兹曼常数，T
e
是电子温度，m
i
是离子质量，R为计算域半径。4.根据权利要求1所述的离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，其特征在于，所述S4中，获得德拜长度的方法包括：其中，ε0为真空介电常数，k为Boltzmann常数，T
e
为等离子体中电子温度，n0为参考等离子体密度，e为元电荷电荷量。5.根据权利要求1所述的离子推力器栅极腐蚀形貌演化预测方法，其特征在于，所述S6中，基于所述栅极腐蚀形貌演化模型，进行束流计算，仿真得到单孔束流大小的方法包括：S61：在所述轴对称计算域的左边界抛洒离子；S62：通过逐次超松弛迭代的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱政羲，苗龙，杨统勋，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：