离子推进器加速栅极腐蚀机理的研究

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电推进技术具有高比冲等特性,越来越广泛的应用于各种航天任务,如航天器位置保持、航天系统的主推进等。离子推进器栅极系统是推进器的重要组成部件,其主要功能包括将从电离室进入栅极系统的等离子体聚焦为离子束,利用高电压电场将离子束加速至极高的速度,将速度加快的离子束从加速栅极孔高速喷出为推进器供给动力。离子束流在栅极系统中的引出过程至关重要,它将影响到离子推进器栅极系统的腐蚀以及推进器的比冲、推力、效率等。栅极腐蚀直接影响到推进器的寿命,所以对栅极腐蚀的探讨有重要意义。本文使用基于IFE-PIC算法和MCC算法的三维仿真程序,模拟了离子在仿真区域内的运动、电荷交换(CEX)碰撞产生CEX离子的过程和加速栅极的腐蚀。研究结果显示,加速栅极下平面腐蚀是由于下游返回的CEX离子撞击下表面形成,加速栅极电势的变化对加速栅极孔内表面的腐蚀深度影响甚微,改变屏栅极电势致使加速栅极上游位置的CEX离子能量随之变化,影响加速栅极孔内表面的腐蚀;轰击加速栅极孔内表面的CEX离子来源于加速栅极的上游、孔内和下游三个位置,而且来源于加速栅极上游位置的CEX离子所具有的能量比来源于加速栅极下游及孔内的CEX离子所具有的能量大,加速栅极孔内表面的腐蚀主要由其上游产生的CEX离子在栅极之间的电场作用下加速运动碰撞加速栅极孔内表面而造成。本文还建立了栅极系统中中性粒子分布的DSMC数值计算模型,利用该程序模拟了中性粒子在计算区域内的运动和碰撞过程,输出中性粒子在计算区域内的分布,并以此代替原来中性粒子均匀分布于计算区域内的假设,对加速栅极的腐蚀进行研究。研究结果表明,利用束流离子和DSMC方法得到的中性粒子分布计算模拟区域内的CEX离子的产生和运动,得到的加速栅极电流与离子束电流之间的关系,与假设中性粒子均匀分布于计算区域内所得到的结果相比能更好的模拟电荷交换过程,并以此计算了加速栅极的腐蚀。
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