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离子推进器是电推进技术中最重要的应用之一。其工作原理是通过高压来加速被电离成等离子体的稀有气体,并在最后通过电子中和离子形成推力[1]。相比于其他推进器而言,离子推进器的优点是工作原理相对简单。缺点是由于其自身的固有缺陷,导致其栅极系统电压不能任意增加,继而导致其推力的大小受到限制。为了加强深空探索的能力,对于传统离子推进器的改进已刻不容缓。由Fearn设想的多阶段加速光学系统,应用在离子发动机上可以很好的解决离子推进器的缺点。这个新模型能够在栅极系统上施加极大的电压差来获得想要的推力。但是由于该模型比较新,对其研究尚不充分,尤其对其栅极系统的聚焦性能及寿命的相关研究的部分。本文即针对两阶段栅极系统的聚焦性能和寿命问题进行相关的研究。通过建立了基于IFE-PIC算法的三维模型来对离子推进器栅极系统的引出过程进行数值模拟,从而研究其栅极系统的聚焦性能。程序主要由PIC和IFE两大块组成。传统离子推进器与两阶段的不同具体体现在PIC模块中。其中PIC算法即是对计算区域内的每个粒子运动进行相关的计算,并更新粒子的运动直至仿真区域稳定。IFE算法则是计算每个迭代过程中仿真区域各个网格节点上的电势大小,从而得到粒子所受电场力大小。由于两阶段栅极系统模型的具体参数尚未公开,本文以现有的两阶段离子推进器栅极系统的模型为依据,同时参考QinetiQt6传统离子推进器的光学系统的参数,通过计算确定了两阶段栅极系统的基本参数。在得到两阶段栅极系统相关参数后,基于IFE-PIC方法对两阶段栅极系统进行仿真并得到其工况曲线图。由于两阶段离子推进器在上游离子密度较小的时候,相比于传统离子推进器,其加速栅极的冲击情况严重。本文根据设计过程,通过调整两阶段栅极系统中引出栅极孔径和加速栅极孔径的大小来改进模型的参数选择。由于两阶段的优势在于其栅极系统能施加极大的电压差得到想要的推力。而实际中,推进器的电源均是采用太阳能,暂时达不到极大的电压差,因此本文将对低功率情况下,两阶段的聚焦性能做相关的仿真分析。最后,考虑到大功率情况下的两阶段模型,对栅极的腐蚀情况将十分严重,进而影响离子推进器的寿命。因此,为了推高两阶段模型的寿命,本文还将研究参数改进后的两阶段栅极系统的腐蚀过程和程度。