本文闡述了電推進(jìn)技術(shù)相較于化學(xué)推進(jìn)的優(yōu)缺點,并對電推進(jìn)技術(shù)的原理及基本組成進(jìn)行了總結(jié)。作為最成功的電推力器之一,柵極離子推力器在近幾十年來得到了越來越廣泛且細(xì)致的研究。而隨著各種新型空間任務(wù)的提出,電推力器系統(tǒng)將向著大功率、高比沖方向發(fā)展。針對傳統(tǒng)柵極離子推力器中加速與引出過程相互耦合的問題,學(xué)者提出了雙階柵極的概念,將離子的引出和加速過程分離,從而大幅提高柵極離子推力器的比沖。雙階柵極系統(tǒng)作為一種新型的柵極結(jié)構(gòu),對其進(jìn)行仿真模擬工作十分必要。本文根據(jù)國內(nèi)外對雙階柵極系統(tǒng)開展的初步研究和相關(guān)基礎(chǔ)理論進(jìn)行歸納總結(jié),并對柵極系統(tǒng)開展PIC/MCC仿真工作。PIC/MCC方法是等離子體輸運和電推進(jìn)領(lǐng)域常用的基于粒子動力學(xué)的數(shù)值模擬方法,它采用“宏粒子”的概念接近真實地對等離子體的輸運過程進(jìn)行描述。此外,針對PIC/MCC方法計算量較大的問題,本文提出了一種求解復(fù)雜電場的三維并行算法,加快PIC方法中每一時間步的電場求解速度,從而提高計算效率。本文在對等離子體在柵極系統(tǒng)中的輸運過程進(jìn)行初步計算之后,針對以Xe為工質(zhì)的高比沖雙階柵極系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,具體包括柵極孔徑、厚度、間距、電壓的影響情況,... 

【文章來源】：大連理工大學(xué)遼寧省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：84 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 電推進(jìn)概述
        1.2.1 電推進(jìn)系統(tǒng)原理及分類
        1.2.2 電推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成
    1.3 離子推力器概述
        1.3.1 工作原理
        1.3.2 柵極系統(tǒng)
    1.4 雙階柵極離子推力器概述
        1.4.1 雙階柵極離子推力器原理
        1.4.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.5 論文研究內(nèi)容
2 數(shù)值模擬方法
    2.1 數(shù)值模擬方法概述
    2.2 PIC方法的基本理論
        2.2.1 初始化宏粒子
        2.2.2 粒子插值分配
        2.2.3 電磁場求解
        2.2.4 粒子運動
        2.2.5 穩(wěn)定性條件
    2.3 碰撞處理方法
        2.3.1 MCC方法概述
        2.3.2 碰撞類型選擇及碰撞后處理方式
        2.3.3 本文中工質(zhì)氣體的碰撞截面
    2.4 本章小結(jié)
3 一種求解復(fù)雜電場的三維并行算法
    3.1 泊松方程及分組顯式格式
        3.1.1 三維泊松方程
        3.1.2 分組顯式格式
    3.2 并行超松弛算法流程
        3.2.1 區(qū)域分解
        3.2.2 迭代算法
        3.2.3 OpenMP模塊
    3.3 數(shù)值算例
        3.3.1 柱形IEC裝置計算
        3.3.2 球形IEC裝置計算
    3.4 本章小結(jié)
4 高比沖雙階柵極系統(tǒng)仿真模擬及優(yōu)化
    4.1 初始參數(shù)設(shè)置
        4.1.1 仿真區(qū)域
        4.1.2 等離子體描述
        4.1.3 邊界條件
        4.1.4 時間步長設(shè)置
        4.1.5 柵極電壓設(shè)置
    4.2 仿真結(jié)果
        4.2.1 等離子體參數(shù)分布
        4.2.2 流場分布
    4.3 柵極系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化
        4.3.1 初始性能參數(shù)
        4.3.2 柵極孔徑的影響
        4.3.3 柵極厚度的影響
        4.3.4 柵極間距的影響
        4.3.5 柵極電壓的影響
        4.3.6 優(yōu)化結(jié)果
    4.4 Ar工質(zhì)條件下的仿真
        4.4.1 不同工質(zhì)氣體的特性分布比較
        4.4.2 不同加速電壓的影響
    4.5 本章小結(jié)
5 雙階柵極系統(tǒng)實驗研究
    5.1 實驗裝置
        5.1.1 高真空實驗平臺
        5.1.2 電子回旋共振離子源
        5.1.3 雙階柵極系統(tǒng)
        5.1.4 RPA分析儀
        5.1.5 法拉第筒
    5.2 高真空雙階柵極系統(tǒng)放電實驗
        5.2.1 實驗工況設(shè)置
        5.2.2 真空放電觀測
        5.2.3 推力器性能測試
        5.2.4 結(jié)果分析
    5.3 本章小結(jié)
6 結(jié)論與展望
    6.1 本文內(nèi)容總結(jié)
    6.2 未來工作展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]加速柵電壓對雙級加速離子光學(xué)系統(tǒng)柵極性能的影響[J]. 賈連軍,張?zhí)炱?劉明正,陳娟娟,賈艷輝.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2018(05)
[2]電推力器中復(fù)雜電場求解的超松弛并行算法[J]. 韓亞杰,夏廣慶,吳秋云,陳留偉,周念東,溫正.  中國空間科學(xué)技術(shù). 2017(05)
[3]雙級加速離子光學(xué)系統(tǒng)幾何參數(shù)研究[J]. 賈連軍,張?zhí)炱?陳娟娟,賈艷輝,劉明正.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2017(04)
[4]GEO衛(wèi)星霍爾推力器羽流防護(hù)結(jié)構(gòu)混合PIC模擬[J]. 劉輝,羅曉明,溫正,王玨,于達(dá)仁.  中國空間科學(xué)技術(shù). 2016(01)
[5]基于Kr工質(zhì)的離子推力器柵極PIC仿真[J]. 陳茂林,夏廣慶,鄒存祚,毛根旺.  強激光與粒子束. 2015(07)
[6]多模式離子推力器柵極系統(tǒng)三維粒子模擬仿真[J]. 陳茂林,夏廣慶,毛根旺.  物理學(xué)報. 2014(18)
[7]空間電推進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用新進(jìn)展[J]. 張?zhí)炱?張雪兒.  真空與低溫. 2013(04)
[8]基于CUDA的二維泊松方程快速直接求解[J]. 岳小寧,肖炳甲,羅正平.  計算機科學(xué). 2013(10)
[9]離子發(fā)動機加速柵極孔擴大腐蝕的粒子模擬[J]. 任軍學(xué),謝侃,湯海濱,顧左.  推進(jìn)技術(shù). 2013(10)
[10]三維泊松方程基于Richardson外推法的高階緊致差分方法[J]. 馬月珍,葛永斌,王燕.  數(shù)學(xué)的實踐與認(rèn)識. 2011(08)

博士論文
[1]二維泊松方程和擴散方程的一類顯式并行算法[D]. 許秋燕.山東大學(xué) 2010
[2]霍爾推力器電子運動行為的數(shù)值模擬[D]. 劉輝.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009

碩士論文
[1]微弧陰極放電推力器系統(tǒng)設(shè)計及性能測試[D]. 王鵬.大連理工大學(xué) 2017
[2]電子回旋共振等離子體推力器電磁仿真與實驗研究[D]. 鄒存祚.大連理工大學(xué) 2017



本文編號：2942936