[发明专利]一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法

说明书

本发明涉及离子推进器数值模拟领域，具体为一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法。本发明利用离子推进器电荷交换碰撞的物理特点结合计算机领域的图形处理器(GPU)单指令多线程的特性，实现了离子推进器电荷交换碰撞MCC算法的单指令多数据的并行执行，极大地提高了计算效率，节约了计算时间。

技术领域

本发明涉及离子推进器数值模拟领域，具体为一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法。

背景技术

电推进是一种利用电能电离推进剂产生高的喷射速度实现推力的技术。电推进比传统化学推进技术的比冲高，是传统推进系统的10倍及以上，因此可以大幅度减少航天器推进剂的携带量，从而显著提高航天器的有效载荷。一般电推进装置分为三种类型：静电式、电热式和电磁式。离子推进器是静电式推进器的一种，离子推进器相比其他推进器而言，最大优点在于比冲、效率都高于其它推进器。离子推进器一直是世界各国在电推进系统中的研究重点，主要用于执行卫星变轨、姿态控制、南北轨道保持等任务。

离子推进器工作中主要发生以下几个关键的物理过程：放电室放电过程、离子引出过程和羽流形成过程。在放电室放电的过程中，气体推进剂与高速的电子发生电离碰撞，产生电子和离子，未参与电离碰撞的推进剂中性原子与电离产生的离子会发生电荷交换碰撞；在离子引出的过程中，离子经过引出系统时会与推进剂中性原子发生电荷交换碰撞而产生慢速离子，慢速离子可能会返流进而撞击引出系统的各部件，最终影响到引出系统的使用寿命；在羽流形成的过程中，喷出的束流离子与未完全电离的推进剂中性原子也会发生电荷交换碰撞，形成慢速离子，该慢速离子易于返流，进而撞击航天器和太阳能电池帆板，最终影响航天器和太阳能电池帆板的正常工作。综上所述，在离子推进器的各关键物理过程中，电荷交换碰撞均为离子推进器研究中不可或缺的重要影响因素。

考虑到地面模拟试验的局限性和飞行试验的高昂成本，离子推进器的数值模拟得到了广泛的应用，电荷交换碰撞作为离子推进器的一个重要的物理问题，对于其数值模拟的研究具有重要意义。目前对于电荷交换碰撞研究的主要方法为蒙特卡洛(MCC)方法。MCC是跟踪粒子运动和碰撞的一种数值模拟方法。在离子推进器电荷交换碰撞的应用中，该方法描述的是一个随时间演化的粒子运动和电荷交换碰撞过程，模拟时不可避免地会产生庞大的数值计算负担，产生的原因主要有以下三点：

1.时间步长短。模拟时选取的时间步长尺度必须小于离子推进器中粒子运动和电荷交换碰撞最小的物理特征时间，而通常情况下该物理特征时间均很短，因此必须选取小于最小物理特征时间的时间步长才能给出正确的模拟结果。

2.模拟粒子数目多。这不仅是由于离子推进器电荷交换碰撞物理过程中真实粒子数目本身很多，而且只有采用足够多的模拟粒子数目才能正确描述粒子运动和碰撞的统计规律。

3.时间迭代步数多。由于MCC方法是描述粒子运动和碰撞随时间的演化过程，因此需要大量的时间步数才能实现从离子推进器电荷交换碰撞物理过程的初始状态持续模拟达到该物理过程的稳态。

综合以上原因可以得出，MCC方法在离子推进器电荷交换碰撞应用中，运算时间长、运算效率低，因此常规的MCC方法在离子推进器的电荷交换碰撞研究中是低效的。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决MCC方法在离子推进器电荷交换碰撞数值模拟应用中存在的效率低下、计算耗时的问题，本发明利用图形处理器GPU的硬件架构特点，提供了一种用于离子推进器数值模拟的电荷交换碰撞MCC方法。

具体技术方案如下：

步骤1、在GPU设备端的全局内存上开辟两段存储空间。一段存储空间定义结构体数组，大小为能存储下模拟区域中离子推进器的所有粒子信息，即初始粒子的速度、位置和粒子属性标记信息，并且初始粒子属性标记均初始化为1，我们用1代表未参与电荷交换碰撞的快速粒子，用2代表参加电荷交换碰撞之后的慢速粒子；另一段存储空间定义一个数组，大小为粒子的个数，用来存储粒子参加电荷交换碰撞判断时所需要的随机数，并将数组内的值均赋值为0。