[发明专利]一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法

说明书

本发明公开了一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。

技术领域

本发明涉及霍尔离子源技术领域，具体为一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法。

背景技术

随着空间探测的广度和深度地不断提升，对电推力器的需求越来越多，其中，霍尔推力器是电推进技术中常见的一种类型。尽管，当今关于霍尔推力器放电等离子体和自溅射的研究很多，但这些都是把放电等离子体和自溅射单独分离仿真研究，并没有把包括等离子体鞘层、准中性等离子体、羽流以及自溅仿真统一研究。但是由于所有仿真计算的初始条件和边界条件都对其结果和收敛过程有很大的影响，分开计算时这些条件的给定存在一定的任意性。

由于“自溅射”是发生在电推力器运行过程中，其内部一些部件受到能量较高的离子轰击，造成部件表面的粒子发生溅射的一种现象，是制约霍尔推力器应用发展的一个主要问题。这种自溅射伴随着整个推力器的运行，若存在长期高强度的自溅射，势必会影响推力器的稳定运行和自身的寿命，并且，这种自溅射都是要经过成千上百小时的运行才能测得其形貌的变化，实验花费高，且实验效率比较低。电推力器都是工作在真空环境中，实验研究对环境要求较高。所以，对电推力器的自溅射的研究中大量使用了仿真研究方法，在电推力器的数值仿真方法中，粒子模拟被认为是最接近实际的一种仿真方法。然而，要详细掌握放电等离子体工作特性和器壁自溅射情况，网格长度必须在德拜长度以内，并且时间步长非常的小。此外，追踪的电子、离子数目必须足够多，才能真实反映推力器的运行情况，具有计算量更大的问题。

综上所述，现有的电推力器的仿真方法存在：离子体鞘层、准中性等离子体、羽流以及自溅仿真方法彼此割裂；电推力器自溅射实验研究计算量太大导致的所需时间长、耗资较大等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有技术中存在的缺陷，从仿真方法入手，通过缩放技术来降低仿真工作量，加速仿真进程，并且在等离子体仿真过程中内嵌自溅射模块，同时得到推力器内放电等离子体特性和自溅射情况。

为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种霍尔电推力器放电等离子体和自溅射的仿真方法，包括：S1：获取霍尔推力器参数并生成基于圆柱坐标系的推力器参数；S2：基于所述推力器参数的磁场数据通过python语言配置磁场导入模块；S3：基于所述磁场导入模块并通过python语言配置仿真区域；S4：基于vorpal求解器配置电磁场求解耦合模块，并基于所述电磁场求解耦合模块和所述磁场导入模块生成整体电磁场仿真模型；S5：配置所述整体电磁场仿真模型内的粒子参数及每个仿真边界和器壁边界的边界条件数据，并基于所述器壁边界的边界条件数据配置粒子的入射模块和自溅射模块，构成自溅射模型；S6：配置蒙特卡洛碰撞模块进行仿真并生成仿真结果。

可选地，所述S1包括：S11：获取霍尔推力器参数，建立基于圆柱坐标系的霍尔推力器的模拟区域大小、网格大小和网格数量；S12：对所述霍尔推力器参数的物理参数进行缩放处理生成基于圆柱坐标系的推力器参数。

可选地，所述S12包括：对模拟区域做α(α＞1)倍的缩小处理，在保证等离子体动力学特性和无量纲化参数不变的条件下，基于缩小、放大、不变三种处理方式生成整体仿真变量，其中，缩放后的物理量为：磁场强度B′＝αB、电势气体流量m^’＝m、放电电流电场E′＝αE、粒子数密度n′＝αn、温度T′＝T、推力比冲I′_s＝I_s和效率η′＝η进行逐个进行缩放处理。