(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211314608.2 (22)申请日 2022.10.25 (71)申请人 兰州空间技 术物理研究所 地址 730010 甘肃省兰州市城关区高新飞 雁街100号 (72)发明人 陈娟娟　王彦龙　耿海　李娟　 杨浩　郭德洲　张涛　孟伟　 (74)专利代理 机构 北京元理果知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11938 专利代理师 饶小平 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种变孔径栅极离 子推力器性能计算方法 (57)摘要 本申请涉及空间电推进技术领域， 具体而 言， 涉及一种变孔径栅极离子推力器性能计算方 法， 包括步骤1： 将屏栅极进行区域划分； 步骤2： 确定每个区域对应的束流离子密度分布； 步骤3： 选择一个栅 极孔作为研究对象； 步骤4： 计算得到 每个区域屏栅极上游离子密度大小； 步骤5： 计算 每个时间步长进入栅极计算区域的离子个数； 步 骤6： 采用仿真计算的方法进行模拟； 步骤7： 计算 得到每个区域推力器束流引 出达到稳态后的总 引出束流； 步骤8： 得到推力器的总引出束流。 本 申请利用数值仿真计算的方法对整个推力器的 性能进行快速预测， 分析推力器在额定工况和特 定几何结构下的推力器最大引出束流， 判断该结 果是否符合推力器的性能设计要求。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 115495930 A 2022.12.20 CN 115495930 A 1.一种变孔径栅极离 子推力器性能计算方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 根据屏栅孔的直径大小， 将屏栅极从推力器的中心沿着推力器的径向方向进行 区域划分； 步骤2： 根据试验测量到的束流离子密度分布， 确定每个区域对应的束流离子密度分 布； 步骤3： 在每 个区域选择一个栅极孔作为数值模拟的研究对象； 步骤4： 根据束流离子密度和屏栅极上游离子密度之间的关系， 计算得到每个区域的模 拟对象对应的屏栅极上游离 子密度大小； 步骤5： 选取研究对象相邻两个栅极孔的各四分之一作为研究区域， 将屏栅极上游离子 密度大小作为初始条件， 计算每 个时间步长进入栅极计算区域的离 子个数； 步骤6： 采用仿真计算的方法模拟离子的加速、 聚焦和引出过程， 以及高能离子的产生 过程以及对栅极表面和孔 壁的轰击溅射刻蚀过程； 步骤7： 通过每个区域每个模拟对象能够引出的束流和每个栅极表面吸收或通过的束 流大小， 根据每个区域的面积占总面积的比例， 计算得到每个区域推力器束流引出达到稳 态后的总引出束流； 步骤8： 计算得到每个区域下单个栅极孔的平均引出束流， 进而得到推力器的总引出束 流。 2.根据权利要求1所述的变孔径栅极离子推力器性能计算方法， 其特征在于， 步骤1中， 进行区域划分的过程中， 屏栅 孔直径相等的区域 为一个区域。 3.根据权利要求2所述的变孔径栅极离子推力器性能计算方法， 其特征在于， 步骤3 中， 选择栅极孔的原则为栅极中心区域的栅孔对应的束流离子密度为最大值， 栅极边缘区域的 栅孔对应的束流离 子密度为 最小值， 栅极其 他区域的栅 孔对应的束流密度为平均值。 4.根据权利要求3所述的变孔径栅极离子推力器性 能计算方法， 其特征在于， 研究对象 为变孔径离 子推力器的栅极组件。 5.根据权利要求1所述的变孔径栅极离子推力器性能计算方法， 其特征在于， 步骤8中， 利用加权的方法计算得到每 个区域下 单个栅极孔的平均引出束流。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115495930 A 2一种变孔径栅极离 子推力器性能计算方 法 技术领域 [0001]本申请涉及空间电推进技术领域， 具体而言， 涉及一种变孔径栅极离子推力器性 能计算方法。 背景技术 [0002]相比于化学推力器， 离子推力器具有比冲高、 结构紧凑、 重量体积小、 工作寿命长、 多次重复启动、 推力小和控制精度高等诸多优点， 能够极大地增加航 天器的有效载荷、 延 长 航天器的使用寿命， 降低航天器的发射成本 。 [0003]栅极组件是离子推力器的重要组成部组件之一， 其栅极孔的引出性能直接决定了 推力器的整体工作性能， 因为推力器放电室内部离子密度的测量非常困难， 且每个栅极孔 能够引出的最大束流与其几何结构参数和工作参数有关， 如果采用试验测量的方法来检测 推力器的性能对推力器优化设计来说代价是非常高的， 因此数值模拟成为了栅极束流引出 和高能离 子轰击溅射， 即推力器性能评估和寿命预测的最佳 方法。 [0004]但通常栅极组件由上万个栅孔组成， 要采用 数值仿真对每个栅极孔进行数值模 拟， 在实际工作中是几乎不可实现的， 到目前为止栅极组件的数值模拟对 象均为半个栅极 孔或两个栅极孔的各四分之一， 屏栅上游离子密度沿径向分布的不均匀 性， 使得每个栅极 孔在一定的栅极几何结构参数和工作电参数下引出的最大束流差别较大， 如何利用单个栅 极孔的仿真计算结果得到较为准确的整个推力器束流对推力器性能预测 来说是非常关键 的。 发明内容 [0005]本申请提供了一种变孔径栅极离子推力器性能计算方法， 一方面能够利用仿真计 算的方法从微观角度研究束流离子的加速聚焦和引出过程， 另一方面能够更为深入的研究 高能离子对栅极孔 壁或表面的轰击溅射刻蚀过程。 [0006]为了实现上述目的， 本申请提供了一种变孔径栅极离子推力器性能计算方法， 包 括如下步骤： 步骤1： 根据屏栅孔的直径大小， 将屏栅极从推力器的中心沿着推力器的径向 方向进行区域划分； 步骤2： 根据试验测量到的束流离子密度分布， 确定每个区域对应的束 流离子密度分布； 步骤3： 在每个区域选择一个栅极孔作为数值模拟的研究对象； 步骤4： 根 据束流离子密度和屏栅极上游离子密度之 间的关系， 计算得到每个区域的模拟对象对应的 屏栅极上游离子密度大小； 步骤5： 选取研究对象相 邻两个栅极孔的各四分之一作为研究区 域， 将屏栅极上游离子密度大小作为初始条件， 计算每个时间步长进入栅极计算区域的离 子个数； 步骤6： 采用仿 真计算的方法模拟离子的加速、 聚焦和引出过程， 以及高能离子的产 生过程以及 对栅极表面和孔壁的轰击溅射刻蚀过程； 步骤7： 通过每个区域每个模拟对象能 够引出的束流和每个栅极表面吸收或通过的束流大小， 根据每个区域的面积占总面积的比 例， 计算得到每个区域推力器束流引出达到稳态后的总引出束流； 步骤8： 计算得到每个区 域下单个栅极孔的平均引出束流， 进 而得到推力器的总引出束流。说　明　书 1/4 页 3 CN 115495930 A 3