[发明专利]霍尔推力器的全流程数值仿真系统及使用该系统的全流程数值仿真方法

说明书

本发明涉及一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统及全流程数值仿真方法，包括霍尔推力器二维结构设计模块、磁场仿真模块及等离子体仿真模块三个模块；通过霍尔推力器二维结构设计模块，开展推力器二维结构的设计，通过调节磁屏结构，线圈结构以及放电通道结构达到设计预期目标；通过磁场仿真模块，开展磁场拓扑结构的数值仿真，达到预期设计目标；通过等离子体仿真模块，开展放电通道和羽流区中等离子体特征参数的演化模拟，通过特征参数的随时演化物理图像展示推力器中等离子体的产生，增长到饱和的过程，并且通过特征参数评估推力器的性能。通过三个模块的协同工作实现霍尔推力器在设计研制全流程的数值仿真能力，实现等离子体在放电通道以及羽流区的产生，增长以及饱和演化全流程的数值仿真能力，更准确地评估推力器的工作性能。

技术领域

本发明涉及霍尔推力器的几何结构设计以及工作性能评估的全流程数值仿真系统，属于航天技术和低温等离子体技术领域。

背景技术

目前霍尔推力器的设计研制中，磁场拓扑结构的设计主要通过商用磁场仿真软件进行二维和三维的实现，其优化的依据主要来源于对磁场拓扑结构的经验判断，缺乏对包含等离子体情况的评估，并且所设计的确定的磁场拓扑结构不能完全移植到霍尔推力器中等离子体的数值仿真程序中。因此，无法保证数值仿真与实验设计的一致性。

现有霍尔推力器数值仿真系统中，主要存在以下问题：

1)没有自洽的磁场拓扑结构设计模块，既不能与商用磁场仿真软件移植对接，也不能自洽地计算空间磁场拓扑结构。

2)现有数值仿真系统没有预留后续的升级完善接口，只能对接特定的推力器的几何结构以及磁场拓扑结构进行初步分析，对推力器前期设计阶段的指导性很低性很低。

3)现有数值仿真系统使用范围受限，只能对特定结构的推力器进行初步的设计，对推力器前期设计阶段的指导性不足。

为进一步提高霍尔推力器数值仿真技术在设计研制流程中起到的重要作用，提出一种霍尔推力器的全流程数值仿真系统。

发明内容

本发明的目的是提高数值仿真技术在霍尔推力器设计研制流程中的作用，将霍尔推力器数值仿真应用于整个样机研制流程的各个关键环节，实现数值仿真设计前置，通过数值仿真技术手段提前预演，发现和解决问题并进行设计指标优化。

本发明中的霍尔推力器全流程数值仿真系统的发明构思主要为：将霍尔推力器结构和磁场线圈参数设计前置，显著提高数值仿真技术的对霍尔推力器设计的指导性，通过磁场迭代优化，完善霍尔推力器的最优设计，降低推力器研制的时间和经济成本，同时也为优化设计提供了理论支撑。

为解决现有技术中霍尔推力器数值仿真系统所存在的问题，本发明通过以下技术方案实现：霍尔推力器的全流程数值仿真系统包括霍尔推力器二维结构设计模块、磁场仿真模块及等离子体仿真模块三个模块；其中，推力器二维结构设计模块包括推力器二维结构的设计、磁屏结构的调节、推力器放电通道结构的设计及励磁线圈位置的设计；磁场仿真模块包括励磁线圈产生磁场的拓扑结构的计算模块与数值仿真，用于生成放电通道以及羽流近场区的磁场；等离子体仿真模块包括放电通道等离子体演化模块和羽流区中等离子体演化模块，等离子体仿真模块对等离子体特征参数分布，电离区、加速区位置以及推力比冲进行判定，优化磁场结构。

进一步的，霍尔推力器二维结构设计模块包括：导磁底座、励磁线圈、极靴和磁屏。

进一步的，磁场拓扑结构能够调节励磁线圈的位置和励磁线圈电流的大小及其他励磁线圈参数，同时磁场拓扑结构调节磁屏的几何结构。

进一步的，霍尔推力器的放电通道以及羽流近场区的磁场主要由励磁线圈产生，霍尔推力器数值仿真方案的背景磁场由外部磁场设计单元给出，并且满足空间上磁场散度为零的条件。

进一步的，放电通道和羽流区中采用磁流体(MHD)模型的等离子体演化模块。