[发明专利]电子碰撞电离蒙特卡罗模型的非等权重宏粒子修正方法

说明书

本发明属于离子推进器放电室中电子碰撞电离的蒙特卡罗模拟领域，具体为电子碰撞电离蒙特卡罗模型的非等权重宏粒子修正方法。本发明针对不同权重宏粒子之间相碰撞的情况做了改进修正，通过引入了一个电离碰撞权重基准值w_bm，将每个宏粒子参与电离碰撞的权重进行了拆分，每个宏粒子从1次碰撞判断细分为了等价的N_c,j次，最大程度地保证了原有的碰撞特性。实现了控制每次有效电离碰撞中实际的宏粒子权重相等，并随之更新相应的碰撞后宏粒子属性，而非直接从两个不等权重的宏粒子里任取其一，从而避免了电离碰撞过程中电荷或是能量的不守恒。本发明有效解决了现有电子碰撞电离蒙特卡罗模型在非等权重宏粒子模拟中不适用的问题。

技术领域

本发明属于离子推进器放电室中电子碰撞电离的蒙特卡罗模拟领域。在采用蒙特卡罗模型模拟离子推进器放电室中电子碰撞电离过程时，针对系统内参与碰撞的宏粒子权重不一样的情况，通过引入一个电离碰撞权重基准值，在计算电离碰撞时增加了碰撞修正，具体为电子碰撞电离蒙特卡罗模型的非等权重宏粒子修正方法。

背景技术

随着航天技术的快速发展，空间任务对航天推进器的工作效率和工作寿命的要求越来越高。在诸多航天推进器中，离子推进器由于其高比冲、高效率、长寿命、体积小等优点，成为当下发展最好，应用最广泛的推进器之一。放电室作为离子推进器核心组件之一，是等离子体产生的主要区域，其工作效率直接影响推进器的性能。然而，离子推进器放电室内的物理过程较为复杂，许多放电机制还不甚清楚，限制了对其进一步的优化和改进性。实验研究一般采用探针对放电参数进行测量，较为直观，但存在一定的局限性。而随着计算机技术的快速发展，数值模拟技术已经成为离子推进器放电室研究的重要补充手段，其有效利用可大大提高研发效率、缩短研制周期，为性能提升、优化改进及实验测试提供重要技术指导。

电子碰撞电离过程是离子推进器放电室等离子体极为重要的来源，数值模拟中通常采用蒙特卡罗模型来处理粒子之间的电离碰撞过程。蒙特卡罗模型是通过产生一系列[0,1]之间均匀分布的随机数，然后通过随机数与由碰撞截面表示的碰撞几率来进行比较，从而得出粒子是否会发生碰撞，如果会发生碰撞，继续判断发生的是哪种类型的碰撞，并且根据电荷守恒和能量守恒的定律确定碰撞后的粒子的状态。在使用蒙特卡罗模型对电子碰撞电离问题进行模拟计算时，其电离碰撞流程图如图1所示。

当参与碰撞的宏粒子权重都相同时，上述常规的电子碰撞电离蒙特卡罗模型可以很好地对离子推进器放电室中的电子碰撞电离过程进行数值模拟。如果系统中参与电离碰撞的宏粒子权重不相等，直接使用常规的模型就会产生两个问题：一是在随机选取碰撞网格内发生电离碰撞的入射宏电子时，不同权重大小会使得随机选取的方差变得更大，进而偏离真实的碰撞概率。二是在发生有效电离碰撞的入射宏电子和靶宏粒子两者的权重大小不同时，默认情况下是以入射宏电子的权重为基准发生电离反应，则只能保证此过程的能量守恒而不能保证电荷守恒；如果改为以靶宏粒子的权重为基准发生电离反应，则只能保证此过程的电荷守恒而不能保证能量守恒。因此，常规的电子碰撞电离蒙特卡罗模型针对的是等权重宏粒子下的情况，而不能够有效地解决存在非等权重宏粒子的模拟问题。碰撞网格是指，在计算粒子间碰撞过程时通过人为设置的某一块计算区域，处于此区域内的宏粒子才被认为有可能会相互作用发生碰撞反应。

在离子推进器放电室数值模拟的实际应用中，存在大量需要应用到非等权重宏粒子的情况，其中有两个因素：一是模拟区域采用了非均匀网格，则在较小的网格内需要使用更小的宏粒子权重以保证数值稳定，比如考虑到离子推进器放电室中复杂不规则结构或是极坐标系下的网格划分；二是模拟中使用了粒子分裂合并技术，系统中的宏粒子需要不停地进行分裂和合并来达到数值稳定性与计算负担之间的妥善平衡，特别是对离子推进器放电室这类等离子体密度非常高的问题。随着离子推进器放电室模拟研究的深入，数值模型越来越复杂完备，计算规模越来越庞大，使得非等权重宏粒子的模型越来越普遍，现有上述针对等权重宏粒子的电子碰撞电离蒙特卡罗模型不再适用。

发明内容