翁惠焱 蔡國飆 鄭鴻儒 劉立輝 張百一 賀碧蛟

(1. 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院, 北京 100083;2. 北京航空航天大學(xué) 航天器設(shè)計優(yōu)化與動態(tài)模擬技術(shù)教育部重點實驗室, 北京 100083;3. 長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司, 長春 130000)

在電推力器地面長時間壽命試驗過程中,真空艙內(nèi)濺射產(chǎn)物返流沉積和艙內(nèi)背景壓強對推力器工作性能評估及羽流場參數(shù)診斷影響較大。 由于背景壓強存在,推力器放電室壓強比在軌工作時高,推力器工作狀態(tài)發(fā)生改變;艙內(nèi)中性氣體密度較真空環(huán)境高十幾個量級,使電荷交換(charge exchange, CEX)碰撞發(fā)生頻率提高、發(fā)生位置變化,探針測量的流場參數(shù)出現(xiàn)較大偏差;此外,背景壓強還會影響電推力器穩(wěn)定性[1]、柵極表面濺射[2]等參數(shù)的評估和測試,導(dǎo)致對推力器在軌工作狀態(tài)的分析和設(shè)計不準(zhǔn)確。 目前,對于背景壓強的影響研究主要有試驗、粒子仿真和一維模型3 種方法。

試驗研究集中在背景壓強對推力器地面工作參數(shù)的影響[3],尤其是對于霍爾推力器,由于自身結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致其受背景壓力影響更大,試驗研究也較多[4]。 Walker 和Gallimore[5]先后完成了推力器冷流與熱試情況下的實驗測量工作,并對冷流下的艙內(nèi)壓強分布進(jìn)行了直接模擬蒙特卡羅(direct simulation Monte Carlo, DSMC)仿真分析,一維模型將真空艙內(nèi)的計算區(qū)域虛擬化為若干區(qū)域,分別用公式代表真空泵吸附作用、返流和粒子入口流量,結(jié)合壁面條件,求解出整個流場中的壓強分布。 Cai[6]給出了不同真空泵組合形式下的計算模型,并對地面試驗真空艙中的中性氣體壓強分布進(jìn)行了計算。 Frieman[7]進(jìn)一步增加了底部圓頂泵并進(jìn)行了分析。 這些研究中一維模型和冷流仿真都造成了羽流流場的失真,無法對電推力器工作時的真實羽流場進(jìn)行影響分析。

目前,在離子發(fā)動機羽流的數(shù)值模擬中維持背景壓強的方法有以下2 種:①采用虛擬粒子維持背景壓強。 在每次迭代計算時生成臨時的虛擬粒子,維持背景壓強[8]。 臨時產(chǎn)生的虛擬粒子參與碰撞,改變計算粒子的相關(guān)參數(shù)。 而虛擬粒子的參數(shù)變化不會被記錄下來,在下一次需要虛擬粒子時重新生成虛擬粒子,其參數(shù)為最初設(shè)定的參數(shù),改變狀態(tài)的只有計算粒子[9]。 ②使用計算粒子維持背景壓強。 背景壓強粒子按照獨立的粒子類型參與計算[10]。 認(rèn)為背景壓力是具有一定溫度和壓強的中性推進(jìn)劑原子。 方法1 由于不用記錄背景氣體粒子的相關(guān)參數(shù)和運動軌跡,能夠大幅降低計算資源的占用,提高計算速度。 方法2 對計算資源要求高,計算效率低。 以往研究中采用計算粒子維持背景壓強的研究較少,認(rèn)為虛擬粒子能夠滿足精度要求。 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,目前的計算資源能夠滿足方法2 的實現(xiàn),因此有必要對計算粒子模擬壓強的情況進(jìn)行深入分析。

李小平等[11]采用二維粒子網(wǎng)格/蒙特卡羅碰撞(particle in cell/Monte Carlo collision,PIC/MCC)方法對離子?xùn)艠O系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真分析,其中推力器噴出的中性粒子采用計算粒子,背景中性原子密度根據(jù)克拉伯龍方程均勻布置。 Jian等[12]采用基于浸入式有限元方法的PIC(IFEPIC)方法和虛擬粒子的方式仿真分析了背景壓強對羽流場及羽流對柵極濺射率的影響。 Korkut等[13]采用推力器噴出的粒子建立壓強的方式進(jìn)行了PIC-DSMC 方法的粒子仿真分析。 王軍偉等[14]采用計算粒子計算分析了艙內(nèi)冷板布置方式對羽流場的影響。 綜合來看,以往羽流場仿真研究主要采用虛擬粒子建立壓強,導(dǎo)致背景中性粒子分布失真。 而對背景壓強的仿真研究中為了加速粒子平衡,往往忽視了羽流場參數(shù)的計算精度,兩方面研究中尚未開展虛擬粒子和計算粒子2 種建立背景壓強方式下流場參數(shù)的分析對比。本文針對離子推力器羽流分別開展計算粒子、虛擬粒子和絕對真空情況下的仿真對比分析,得到背景壓強及其不同計算方法對羽流場計算結(jié)果的影響。

1 仿真方法

本文涉及的仿真分析均使用電推進(jìn)羽流效應(yīng)仿真軟件EX-PWS[15-16]實現(xiàn)。 EX-PWS 采用混合粒子網(wǎng)格(hybrid PIC)方法計算帶電粒子在電場中的運動過程,使用DSMC 方法[17]處理粒子間的彈性碰撞和電荷交換碰撞。

1.1 控制方程

電子動量方程是EX-PWS 仿真軟件計算電推進(jìn)羽流效應(yīng)時的控制方程,如下:

式中:me為電子質(zhì)量;ne為電子密度;ve為電子速度;e為電子電荷量;E為電場強度;B為磁場強度;p為壓強;vei為電子和離子之間的碰撞頻率;vi為離子速度。

在計算本文涉及的離子推力器羽流場時,考慮到等離子體產(chǎn)生的自洽磁場及推力器自身磁場對于羽流流場的影響較小,因此在計算中忽略磁場的作用。 此外,在本文主要考慮的羽流范疇,由于空間尺度較大,等離子體的德拜長度遠(yuǎn)小于分子自由程,等離子體總體上可視為準(zhǔn)電中性,即可以認(rèn)為電子密度等于離子密度。 同時,混合PIC方法將電子視為流體,采用電子運動方程計算,而將中性粒子和離子視為計算粒子,參與流場中的迭代計算。

在描述等離子體中粒子間的碰撞時,通常用碰撞頻率與等離子體頻率的比值vei/ω≈lnND/ND來判斷,其中ND為德拜球中的帶電粒子數(shù)。當(dāng)對于電子溫度取值為1. 0 eV 時,其比值約為1.7 ×10-3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1,說明離子推力器的等離子體羽流流場可以視為無碰撞。 此時,對于無碰撞同時忽略磁場影響的電子的動量方程可以演化為

結(jié)合理想氣體狀態(tài)方程(式(3)),則流場內(nèi)等離子體的電勢和電子密度之間的關(guān)系可以由玻爾茲曼關(guān)系式(式(4))給出[9]:

式中:?為電勢;nref為0 處的參考電子密度,本文取為1 ×1016m-3;Te為電子溫度;k為玻爾茲曼常數(shù)。

從式(2) ～式(4)可以看出,為了確定電勢,需要得到電子溫度。 對于氙氣工質(zhì)離子推力器的羽流流場中電子溫度的實驗測量結(jié)果,根據(jù)測量位置不同,從0.5 eV 到3.0 eV 不等[18]。

1.2 粒子運動

在獲得各網(wǎng)格內(nèi)粒子數(shù)密度后,需要根據(jù)粒子所處的位置給予相應(yīng)的權(quán)重,將電荷分配至網(wǎng)格節(jié)點上。 EX-PWS 采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,對于網(wǎng)格節(jié)點上的電荷儲存位置采用面元中心,在分配電荷時采用體積分配法,如圖1 所示。 取粒子所在位置點與網(wǎng)格的4 個面組成的小四面體的體積和總四面體網(wǎng)格的體積之比作為各表面中心點處獲得的粒子電荷分配權(quán)重。

圖1 網(wǎng)格中電荷分配示意圖Fig.1 Schematic diagram of charge distribution in the grid

EX-PWS 軟件中推動粒子運動采用蛙跳算法,如圖2 所示。 蛙跳算法計算原理簡單,且具有二階精度,適合編程實現(xiàn)。 采用蛙跳算法后,對于單個粒子的運動微分方程可以離散為如下有限差分方程:

圖2 蛙跳算法示意圖Fig.2 Schematic diagram of leapfrog algorithm

式中:m為質(zhì)量;v為速度;F為粒子受到的力;x為粒子運動所在位置。

1.3 粒子碰撞

粒子間的碰撞是影響流場分布的一個主要因素,在電推進(jìn)羽流流場仿真中,通常包括彈性碰撞及電荷交換碰撞。 在EX-PWS 軟件中,粒子間碰撞使用DSMC 方法進(jìn)行處理。 采用非時間計數(shù)器,分子作用勢模型選用可變硬球模型。 本文涉及的碰撞種類如式(7) ～式(12)所示。 其中,MEX代表動量交換碰撞,CEX 代表電荷交換碰撞。

氙原子與一價氙離子和二價氙離子間彈性碰撞截面由Dalgarno 和Williams[19]給出:

式中:針對氙原子與一價氙離子的電荷交換碰撞k1= -0.882 1,k2=15.126 2。 對于氙原子與二價氙離子電荷交換碰撞時的截面有k1= -2.703 8,k2=35.006。

2 計算條件

本文使用的推力器模型為蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的LIPS-200 型離子推力器,性能指標(biāo)為:推力(40 ±4) mN,比沖(3 000 ±300) s,推進(jìn)劑利用率大于80%,功耗1 300 W[21]。 表1 給出了與仿真相關(guān)的推力器的工作參數(shù),表2 給出了推力器的仿真參數(shù)設(shè)置[22]。 文獻(xiàn)[15]給出了采用本文計算模型得到的羽流場仿真結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)的對比分析,證明了本文計算方法的準(zhǔn)確性。

表1 LIPS-200 型離子推力器工作參數(shù)[21]Table 1 Parameters of LIPS-200 ion thruster[21]

表2 LIPS-200 型離子推力器仿真基本參數(shù)[22]Table 2 Basic simulation parameters of LIPS-200 ion thruster[22]

圖3 給出了背景壓強計算時采用的計算域示意圖。 整個計算域為長度1.5 m、直徑2 m 的圓柱體,內(nèi)部設(shè)置推力器模型,為了表征返流區(qū)粒子分布情況,計算域包括了推力器前方1 m 和后方0.5 m 范圍。 推力器前方壁面設(shè)置外徑1.0 m、內(nèi)徑0.8 m 的環(huán)形邊界作為模擬真空泵表面,認(rèn)為當(dāng)粒子撞擊該表面時則被真空泵吸附,在計算域中刪除該粒子,即自由邊界條件。 本文計算中共涉及的3 個仿真算例初始條件設(shè)置如表3 所示。

表3 背景壓強處理方式對比的算例安排Table 3 Case arrangement for comparison of background pressure simulation methods

圖3 背景壓強算例計算域示意圖Fig.3 Simulation domain for background pressure cases

在計算粒子算例中,計算域中的初始壓強為0,所有邊界面設(shè)置為漫反射,僅在推力器前方環(huán)形泵的位置設(shè)置為自由邊界。 當(dāng)推力器開始工作后,噴射出的粒子撞擊計算域邊界后被中和為慢速運動的原子,成為背景壓強,除少數(shù)粒子被真空泵吸收外,大部分粒子充滿整個計算域空間。 參與計算的所有粒子均進(jìn)行位置跟蹤和信息更新。

在虛擬粒子算例中,將0.25 mPa 的背景氣體視為虛擬粒子,僅參與碰撞計算。 當(dāng)計算粒子運動到某一網(wǎng)格中將要與背景原子發(fā)生碰撞時,根據(jù)克拉伯龍方程給出粒子數(shù)密度,按照環(huán)境溫度根據(jù)Maxwell 分布給出熱運動速度。 碰撞后背景粒子狀態(tài)不變,計算粒子運動速度及方向按照碰撞模型發(fā)生變化。 計算粒子與背景粒子間的碰撞類型包括彈性碰撞及電荷交換碰撞。 由于使用虛擬粒子建立壓強,所有邊界面設(shè)置為自由邊界,認(rèn)為背景壓強恒定不變。

在絕對真空算例中,將背景壓強設(shè)置為0,同時所有邊界面設(shè)置為自由邊界,認(rèn)為氣體分子撞擊在表面后隨即被吸收,從計算域中刪除。 絕對真空算例主要用來對比分析虛擬粒子和計算粒子2 種背景壓強處理下的流場結(jié)果與絕對真空情況下的差別。

3 計算結(jié)果

本節(jié)分別針對3 種仿真算例中的中性粒子和電荷交換離子分布進(jìn)行對比分析。

3.1 中性粒子分布

圖4 給出了計算粒子建立背景壓強的算例中中性粒子數(shù)密度分布。 可以看出,中性粒子的空間分布可以分為5 個區(qū)域。 區(qū)域①為返流區(qū),以推力器出口為界,在推力器后方區(qū)域,這部分區(qū)域中的粒子主要是后方和側(cè)方艙壁的反射,以及束流區(qū)中部分返流粒子。 區(qū)域②為電荷交換離子所在的“翼”形區(qū)域,這一區(qū)域的粒子能量、數(shù)密度及運動方向等信息是研究人員普遍關(guān)心的。 區(qū)域③為地面真空艙內(nèi)試驗時涉及的真空泵影響區(qū),由于真空艙的真空泵布置不同,真空泵影響區(qū)的位置也不同,同時根據(jù)真空泵的抽氣能力不同,仿真中設(shè)置的吸附系數(shù)也應(yīng)該不同,需要進(jìn)行折算。 區(qū)域④為推力器前方艙壁返流影響區(qū),這部分反射粒子由于運動方向與束流正好相反,朝向推力器運動,并與束流直接混合,會對羽流束流區(qū)的測量結(jié)果造成直接影響。 區(qū)域⑤為束流區(qū)域,在推力器前方0.4 m 內(nèi),同時又根據(jù)束流發(fā)散角的限制,使得區(qū)域⑤成為一個類似圓臺的結(jié)構(gòu)。

圖4 計算粒子建立的中性氣體分布Fig.4 Neutral gas distribution created by computed particles

從圖4 可以看出,對于采用計算粒子建立背景壓強的算例,返流區(qū)中性粒子數(shù)密度約為7 ×1016m-3,分布較為均勻。 電荷交換離子分布區(qū)域和返流區(qū)的情況相近。 在真空泵影響區(qū)可以看出,真空泵周圍粒子數(shù)密度迅速降低,但由于真空泵吸附面積有限,壓強下降區(qū)域范圍有限。 而在束流前方艙壁的影響區(qū)可以看出,返流的粒子數(shù)密度基本與束流區(qū)持平,影響范圍更廣。

圖5 顯示了計算粒子算例中背景中性粒子的分布情況。 計算時設(shè)定所有推力器噴出的離子和原子撞擊壁面后成為背景中性粒子,此處不包含推力器噴出的中性粒子。 從圖中可以看出,在計算粒子算例中,影響中性粒子分布的主要是背景粒子。 對比圖4 可知,在達(dá)到平衡后,背景中性粒子數(shù)密度遠(yuǎn)高于推進(jìn)劑中的中性粒子。

圖5 計算粒子建立的背景壓強中性氣體分布Fig.5 Neutral gas distribution of background pressure created by computed particles

圖6 給出了使用虛擬粒子建立背景壓強時的中性粒子空間分布情況。 為了方便與計算粒子的算例進(jìn)行對比,在圖6 中已經(jīng)疊加了計算時采用的虛擬背景壓強0.25 mPa。 根據(jù)文獻(xiàn)[23]中給出的壓強與吸附面積的關(guān)系式計算得到,當(dāng)真空泵設(shè)定為吸附系數(shù)為1. 0 的外徑1. 0 m、內(nèi)徑0.8 m的圓環(huán)時,處于熱平衡狀態(tài)下的壓強約為0.32 mPa,與本文選取的0.25 mPa 較為接近。 存在一定差距的原因是:熱平衡狀態(tài)下,認(rèn)為粒子宏觀運動速度為0,而推力器噴出的粒子速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0。 虛擬粒子中背景壓強0.25 mPa 取值于計算粒子算例中推力器出口徑向位置的平均壓強。

圖6 虛擬粒子建立的背景壓強中性氣體分布Fig.6 Neutral gas distribution of background pressure created by virtual particles

可以看出,與圖4 相比,除束流區(qū)域⑤的云圖比較相近外,其他區(qū)域都有所不同。 這說明虛擬粒子算例無法表達(dá)粒子與邊界面的相互作用,對返流區(qū)等粒子數(shù)密度較小的區(qū)域參數(shù)分布影響較大。 圖7 給出了絕對真空條件下的羽流場。 可以看出,中性粒子數(shù)密度明顯降低,分布范圍也僅在推力器出口附近。

圖7 絕對真空環(huán)境下的中性氣體分布Fig.7 Neutral gas distribution in absolute vacuum case

圖8 顯示了中心軸線上中性粒子數(shù)密度的對比。 圖中黑色虛線代表計算粒子算例中的背景中性粒子[BG];紅色實線代表計算粒子算例中流場的中性粒子總密度,包括未電離推進(jìn)劑工質(zhì)和背景氣體;綠色虛線代表虛擬粒子算例中的中性粒子總密度;藍(lán)色點劃線代表真空算例中的流場中性粒子總密度,無背景氣體。

圖8 推力器出口軸線上不同模擬情況下中性粒子數(shù)密度對比Fig.8 Comparison of neutral particle number density at thruster outlet axis in different simulation cases

顯然,在不受真空艙壁面影響的真空情況下,中性粒子數(shù)密度遠(yuǎn)低于在真空艙內(nèi)存在背景壓強的情況。 計算粒子算例中給出的羽流中的中性粒子數(shù)密度與虛擬粒子算例中給出的結(jié)果在推力器附近區(qū)域相近,在算例中距離出口0.4 m 之內(nèi),表明在該區(qū)域推進(jìn)劑粒子占主導(dǎo)地位。 在距離推力器出口0.4 m 以外區(qū)域,從真空艙壁返回的中性背景粒子占主導(dǎo)地位,表明真空艙壁對羽流場具有顯著影響,真空艙尺寸越小,影響越大。 同時,從分析中也可以看到,當(dāng)真空艙尺寸足夠大時,真空艙壁對羽流場的影響有限,在推力器近場區(qū)域以推進(jìn)劑粒子為主,在該區(qū)域計算粒子與虛擬粒子仿真結(jié)果差異并不明顯,而虛擬粒子可以大幅提高計算速度,因此,虛擬粒子計算方法更適合近場羽流效應(yīng)計算。

圖9 給出了距離推力器出口0.5 m 半徑范圍內(nèi)中性粒子數(shù)密度隨角度變化,0°代表軸線x=0.5 m 位置,90°代表與出口平面共面,垂直于軸線0.5 m 位置。 可以看出,背景中性粒子數(shù)密度在計算粒子算例中占主導(dǎo),與虛擬粒子數(shù)密度相近,兩者沿徑向分布較為均勻。 而在真空算例中,中性粒子數(shù)密度則隨角度增大而降低,整體較有背景壓強的算例低1 ～2 個數(shù)量級。 這反映出2 個現(xiàn)象:①計算粒子算例在達(dá)到平衡后,流場中心區(qū)域分布較為均勻。 ②在地面試驗過程中,由于艙內(nèi)背景壓強的限制,必然導(dǎo)致流場失真,無論采用計算粒子還是虛擬粒子進(jìn)行仿真都無法避免。 在本文算例中,虛擬粒子壓強按照計算粒子算例中的推力器徑向位置壓強設(shè)置,在實際工程中往往需要根據(jù)真空規(guī)獲得艙內(nèi)壓強,真空規(guī)的布置位置對測量結(jié)果較大。

圖9 推力器出口0.5 m 徑向中性粒子數(shù)密度對比Fig.9 Comparison of radial neutral particle number density at thruster outlet of 0.5 m

3.2 電荷交換離子分布

電荷交換離子由于易受到電場影響轟擊航天器表面,其分布情況是工程部門關(guān)心的重點之一。圖10 和圖11 給出了3 種工況下軸線和徑向0.5 m半徑上的電荷交換離子數(shù)密度分布對比。可以看出,在計算粒子和虛擬粒子情況下,電荷交換離子數(shù)密度分布相似,但計算粒子的算例中數(shù)密度要比虛擬粒子的情況稍高。 在真空算例中,在推力器出口處,電荷交換離子數(shù)密度與有背景壓強的情況相近,但隨著距離出口的距離越大,數(shù)密度逐漸降低,在距離推力器出口1 m 處的數(shù)密度較出口處下降了2 個數(shù)量級以上。 而有背景壓強的算例則在軸線上變化不大。 此外,可以看出軸線對比中數(shù)值波動較大,可能與軸線網(wǎng)格較為稀疏及電荷交換碰撞發(fā)生的隨機性有關(guān)。

圖10 推力器出口軸線上不同模擬情況下電荷交換離子數(shù)密度對比Fig.10 Comparison of CEX ion number density at thruster outlet axis in different simulation cases

圖11 給出的徑向分布中電荷交換離子數(shù)密度先下降,在40°左右位置又升高,這與電荷交換離子的分布有關(guān),電荷交換離子由于速度較低,容易在電場驅(qū)動下沿徑向運動,在推力器出口附近產(chǎn)生“翼”形區(qū)域。 因此,在半徑0.5 m 徑向取值時會先下降后升高。

圖11 推力器出口0.5 m 徑向電荷交換離子數(shù)密度對比Fig.11 Comparison of radial CEX ion number density at thruster outlet of 0.5 m

仿真中,離子的運動由網(wǎng)格中各節(jié)點間的電勢差驅(qū)動。 為了進(jìn)一步分析電荷交換粒子分布情況,圖12 和圖13 給出了在計算粒子和真空環(huán)境條件下的電勢分布云圖。 可以看出,電勢均為負(fù)值,這是由設(shè)定推力器出口平面為電勢零點造成的,推動粒子運動的是各節(jié)點間電勢差。 通過對比分析可以看出,計算粒子與絕對真空環(huán)境算例中電勢在軸線上變化較為接近,但在徑向上,計算粒子電場作用范圍更廣,但電勢梯度相對較低。

圖12 計算粒子算例中的電勢分布Fig.12 Potential distribution in computed particle case

圖13 絕對真空環(huán)境下的電勢分布Fig.13 Potential distribution in absolute vacuum case

圖14 和圖15 分別給出了計算粒子和真空環(huán)境條件下的電荷交換離子數(shù)密度分布云圖。 根據(jù)前面分析可知,計算粒子和虛擬粒子工況在軸線和徑向上的電荷交換離子數(shù)密度均較為接近,都明顯高于絕對真空環(huán)境。 通過對比可知,在計算粒子算例中,軸線束流區(qū)是電荷交換離子分布的主要區(qū)域,而在絕對真空情況下,電荷交換離子主要集中在羽流核心區(qū)域和推力器出口附近的“翼”形區(qū)域。 說明艙內(nèi)殘留的中性氣體的存在明顯提高了電荷交換離子的產(chǎn)生,導(dǎo)致電荷交換離子分布與在軌絕對真空環(huán)境相差較大。 因此,如何在地面真空艙內(nèi)測量得到電荷交換離子的參數(shù)性質(zhì),對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證分析是電推進(jìn)羽流場測量的一個難點。

圖14 計算粒子算例中的電荷交換離子分布Fig.14 Distribution of CEX ions in computed particle case

圖15 絕對真空環(huán)境下的電荷交換離子分布Fig.15 Distribution of CEX ions in absolute vacuum case

4 結(jié) 論

本文基于混合PIC-DSMC 方法,對離子推力器羽流場仿真中背景壓強影響及背景壓強的2 種仿真方法進(jìn)行了對比分析,得到如下結(jié)論:

1) 由于背景壓強的存在,在推力器出口軸向和徑向上,中性粒子數(shù)密度較真空環(huán)境高1 個數(shù)量級以上,進(jìn)一步提高了全流場區(qū)域內(nèi)電荷交換離子的產(chǎn)生,擴大了電荷交換離子的影響范圍。

2) 采用計算粒子建立背景壓強能夠準(zhǔn)確獲得全流場內(nèi)中性粒子分布,為分析真空艙壁影響和真空泵能力、冷板及真空規(guī)安裝位置設(shè)計等提供參考。 虛擬粒子建立背景壓強能夠快速獲得地面試驗中羽流場計算結(jié)果,但虛擬壓強設(shè)置的準(zhǔn)確性受真空規(guī)獲得的壓強結(jié)果影響較大。

3) 真空泵能力越高、真空艙尺寸越大,真空艙有限空間對于電推力器地面試驗流場測量的影響越小。 在進(jìn)行地面羽流場測量試驗時,應(yīng)盡量將測量裝置放置在羽流場近場區(qū)域,遠(yuǎn)離壁面影響區(qū)和真空泵影響區(qū)。

艙內(nèi)壓強對電荷交換離子分布影響較大,如何在地面真空艙內(nèi)測得電荷交換離子參數(shù)需要開展進(jìn)一步研究。