摘要
摘要
近年来世界各国航天事业的高速发展，尤其是在深空探测领域的研究进展
突飞猛进，使得对离子推进器等电推进装置的研发提出了更高的要求。然而，
受限于实验诊断技术的限制，无法在离子推进器研发阶段提供足够多的精确数
据去进行优化设计，因此在该领域内长期都是仿真走在实验检测前面。但是，
到目前为止基于Kaufman型离子推进器放电室内数值模拟研究大部分局限在二
维轴对称下进行仿真计算，较难扩展到三维；另一部分则忽略二次电子温度分
布对双极扩散系数的影响下进行三维数值模拟研究。前者无法应对一些非轴对
称离子推进器的仿真需求，后者则由于二次电子温度会影响双极扩散系数进而
导致对等离子体密度等关键参数求解误差较大。因此，随着离子推进器的性能
不断优化、尺寸不断变大、结构不断复杂、功率不断增大以及对使用寿命的需
求不断提高，为迎合国家航天重大战略需求，亟需开发一套基于二次电子温度
非均匀分布下放电室三维数值模拟求解模型，这也是本课题的研究重点。
针对Kaufman型离子推进器放电室内等离子体运动规律，由动理学方程分
别对速度求零阶矩得到连续性方程、求一阶矩得到动量守恒方程、求二阶矩得
到总能量守恒方程，然后结合以上三者联立化简得到二次电子温度守恒方程。
随后根据相关假设进行适当化简，使其可以近似的看作三维各向异性泊松方程。
然后，基于全局坐标变换，将基于磁场局域坐标下的二次电子温度守恒方程转
化为基于笛卡尔正交网格下的全局二次电子温度守恒方程，并求得相应全局坐
标下的热扩散系数矩阵。最后，针对该高度非线性的方程，开发出一套结合三
维各项异性IFE算法的放电室内二次电子温度守恒方程迭代仿真求解模型，达
到对其近似求解的目的，并分析不同迭代修正系数下对收敛误差的影响，最终
求得放电室内二次电子温度的近似分布。
除此之外，将上述二次电子温度守恒方程与原初电子控制方程、双极密度
扩散方程、双极电势扩散方程、中性原子控制方程耦合在一起，开发了一套基
于二次电子温度非均匀分布下放电室三维数值模拟求解模型。并对510研究所
自主研发的LIPS-300(4KW)与LIPS-300(5KW)两款离子推进器进行了仿真模
拟，并与实验结果进行了对比验证。最后，针对二次电子温度对双极扩散系数、
等离子体电势分布、栅极上游离子数密度分布与离子输运流分布的影响展开了
深入研究分析，为Kaufman型离子推进器结构的优化提供了大量仿真数据参考。
关键词:Kaufman型离子推进器；二次电子温度守恒方程；双极扩散系数
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Abstract
Abstract
Withtherapiddevelopmentofaerospaceindustryintheworldinrecentyears,
especiallyinthefieldofdeepspaceexploration,theresearchanddevelopmentof
electricpropulsiondevices,suchasionthrusters,haveputforwardhigher
requirements.However,duetothelimitationofexperimentaldiagnosistechnology,
itisimpossibletoprovideenoughaccuratedataforoptimaldesigninthedevelopment
stageofionthruster.Therefore,simulationhasalwaysbeenaheadofexperimental
detectioninthisfield.However,uptonow,thenumericalsimulationresearchbased
onKaufmantyp