VSim 专业电磁粒子仿真软件


-- 航天与空间等离子体应用

    VSim能够用于星载等离子体发动机的设计和优化,并且可以跟踪卫星在电离层和太阳风中运动时受到粒子轰击导致的各种电荷累积行为。

    在等离子体推进器的设计和研究中,数值模拟可以用来分析等离子体的产生和流动,估计设备性能,优化系统设计,以及对设备的寿命等关键问题进行预测校核。通常,由于卫星用等离子体推进系统工作在真空中,数值模拟方法和低气压放电问题中的模拟方法较为类似,都是以粒子云网格模拟(Particle-In-Cell,PIC)和电磁流体模拟方法为主要手段。
    美国Tech-X公司针对等离子体研究的需要,提供多种商业等离子体数值模拟软件,并承担了能源、国防部门的多项课题。其中,VSim软件提供PIC和DSMC(直接模拟蒙特卡洛)模拟能力,能够有效地分析如下问题:

    - Hall推力器和Ion推力器的电磁场与粒子场分析
    - 电离与推进计算;
    - 壁面侵蚀与寿命估计计算;
    - 羽流计算;
    - 电荷沉积效应计算;
    - … …


1. 霍尔发动机的仿真

    利用VSim对标准的SPT100霍尔推进器进行了仿真,在实验误差范围内,推进力的模拟结果和实验结果相同。利用粒子的出口速度和流量求出比冲,模拟值1612s,实验值1630s。


SPT100外形和模拟模型

离子和电子的分布

VSim还可以研究通道内的侵蚀过程:


通道侵蚀的模拟结果,以及和实验的比对,红色方块是实验结果


2. 离子发动机的仿真

    Ion Thruster是另一种常用的等离子体推进器,下面是VSim对NASA NEXT ion thruster离子发动机的仿真案例


模拟结构

电势分布

电子密度的剖面

放电腔室电势的细致图

用VSim软件模拟了NEXT推进器工况34(即TOC-34):

  • 用全动力学方法考虑放电腔内电子、二次电子、Xe+、Xe++和Xe粒子;
  • 用蒙特卡洛方法考虑弹性和非弹性碰撞:eXe、eXe+、eXe++、Xe+Xe、Xe++Xe、XeXe;
  • 考虑离子入射的二次电子释放以及溅射模型;
  • 采用合理的合并和分裂算法来降低统计噪声。


NEXT TOC-34 电位仿真与实验比较

NEXT TOC-34氙离子分布仿真与实验比较


仿真与实验数据对比表

Performance Parameters Throttle Table VSim Results
Discharge Current, Id,A 17.7 18.17(+2.1%)
Beam Current, Ib,A 3.10 3.68(+18.7%)
Double-to-Single Ratio Ratio, I+ + / I+ 2-8% 12%
Thrust, T, mN 194 220(+13.5%)
Specific Impulse, Isp,s 3875 4350(+12%)
Beam ion production cost, εB, eV 140 115
Plasma ion production cost, εP,eV   60


3. HEMP推进器

    用VSim软件模拟了HEMP (High efficiency Multistage Plasma) 推进器。


宏离子(蓝色)、宏电子(红色)与阴极电子(橙色)分布。

理论值(左图)与VSim仿真值(右图)比较。红色为初始电子,蓝色为二次电子。


4. 卫星和空间带电粒子相互作用模拟

    航天器在太空飞行时,由于太阳风和电离层的影响,会在表面积累起电荷,并可能引起高压和击穿。VSim的电荷累积模型可以用于对这种情况进行分析。图中是带电粒子吹向卫星表面,并且在表面和太阳能电池上累积,形成局部电势。


模拟概念图

电荷密度的空间分布

卫星表面累积电荷

电势和粒子分布的剖视

    太阳风中既有电子也有离子,这个仿真演示了太阳风造成的卫星表面电荷积累。仿真区域尺寸为15m×30m×15m。卫星放置在仿真区域的中央,卫星的主体是一个半径3m,长5m的圆柱体,两边装配有太阳能电池板。每块太阳能电池板翼展长7.8m,宽5m。卫星的中心区域有一个半径2m,长3m的5V等电势圆柱体,卫星主体和卫星内部等电势圆柱透视图如下图所示。


卫星内部的等势圆柱体透视图

阳离子密度分布(蓝色透明所在区域)、电势分布(橘黄色所在区域)和表面的净电荷沉积(卫星表面)

卫星表面吸附电子的等效电流

 

1.VSim软件简介
2.激光等离子体作用
3.微波源与微波器件研究
4.高电压放电与脉冲功率设备
5.加速器应用
6.放电等离子体与材料处理
8.复杂介质中的电磁波
9.雷达与天线设计
10.多物理场仿真