论文摘要：离子发动机交换电荷离子分布的数值模拟

目前离子发动机已经较多地应用于空间飞行任务中，国外已经开始投入商用与深空探测项目。离子发动机羽流中产生的交换电荷离子会影响航天器的正常工作，准确地评估交换电荷离子分布特性对于离子发动机的应用与发展具有重要作用。离子发动机实验耗时长、成本高，而数值模拟却可以在较短的时间内获得更详尽的信息，目前数值模拟方法主要有质点网格-蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）法与直接模拟蒙特卡罗（DSMC）法。PIC粒子模拟方法需要模拟大量粒子，传统的中央处理器（CPU）串行求解效率很低，并行集群系统造价又十分昂贵。近年来图形处理器（GPU）的性能迅速提高，其性价比高、计算密度大、能耗低等优势十分明显。大规模的并行计算因此得以在个人计算机（PC）上实现，有利于提高科学研究的效率。为了研究交换电荷离子的分布规律，本文采用PIC-MCC法对离子发动机交换电荷离子进行数值模拟，建立了二维轴对称模型和三维笛卡尔坐标模型，分别采用交替方向隐式迭代（ADI）法与完全近似存储格式的代数多重网格（FAS-AMG）法求解电场方程，MCC碰撞抽样过程中采用并行MT19937算法生成随机数。分别开发了基于CPU的粒子模拟系统和采用计算设备统一架构（CUDA）技术基于GPU的并行粒子模拟系统。模拟结果表明交换电荷离子在电场作用下会向束流区外运动，并在发动机栅极下游形成扩张型电场结构，一部分离子在电场力作用下会向发动机上游运动，其速度超过7000m/s，这些高速返流离子将会对航天器表面造成冲击。在发动机栅极上游约0.4m处获得交换电荷离子数密度为1×1010~5×1010/cm3，与国外相关报道基本一致。GUP并行模拟取得了与CPU串行模拟一致的结果，并获得约4.5~10倍的加速比。

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