VSim 專業電磁粒子仿真軟件


-- 航天與空間等離子體應用

    VSim能夠用於星載等離子體發動機的設計和優化,並且可以跟蹤衛星在電離層和太陽風中運動時受到粒子轟擊導致的各種電荷累積行為。

    在等離子體推進器的設計和研究中,數值模擬可以用來分析等離子體的產生和流動,估計設備性能,優化係統設計,以及對設備的壽命等關鍵問題進行預測校核。通常,由於衛星用等離子體推進係統工作在真空中,數值模擬方法和低氣壓放電問題中的模擬方法較為類似,都是以粒子雲網格模擬(Particle-In-Cell,PIC)和電磁流體模擬方法為主要手段。
    美國Tech-X公司針對等離子體研究的需要,提供多種商業等離子體數值模擬軟件,並承擔了能源、國防部門的多項課題。其中,VSim軟件提供PIC和DSMC(直接模擬蒙特卡洛)模擬能力,能夠有效地分析如下問題:

    - Hall推力器和Ion推力器的電磁場與粒子場分析
    - 電離與推進計算;
    - 壁麵侵蝕與壽命估計計算;
    - 羽流計算;
    - 電荷沉積效應計算;
    - … …


1. 霍爾發動機的仿真

    利用VSim對標準的SPT100霍爾推進器進行了仿真,在實驗誤差範圍內,推進力的模擬結果和實驗結果相同。利用粒子的出口速度和流量求出比衝,模擬值1612s,實驗值1630s。


SPT100外形和模擬模型

離子和電子的分布

VSim還可以研究通道內的侵蝕過程:


通道侵蝕的模擬結果,以及和實驗的比對,紅色方塊是實驗結果


2. 離子發動機的仿真

    Ion Thruster是另一種常用的等離子體推進器,下麵是VSim對NASA NEXT ion thruster離子發動機的仿真案例


模擬結構

電勢分布

電子密度的剖麵

放電腔室電勢的細致圖

用VSim軟件模擬了NEXT推進器工況34(即TOC-34):

  • 用全動力學方法考慮放電腔內電子、二次電子、Xe+、Xe++和Xe粒子;
  • 用蒙特卡洛方法考慮彈性和非彈性碰撞:eXe、eXe+、eXe++、Xe+Xe、Xe++Xe、XeXe;
  • 考慮離子入射的二次電子釋放以及濺射模型;
  • 采用合理的合並和分裂算法來降低統計噪聲。


NEXT TOC-34 電位仿真與實驗比較

NEXT TOC-34氙離子分布仿真與實驗比較


仿真與實驗數據對比表

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推進器

    用VSim軟件模擬了HEMP (High efficiency Multistage Plasma) 推進器。


宏離子(藍色)、宏電子(紅色)與陰極電子(橙色)分布。

理論值(左圖)與VSim仿真值(右圖)比較。紅色為初始電子,藍色為二次電子。


4. 衛星和空間帶電粒子相互作用模擬

    航天器在太空飛行時,由於太陽風和電離層的影響,會在表麵積累起電荷,並可能引起高壓和擊穿。VSim的電荷累積模型可以用於對這種情況進行分析。圖中是帶電粒子吹向衛星表麵,並且在表麵和太陽能電池上累積,形成局部電勢。


模擬概念圖

電荷密度的空間分布

衛星表麵累積電荷

電勢和粒子分布的剖視

    太陽風中既有電子也有離子,這個仿真演示了太陽風造成的衛星表麵電荷積累。仿真區域尺寸為15m×30m×15m。衛星放置在仿真區域的中央,衛星的主體是一個半徑3m,長5m的圓柱體,兩邊裝配有太陽能電池板。每塊太陽能電池板翼展長7.8m,寬5m。衛星的中心區域有一個半徑2m,長3m的5V等電勢圓柱體,衛星主體和衛星內部等電勢圓柱透視圖如下圖所示。


衛星內部的等勢圓柱體透視圖

陽離子密度分布(藍色透明所在區域)、電勢分布(橘黃色所在區域)和表麵的淨電荷沉積(衛星表麵)

衛星表麵吸附電子的等效電流

 

1.VSim軟件簡介
2.激光等離子體作用
3.微波源與微波器件研究
4.高電壓放電與脈衝功率設備
5.加速器應用
6.放電等離子體與材料處理
8.複雜介質中的電磁波
9.雷達與天線設計
10.多物理場仿真