为了预示霍尔推力器的寿命，建立了推力器粒子束放电通道的2维电磁场模型，模拟的推进剂为氙。利用PIC方法跟踪粒子在电磁场中的运动。磁场的求解采用拉普拉斯方程，电场的求解采用泊松方程。电子由阴极喷入通道，并在电磁场中与原子发生电离碰撞生成离子。在跟踪离子的过程中记录下撞击到内外壁面的离子个数、角度和能量。利用记录下的参数进行腐蚀计算，得到当溅射阈值能量分别为10,20,30,40,50 eV时通道壁面的腐蚀速率。推力器放电通道出口附近的最大腐蚀速率约为1.7×10-9 m/s。

建立了离子发动机羽流的物理模型，采用粒子网格对羽流中的交换电荷离子的分布进行了模拟，电场方程使用完全近似格式的代数多重网格方法求解。利用计算设备统一架构技术开发出一套基于图形处理器的3维并行粒子模拟程序。计算结果表明，交换电荷离子在径向扩张型电势结构下会向束流区外运动，一部分交换离子在电场力作用下会向发动机上游运动，从而形成返流。发动机上游区域的交换电荷数密度与束流等离子体数密度相比降低了3~4个数量级。通过降低电子温度可有效降低返流电流。

为了研究离子发动机羽流对航天器的影响, 采用质点网格-蒙特卡罗碰撞方法对离子发动机羽流中的交换电荷离子进行了模拟。利用计算设备统一架构技术, 开发出一套基于图形处理器的并行粒子模拟程序。随机数生成采用并行MT19937伪随机数生成器算法, 电场方程使用完全近似存储格式的代数多重网格法求解。r-z轴对称坐标系中, 在z=0 m处获得的电流密度均值为4.5×10-5 A/m2, 图形处理器所得结果与中央处理器模拟结果吻合。在16核心的NVIDIA GeForce 9400 GT图形显示卡上, 取得相对于Intel Core 2 E6300中央处理器4.5~10.0倍的加速比。

采用可求解可压缩流动与传热的全速度SIMPLE算法, 对低功率氩电弧加热发动机内部的传热与流动进行了数值模拟, 获得了电弧加热发动机内的温度、速度、马赫数及流线分布。计算结果表明：电弧加热发动机内最高温度出现在阴极下游附近中心轴线处, 这是因为电弧在阴极表面收缩形成阴极弧点, 从而焦耳热成为该高温区的主要加热机制；沿着发动机中心轴线, 气体温度和速度开始时随着距阴极距离的增加而迅速增加, 然后在等离子体流向喷管出口的过程中, 气体温度和速度逐渐下降。此外还详细考察了弧电流变化对电弧加热发动机内部传热与流动特性的影响, 计算获得的发动机流量和比冲与实验结果基本一致。

目前离子发动机光学系统数值模拟大多采用PIC方法,由于该方法需要跟踪单个粒子的运动,因此需要存储每个粒子的位置信息与运动信息.传统的粒子模拟程序中,保存粒子信息大多采用数组的方式,但是采用这种方式存在弊端,例如对粒子总数变化的自适应不好.基于此开发了一种使用链式存储结构的粒子模拟程序,该程序使用带头节点的单向链表存储粒子信息.使用基于链式存储结构的PIC方法对离子发动机光学系统进行了粒子模拟,验证了链式粒子信息存储方法在粒子模拟中的可用性.模拟表明:(1)在粒子模拟中采用链式存储结构存储粒子信息,无需预先指定最大粒子总数,程序可自适应粒子总数的变化,因此无需进行试算,节省了计算时间;(2)在粒子模拟中采用链式存储结构,由于不存在内存资源的浪费,因而可显著提高程序?拇娲⑿视爰扑阈?

用喷管准一维定常非平衡流场方程耦合三振型三温度模型建立的振动弛豫方程,对固体推进剂燃烧驱动的CO2气动激光器的小信号增益进行了计算,计算结果同实验测量结果进行了对比,分析了影响其性能的各种因素.

介绍了固体推进剂燃烧驱动CO2气动激光小信号增益测量的原理、方法及实验系统,重点说明小信号增益测量光路设计、热敏电阻红外探测器工作原理、增益输出信号滤波和放大电路设计及数据采集系统的硬件配置和软件编制原则,给出典型实验测量结果.实验证明,采用放大法可较为准确的测量固体推进剂燃烧驱动CO2气动激光小信号增益.