离子推力器的加速栅电压对加速栅截获电流的大小有影响。目前,离子推力器加速栅电压值是通过实验多次调节确定的,理论计算只能给出加速栅电压最大值。针对兰州空间技术物理研究所研制的双级加速离子推力器开展了加速栅电压的优化设计,利用质点网格法和蒙特卡洛碰撞法(PIC-MCC)开展了8000 s比冲条件下5种加速栅电压(-150,-180,-200,-250,-300 V)对离子运动轨迹、束流发散角、交换电荷(CEX)截获的数量和能量以及加速栅溅射速率的影响研究,根据研究结果确定了最佳加速栅电压为-250 V。最后开展了验证实验,结果表明加速栅电压为-250 V左右时,加速栅电流较小,验证了数值仿真的正确性。

针对双级加速离子光学系统的设计，开展了栅极几何参数对离子光学系统性能影响的研究。采用质点网格法和蒙特卡罗碰撞法开展栅极关键几何参数对束流引出能力、束流发散角、交换电荷(CEX)离子的截获影响规律研究；另外，还开展了不同比冲下束流发散角、碰撞交换电荷离子的变化趋势研究。研究结果表明，屏栅孔径对束流引出能力、束流发散角、CEX离子截获电流以及鞍点电势都有影响，随着屏栅孔径的增加，束流引出能力、束流发散角和鞍点电势呈上升趋势。加速栅孔径的变化对CEX离子得能量分布有影响，随着加速栅孔径的增大，截获的高能CEX离子逐渐减少，而随着加速栅厚度的增加，束流发散角、CEX离子的截获数量和能量呈上升趋势。在8000 s比冲下，加速级间距的改变对束流引出能力影响较小。另外，比冲对离子光学系统性能也有影响，比冲越高，束流发散角越小，且加速栅截获的CEX离子也越少。

束流离子生产成本和推进剂利用率是表征离子推力器放电室性能的重要参数。在考虑不改变放电室几何结构、磁场分布并保持离子推力器比冲和效率的前提下，利用一维经验分析模型对兰州空间技术物理研究所研制的LIPS-200离子推力器放电室性能进行了优化分析，以实现推力器的推力从40 mN提高到60 mN的目标要求。分析结果表明，提高放电室推进剂流率至2.06 mg/s，放电室内放电电流维持在6.9 A，放电室内平均氙离子密度达到2.167×1017 m-3时，可以保证引出1.2 A的束流，推力器达到60 mN的推力。与之对应的推进剂利用率为92%，束流离子生产成本约为188.515 W/A，相比推力40 mN时，推进剂利用率为88%、束流离子生产成本为188.29 W/A的情况，放电室性能有所提高。另外，放电室性能优化过程中其鞘层电位始终保持在3.80~6.65 eV范围内。