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。

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。