离子推进器具有比冲高、效率高、寿命长、体积小等优点,目前已被广泛应用于地球轨道卫星、深空探测和星际航行等任务。放电室是离子推进器生产等离子体的主要组件,其放电效率直接影响推进器的工作性能。然而由于实验成本和数值计算能力的限制,放电室内的许多放电机制仍未被很好地理解,限制了对其进一步的优化和改进。因此,本文研制了高性能粒子模型对放电室的等离子体特性、外加磁场影响和动态电磁效应等关键物理问题展开研究,旨在深入了解放电室的放电过程以及影响放电室放电效率的本质因素。本论文的研究内容主要分为以下五个部分:1.放电室粒子模型研究。基于PIC/MCC方法,建立了放电室二维全动力学粒子模型。模型详细追踪放电室内的四种粒子,考虑粒子间的五种碰撞过程;模型准确计算带电粒子与电磁场的相互作用,细致处理各种粒子的边界条件;模型对PIC/MCC算法的核心子模块的求解方法进行改进,如使用多重网格法求解电势、使用Zigzag方案计算电流密度等;模型经过商业软件的验证,具有较高的计算精度和计算效率,为放电室的模拟研究奠定基础。2.模拟算法优化研究。针对放电室全动力学模拟的挑战,发展了多种优化技术。如使用自相似法和多级增大介电常数法简化模型来加速计算;使用隐式矩方法解决PIC模拟稳定性条件限制;使用时间子循环技术解决粒子运动尺度差异大问题;使用基于域分解的Open MP并行技术提高计算效率;使用基于Voronoi图的粒子合并算法解决粒子数目多问题。详细评估这些技术的优劣性,并将其与传统PIC/MCC算法相结合,为突破放电室全动力学模拟的限制创建条件。3.等离子体放电特性研究。模拟复杂物理过程下放电室内的放电过程,得到了一系列稳态放电结果,包括等离子体密度、能量、电势以及放电损耗等参数。模拟结果与实验测量结果规律一致,验证了计算模型的有效性。文中详细剖析了等离子体分布特性、磁约束特性、动态电场影响、中性气体损耗特性以及气体流率对放电效率的影响,深化了对放电室放电机制的理解。4.外加磁场影响研究。设计不同的磁场结构,研究了闭合磁场强度、磁场形貌和磁环数目对放电参数的影响。结果表明:增加闭合磁场强度提高了等离子体约束和电离效率,增加磁环数目改善了磁场形貌和等离子体均匀性,结合两者优势,可使放电效率和栅极侵蚀同时得到改善。模拟揭露了等离子体的限制与损耗、放电效率以及束流均匀性对磁场配置的依赖关系,为优化磁场结构设计提供见解。5.动态电磁特性研究。比较放电室静电模型和电磁模型的仿真差异,讨论了动态电磁场的作用。应用多级增大介电常数法,结合电磁模型,对放电室进行全电磁仿真,较为完整的分析了等离子体与电磁场的相互作用。该研究旨在补充放电室电磁研究的匮乏,为电磁辐射效应和电磁兼容性研究提供参考。