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离子推进器具有高比冲、高效率、长寿命以及推进剂消耗少等优点,已广泛应用于深空探测主推进、地球同步轨道卫星位置保持和轨道转移等航天任务中。离子推进器的离子光学系统是离子推进器的重要部件,离子束流在离子光学系统中的引出过程至关重要,它将影响到推进器的推力性能和工作效率,甚至会对栅极系统造成腐蚀,致使栅极结构失效。然而截止目前为止,由于栅极结构精细、离子引出过程复杂,人们对其中的很多物理机制还不甚了解,因此深入细致地研究栅极内离子引出过程,对于栅极物理机制的探索和推进器寿命性能的优化均具有十分重要的意义。本论文旨在针对上述研究背景及研究需求,对包含碰撞效应的离子引出过程进行三维FEM-PIC模拟研究,主要工作与创新包括:1.介绍了离子推进器的研究背景、研究重要性以及发展动态;概述了离子推进器的工作原理以及离子光学系统的重要作用,指出对离子引出研究的意义;阐述了离子光学系统数值模拟方法的国内外发展动态,为论文的选题奠定了基础;2.概述了现阶段研究离子引出最常用的数值模拟方法:FD-PIC方法和IFE-PIC方法。通过比较与总结这两种方法,发现此两种方法存在的不足,并确定本文采用的数值模拟方法为FEM-PIC算法;3.采用FEM-PIC算法,建立了离子推进器三维离子引出数理模型,并采用MCC方法引入CEX碰撞效应。FEM-PIC算法基于非结构化网格进行计算,包括四个关键步骤:采用FEM算法求解网格节点电位、采用插值算法求解离子所在位置处电场、采用离子运动更新算法推动离子运动以及采用基函数分配算法分配电荷;4.在特定的栅极结构和电压等参数下,建立了二维数理模型和三维数理模型,模拟结果得到CEX离子的存在会影响离子束的聚焦情况;加速栅极Barrel腐蚀主要是由聚焦状态不好的束流离子和CEX离子打到加速栅极孔壁引起的;加速栅极Pits-and-Grooves腐蚀主要是由CEX离子返流撞击加速栅极下游面引起的;对于多孔模型来说,边缘孔比中心孔更易受到腐蚀;5.通过比较不同发射电流密度、不同屏栅极电压和不同加速栅极电压对屏栅极离子通过率和加速栅极碰撞几率的影响,发现必须协调好这几个参数的设置,才能设计出性能良好的离子光学系统。