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Similarity scaling‐application and limits for high‐efficiency‐multistage‐plasma‐thruster particle‐in‐cell modelling
Contributions to Plasma Physics ( IF 1.6 ) Pub Date : 2020-04-01 , DOI: 10.1002/ctpp.201900199 Paul Matthias 1 , Daniel Kahnfeld 1 , Stefan Kemnitz 2 , Julia Duras 3 , Norbert Koch 4 , Ralf Schneider 1
Contributions to Plasma Physics ( IF 1.6 ) Pub Date : 2020-04-01 , DOI: 10.1002/ctpp.201900199 Paul Matthias 1 , Daniel Kahnfeld 1 , Stefan Kemnitz 2 , Julia Duras 3 , Norbert Koch 4 , Ralf Schneider 1
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To suit a wide variety of space mission profiles, different designs of ion thrusters were developed, such as the High‐Efficiency‐Multistage‐Plasma thrusters (HEMP‐T). In the past, the optimization of ion thrusters was a difficult and time‐consuming process and evolved experimentally. Because the construction of new designs is expensive, cheaper methods for optimization were sought‐after. Computer‐based simulations are a cheap and useful method towards predictive modelling. The physics in HEMP‐T requires a kinetic model. The Particle‐in‐Cell (PIC) method delivers self‐consistent solutions for the plasmas of ion thrusters, but it is limited by the high amount of computing time required to study a specific system. Therefore, it is not suited to explore a wide operational and design space. An approach to decrease computing time is self‐similarity scaling schemes, which can be derived from the kinetic equations. One specific self‐similarity scheme is investigated quantitatively in this work for selected HEMP‐Ts, using PIC simulations. The possible application of the scaling is explained and the limits of this approach are derived.
中文翻译:
高效多级等离子推进器颗粒在细胞内建模的相似度缩放应用和限制
为了适应各种太空任务概况,开发了不同设计的离子推进器,例如高效多级等离子推进器(HEMP-T)。过去,离子推进器的优化是一个困难且耗时的过程,并且是通过实验进行改进的。由于新设计的构建成本很高,因此寻求了较便宜的优化方法。基于计算机的仿真是进行预测建模的一种廉价且有用的方法。HEMP-T中的物理学需要动力学模型。单元粒子(PIC)方法为离子推进器的等离子体提供了自洽的解决方案,但是它受到研究特定系统所需的大量计算时间的限制。因此,它不适合探索广阔的操作和设计空间。减少计算时间的一种方法是自相似缩放方案,可以从动力学方程式得出。在这项工作中,使用PIC仿真对选定的HEMP-T进行了一种特定的自相似方案的定量研究。解释了缩放的可能应用,并推导了这种方法的局限性。
更新日期:2020-04-01
中文翻译:
高效多级等离子推进器颗粒在细胞内建模的相似度缩放应用和限制
为了适应各种太空任务概况,开发了不同设计的离子推进器,例如高效多级等离子推进器(HEMP-T)。过去,离子推进器的优化是一个困难且耗时的过程,并且是通过实验进行改进的。由于新设计的构建成本很高,因此寻求了较便宜的优化方法。基于计算机的仿真是进行预测建模的一种廉价且有用的方法。HEMP-T中的物理学需要动力学模型。单元粒子(PIC)方法为离子推进器的等离子体提供了自洽的解决方案,但是它受到研究特定系统所需的大量计算时间的限制。因此,它不适合探索广阔的操作和设计空间。减少计算时间的一种方法是自相似缩放方案,可以从动力学方程式得出。在这项工作中,使用PIC仿真对选定的HEMP-T进行了一种特定的自相似方案的定量研究。解释了缩放的可能应用,并推导了这种方法的局限性。