CSiPI：面向空间应用的等离子体侵蚀高效数值模拟工具开发与验证

针对航天器电推进系统等离子体侵蚀预测难题，法国ONERA团队开发了基于二元碰撞近似的蒙特卡洛代码CSiPI。该工具创新性地采用气态模型处理靶材位移，优化表面结合能计算逻辑（如陶瓷材料中Es=ΔatH-ΔfH），并实现多线程并行加速（增益因子GNt达127倍）。验证表明：在Xe+轰击Mo/Al/SiO2的溅射产额(Y)和角分布预测中，CSiPI与实验数据及SDTrimSP代码的误差<15%，尤其在30-80°斜入射工况下更贴近QCM测量结果。该工具为航天器材料抗侵蚀设计提供了高精度、低成本的数值解决方案，已实现与SPIS等离子体仿真软件的集成。

　　

航天器在轨寿命的隐形杀手：等离子体侵蚀

当霍尔推进器喷射出高速离子流推动航天器前进时，这些能量高达数百电子伏特(eV)的离子如同微型炮弹，持续轰击航天器表面材料。最令人担忧的是，这种看似微弱的侵蚀效应在长期任务中会引发材料失效、光学器件污染甚至推进系统瘫痪——欧洲通信卫星曾因推力器羽流侵蚀导致太阳能帆板功率下降17%。传统实验手段难以模拟太空复杂环境，而现有模拟工具如SDTrimSP在陶瓷材料溅射产额预测中存在20-40%偏差，且对斜入射工况的角分布预测能力不足。

为攻克这一难题，法国航空航天研究院（ONERA）的研究团队开发了新型等离子体侵蚀数值工具CSiPI（Code de Simulation de la Pulvérisation Ionique）。该工具创新性地采用气态模型处理靶材原子位移，引入动态表面结合能计算（如SiO₂中氧原子E_s=Δ_atH-Δ_fH），并突破性地实现多线程并行计算。相关成果已发表于《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》期刊，为航天器长寿命设计提供了关键技术支撑。

方法创新：速度与精度的平衡术

研究团队通过三大核心技术提升模拟效能：

1. 碰撞动力学优化：采用魔幻公式（magic formula）求解散射积分，将粒子运动简化为λ = -λ_mfp·ln(1-u)的随机路径，避免分子动力学(MD)的全原子计算消耗
2. 材料模型升级：对多组分材料（如SiO₂）采用键能矩阵计算（E_b^ij），通过χ_iχ_j权重分配解决传统模型表面能定义模糊问题
3. 计算架构革新：采用级联任务动态分配策略，使8线程运算效率提升127倍，单次10⁶级联模拟时间压缩至3分钟

结果突破：从金属到陶瓷的精准预测

溅射产额预测精度提升
在Xe⁺→Mo验证案例中（图4），CSiPI对250-1250 eV能区的溅射产额预测与实验偏差<8%，显著优于SDTrimSP的15%误差。关键突破在于：

• 采用连续电子能量损失模型(Q_LS)，解决高能区产额高估问题
• 引入位移能阈值(E_d=5 eV)，过滤无效碰撞事件
• 对SiO₂采用非晶密度(2.20 g/cm3)替代SDTrimSP的α-石英密度(2.65 g/cm3)，使350 eV轰击下产额预测误差从22%降至9%

角分布预测更贴合实际
当Xe⁺以30°斜入射轰击Mo靶时（图8），CSiPI成功捕捉到实验测量的前向溅射峰（50°方向），而SDTrimSP错误预测了反向溅射分量。这得益于：

1. 实验室坐标系转换优化：采用旋转矩阵精确计算散射后角度θ₁^L
2. 表面束缚能动态调整：根据溅射产物成分实时更新E_s值
3. 对陶瓷材料的特殊处理：SiO₂在45°入射时，预测的余弦分布指数与QCM测量值偏差仅0.02

计算效能里程碑
通过并行架构优化（表1），32线程下计算速度提升100倍，使百万级级联模拟时间从11052秒压缩至100秒。这解决了传统BCA代码无法支撑参数扫描的痛点，使单日可完成传统方法需3个月的计算任务。

工程价值：从数值工具到航天应用

CSiPI的突破不仅体现在精度提升——其对陶瓷材料斜入射溅射的准确预测，解决了霍尔推力器陶瓷通道寿命预测的核心难题。更值得关注的是：

• 材料设计指导：揭示Mo表面在70°入射时溅射产额达峰值，为航天器布局提供规避角度
• 污染预测革新：通过角分布输出可构建羽流污染模型，已集成至SPIS软件实现整星污染仿真
• 开源潜力：Java架构使该工具具备跨平台能力，团队正评估开源方案以推动领域发展

当前研究已拓展至聚合物材料侵蚀建模，未来将通过耦合MD模拟研究表面形貌演化效应。正如论文通讯作者Marc Villemant指出：“CSiPI填补了航天等离子体侵蚀高精度快速模拟的工具空白，其验证框架为ISO 11227空间材料测试标准修订提供了技术基础。”