月表鞘層特性及明暗界線區(qū)月塵懸浮的數(shù)值模擬研究.pdf

1、航天器以及宇航員在月球探測過程中因為懸浮月塵會遇到許多困難，例如：機械機構(gòu)卡死、關(guān)鍵部件磨損、熱控系統(tǒng)故障、密封機構(gòu)失效、敏感材料失效等。因此月表附近月塵懸浮機理的研究顯得尤為重要，靜電輸運是小顆粒月塵懸浮的主要原因，月表附近尤其是明暗界線區(qū)域附近會形成很強的電場，而關(guān)于月表明暗界線區(qū)域鞘層電場結(jié)構(gòu)的研究較為缺乏。因此月表附近鞘層電場結(jié)構(gòu)以及明暗界線區(qū)域附近復(fù)雜電場結(jié)構(gòu)的研究對于月塵懸浮機理的研究具有十分重要的意義。
　　本文通過

2、建立基于IFE-PIC方法的全粒子有限元數(shù)值模擬方法，研究了月表鞘層結(jié)構(gòu)的電場分布情況，基于模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)月表鞘層存在周期性振蕩現(xiàn)象，分析了鞘層電場的振蕩特性及原因；模擬研究了月球表面明暗界線區(qū)域附近電場結(jié)構(gòu)，根據(jù)研究得到的月表明暗界線區(qū)域電場結(jié)構(gòu)研究月塵懸浮過程的物理機理，分析了振蕩鞘層對月塵懸浮的影響。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　鑒于處于空間等離子體中的月球存在表面電荷沉積現(xiàn)象（太陽風(fēng)等離子體沉積、月表光電子發(fā)射等），建立了能

3、夠捕獲界面電荷沉積現(xiàn)象的界面階躍雙線性浸入式有限元方法，并且基于此方法建立了一套基于界面階躍雙線性浸入式有限元方法（IFE）和質(zhì)點網(wǎng)格法（PIC）的有限元數(shù)值仿真程序。
　　研究了IFE-PIC方法模擬空間等離子體運動過程中的邊界問題，解決了無窮遠(yuǎn)邊界條件以及周期性邊界條件，提出了與傳統(tǒng) PIC插值算法不同的IFE-PIC插值算法，研究了基于界面電荷總量的界面階躍問題的迭代 IFE方法，完善了IFE-PIC有限元數(shù)值模擬方法。

4、r>　　基于完善的IFE-PIC數(shù)值模擬工具對月表鞘層電場結(jié)構(gòu)進行了研究，給出了空間飽和鞘層和經(jīng)典鞘層狀態(tài)下電場分布，密度分布，太陽風(fēng)氫離子和電子密度分布以及光電子密度的空間分布情況，并與理論研究進行對比，進一步驗證了數(shù)值方法的正確性，研究月表鞘層結(jié)構(gòu)的振蕩特性并且分析了月表鞘層振蕩結(jié)構(gòu)形成的物理機制。
　　研究了太陽風(fēng)速度，光電子密度對經(jīng)典鞘層和空間飽和鞘層結(jié)構(gòu)的影響，分析了太陽風(fēng)速度以及光電子密度發(fā)生改變時對月表振蕩鞘層的影響

5、；模擬研究了月球晨昏線附近明暗界線區(qū)域和月球局部明暗交界區(qū)域鞘層電場結(jié)構(gòu)，分析了明暗界線區(qū)域中光照區(qū)域的振蕩鞘層對陰暗區(qū)域的影響，認(rèn)為陰暗區(qū)域的鞘層振蕩為光照區(qū)域的等離子體水平運動至陰暗區(qū)域?qū)е隆?br>　　依據(jù)月塵顆粒帶電受力的數(shù)學(xué)模型，基于月表明暗界線區(qū)域電場結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果研究在不同月表區(qū)域下的明暗交界區(qū)域中月塵顆粒的懸浮過程，研究了月表鞘層電勢發(fā)生振蕩時對帶電懸浮月塵的影響。通過研究了解了月塵在鞘層靜電場中帶電懸浮的過程，并提