月表鞘層特性及明暗界線區(qū)月塵懸浮的數值模擬研究.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：機械機構卡死、關鍵部件磨損、熱控系統故障、密封機構失效、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，而關于月表明暗界線區(qū)域鞘層電場結構的研究較為缺乏。因此月表附近鞘層電場結構以及明暗界線區(qū)域附近復雜電場結構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值模擬方法，研究了月表鞘層結構的電場分布情況，基于模擬結果發(fā)現月表鞘層存在周期性振蕩現象，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)域附近電場結構，根據研究得到的月表明暗界線區(qū)域電場結構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象（太陽風等離子體沉積、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）和質點網格法（PIC）的有限元數值仿真程序。
　　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，解決了無窮遠邊界條件以及周期性邊界條件，提出了與傳統 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有限元數值模擬方法。

4、r>　　基于完善的IFE-PIC數值模擬工具對月表鞘層電場結構進行了研究，給出了空間飽和鞘層和經典鞘層狀態(tài)下電場分布，密度分布，太陽風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，進一步驗證了數值方法的正確性，研究月表鞘層結構的振蕩特性并且分析了月表鞘層振蕩結構形成的物理機制。
　　研究了太陽風速度，光電子密度對經典鞘層和空間飽和鞘層結構的影響，分析了太陽風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)域鞘層電場結構，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)域導致。
　　依據月塵顆粒帶電受力的數學模型，基于月表明暗界線區(qū)域電場結構的數值模擬結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