月球表面鞘层的数值模拟

摘要

月球表面的月壤环境对登月航天器和探月设备仪器的可靠性提出了极为严峻的挑战，在月球表面电场环境下，月尘带电导致悬浮，月尘的悬浮容易引起航天器表面污染、磨损、发热等故障，因此研究月球表面电场环境具有重要意义，而月球表面电场的主要表现形式是月球表面鞘层。
　　为了探究月球表面鞘层，本文建立了月球表面鞘层的数学模型，得到了月球表面鞘层内各粒子的密度分布函数表达式和边界条件，进而建立了基于粒子模拟（Particle In Cell）方法的三维数值模拟程序，分别对月球表面单一鞘层内和不同类型鞘层交界区域内粒子（电子、离子、光电子）的运动进行了模拟。使用两种方法分别得到了月球表面鞘层的电势分布、各粒子的密度分布和总体电荷密度分布，两种方法的研究结果非常接近，与观测数据基本吻合，并分析了鞘层内各粒子的相对数量关系。分析了影响数值模拟程序精确度的因素，对数值模拟程序进行了初步的优化。基于建立的数学模型和数值模拟仿真程序，探究了月球表面鞘层的类型、不同类型鞘层的交界区域的过渡情况和影响鞘层振荡的因素，研究了太阳风速度、光电子密度及光照角度对鞘层的影响，分析了引入电子漂移速度的必要性。
　　研究结果表明，基于PIC方法的数值模拟仿真程序能够很好地模拟月球表面鞘层，得到的结果在观测数据范围之内；在太阳风速度较大且靠近太阳光直射点时，月球表面的鞘层处于振荡状态，不存在反鞘层，太阳风速度和光电子密度对鞘层振荡幅度有重要影响，振荡频率与等离子体频率在同一量级，且此处月球表面电势周期性变化；电子漂移速度对研究结果具有重要影响，随着光照角度的增大，影响越来越明显，因此在研究月球表面鞘层时不可以忽略电子的漂移速度；研究发现过渡区域月球表面电势和鞘层电场能量连续变化，随着光照角度的增大，鞘层类型依次为经典鞘层、空间饱和鞘层、振荡鞘层；太阳风速度、光电子密度、光照角度对鞘层具有显著影响，对于同一类型的鞘层，随着太阳风速度的增大，鞘层厚度减小，而光电子密度对鞘层厚度几乎没有影响。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题的来源及研究目的和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3主要研究内容

第2章 月表鞘层结构数学模型的建立

2.1引言

2.2月球表面鞘层结构数学模型的建立

2.3鞘层数学模型的求解

2.4本章小结

第3章 不同类型鞘层演化的研究

3.1影响鞘层鞘层结构的因素

3.2不同类型鞘层之间的过渡

3.3本章小结

第4章 月表鞘层数值模拟程序的建立

4.1 PIC 算法

4.2基于PIC方法的数值模拟程序的建立

4.3预置粒子

4.4月表光电子密度的计算

4.5计算结果及分析

4.6鞘层振荡问题的研究

4.7电子漂移速度对月表鞘层的影响

4.8过渡区域鞘层的数值模拟

4.9本章小结

第5章 地面鞘层实验分析及其数值模拟

5.1地面鞘层实验分析

5.2地面鞘层实验的数值模拟

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

声明

致谢