【摘要】：作為離地球最近的天體,月球在人類探索太空的進程中具有重要的地位,人類對外太空的探索將以月球為跳板向更遠處發(fā)展。然而月表的復雜環(huán)境給人類的探月活動帶來了巨大的挑戰(zhàn),其中月表特殊的電場環(huán)境的影響尤為明顯。電場不僅會直接影響登月設(shè)備,還會引起月塵懸浮,給人類的活動帶來更多的困難。目前對月表電場環(huán)境的研究以及月塵的充放電及運動的研究都是在月表的鞘層結(jié)構(gòu)是穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的假設(shè)基礎(chǔ)上開展的,沒有考慮時間對月球表面鞘層的影響。鞘層結(jié)構(gòu)隨時間的變化可能會對鞘層內(nèi)顆粒的帶電情況以及帶電顆粒的運動情況造成影響。對鞘層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及其對帶電月塵運動的研究有助于更加深入細致的了解月表電場及帶電月塵的運動規(guī)律,為減小月表電場環(huán)境以及懸浮月塵對探月活動的影響提供參考。根據(jù)等離子體數(shù)值模擬實驗從物理層面模擬鞘層形成過程的需求,以IFE-PIC(Immersed Finite Element Particle in Cell)理論為基礎(chǔ)建立了鞘層結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬程序。用PIC理論對粒子進行動力學模擬,用IFE理論求解復雜界面條件下的電場分布,并對程序的關(guān)鍵部分進行驗證。在考慮時間影響的前提下對鞘層進行數(shù)值模擬,觀察到了鞘層的振蕩現(xiàn)象。對所用數(shù)值方法以及計算模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置可能對結(jié)論帶來的影響進行了研究。通過對照的數(shù)值模擬,研究了數(shù)值模型的時間步長、模擬區(qū)域大小、網(wǎng)格寬度、邊界條件等參數(shù)設(shè)置對結(jié)果的影響。結(jié)果表明相關(guān)參數(shù)在某一范圍內(nèi)變動不影響結(jié)果的正確性,排除了觀察到的振蕩現(xiàn)象是數(shù)值方法本身引起數(shù)值振蕩的可能性。通過數(shù)值模擬對引起鞘層振蕩的原因進行了探究,發(fā)現(xiàn)鞘層電勢振蕩頻率與等離子體頻率一致,因此認為鞘層的振蕩現(xiàn)象是由等離子體振蕩引起。對鞘層內(nèi)電荷密度、電子密度、離子密度、壁面積聚電荷密度、入射粒子數(shù)等隨時間變化的情況進行統(tǒng)計分析,進一步確認了所獲得結(jié)論的正確性。同時研究了光電子對鞘層結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)光電子數(shù)密度越大鞘層振蕩幅值越大,但頻率基本不變。對振蕩鞘層下帶電月塵的運動進行了數(shù)值模擬,研究振蕩鞘層下月塵的充放電及運動規(guī)律。結(jié)果表明振蕩鞘層中月塵顆粒的運動會受到顆粒粒徑,初始電勢以及鞘層結(jié)構(gòu)的影響。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P184;V476.3
【圖文】：

圖1-1月球等離子體環(huán)境示意

圖 1-2 鞘層類型[17]輸運的另一個必要條件是月塵帶電。月塵對于登月設(shè)備以目前國內(nèi)關(guān)于月塵顆粒運動的研究剛剛起步，需要做的工作結(jié)構(gòu)中月塵的充放電及運動規(guī)律，可以對月球某一地點某

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本文編號：2742755