本文選題：月球表面鞘層 + 數(shù)值模擬��； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2014年碩士論文

【摘要】：月球表面的月壤環(huán)境對登月航天器和探月設(shè)備儀器的可靠性提出了極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在月球表面電場環(huán)境下，月塵帶電導(dǎo)致懸浮，月塵的懸浮容易引起航天器表面污染、磨損、發(fā)熱等故障，因此研究月球表面電場環(huán)境具有重要意義，而月球表面電場的主要表現(xiàn)形式是月球表面鞘層。 為了探究月球表面鞘層，本文建立了月球表面鞘層的數(shù)學(xué)模型，得到了月球表面鞘層內(nèi)各粒子的密度分布函數(shù)表達(dá)式和邊界條件，進(jìn)而建立了基于粒子模擬（Particle In Cell）方法的三維數(shù)值模擬程序，分別對月球表面單一鞘層內(nèi)和不同類型鞘層交界區(qū)域內(nèi)粒子（電子、離子、光電子）的運動進(jìn)行了模擬。使用兩種方法分別得到了月球表面鞘層的電勢分布、各粒子的密度分布和總體電荷密度分布，兩種方法的研究結(jié)果非常接近，與觀測數(shù)據(jù)基本吻合，并分析了鞘層內(nèi)各粒子的相對數(shù)量關(guān)系。分析了影響數(shù)值模擬程序精確度的因素，對數(shù)值模擬程序進(jìn)行了初步的優(yōu)化�；诮⒌臄�(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬仿真程序，探究了月球表面鞘層的類型、不同類型鞘層的交界區(qū)域的過渡情況和影響鞘層振蕩的因素，研究了太陽風(fēng)速度、光電子密度及光照角度對鞘層的影響，分析了引入電子漂移速度的必要性。 研究結(jié)果表明，基于PIC方法的數(shù)值模擬仿真程序能夠很好地模擬月球表面鞘層，得到的結(jié)果在觀測數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)；在太陽風(fēng)速度較大且靠近太陽光直射點時，月球表面的鞘層處于振蕩狀態(tài)，不存在反鞘層，太陽風(fēng)速度和光電子密度對鞘層振蕩幅度有重要影響，振蕩頻率與等離子體頻率在同一量級，且此處月球表面電勢周期性變化；電子漂移速度對研究結(jié)果具有重要影響，隨著光照角度的增大，影響越來越明顯，，因此在研究月球表面鞘層時不可以忽略電子的漂移速度；研究發(fā)現(xiàn)過渡區(qū)域月球表面電勢和鞘層電場能量連續(xù)變化，隨著光照角度的增大，鞘層類型依次為經(jīng)典鞘層、空間飽和鞘層、振蕩鞘層；太陽風(fēng)速度、光電子密度、光照角度對鞘層具有顯著影響，對于同一類型的鞘層，隨著太陽風(fēng)速度的增大，鞘層厚度減小，而光電子密度對鞘層厚度幾乎沒有影響。
[Abstract]:The lunar soil environment on the lunar surface poses an extremely severe challenge to the reliability of lunar spacecraft and lunar exploration equipment. Under the environment of the lunar surface electric field, the lunar dust is charged to cause the suspension, and the suspension of the lunar dust is liable to cause the spacecraft surface pollution and wear. Therefore, it is very important to study the surface electric field environment of the moon, and the main form of the lunar surface electric field is the lunar surface sheath. In order to explore the sheath layer of the lunar surface, a mathematical model of the sheath layer of the lunar surface is established, and the density distribution function and boundary conditions of the particles in the sheathing layer of the lunar surface are obtained. A three-dimensional numerical simulation program based on Particle in Cell-based particle simulation method is developed to simulate the motion of particles (electrons, ions, optoelectrons) in the single sheath layer and the boundary region of different types of sheath layers on the lunar surface, respectively. The potential distribution, particle density distribution and total charge density distribution of the sheath layer on the surface of the moon are obtained by using two methods. The results of the two methods are very close to each other and are in good agreement with the observed data. The relative quantitative relationship of the particles in the sheath layer was also analyzed. The factors influencing the accuracy of numerical simulation program are analyzed, and the numerical simulation program is preliminarily optimized. Based on the established mathematical model and numerical simulation program, the types of sheaths on the surface of the moon, the transition of the boundary regions of different types of sheaths and the factors affecting the oscillation of the sheaths are investigated, and the velocity of the solar wind is studied. The influence of optoelectron density and illumination angle on the sheath is analyzed, and the necessity of introducing electron drift velocity is analyzed. The results show that the simulation program based on PIC method can simulate the lunar surface sheath well, and the results are within the range of observed data, when the solar wind velocity is large and close to the point of direct solar light, The sheath of the lunar surface is in an oscillating state and there is no anti-sheath. The solar wind velocity and optoelectron density have an important influence on the oscillation amplitude of the sheath. The oscillation frequency is in the same order of magnitude as the plasma frequency, and the potential of the lunar surface changes periodically. The electron drift velocity has an important influence on the research results, and the influence becomes more and more obvious with the increase of illumination angle. Therefore, the electron drift velocity can not be ignored in the study of the lunar surface sheath. It is found that the surface potential and sheath electric field energy change continuously in the transitional region. With the increase of illumination angle, the sheath types are the classical sheath, the spatial saturation sheath, the oscillatory sheath, the solar wind velocity, the photoelectron density, the solar wind velocity, the photoelectron density, the solar wind velocity and the photoelectron density. For the same type of sheath, the thickness of sheath decreases with the increase of solar wind velocity, but the density of photoelectron has little effect on the thickness of sheath.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P184.5

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本文編號：2014532