月球明暗界线区域鞘层结构及其对月尘运动影响的研究

在月球明暗界线(晨昏线)区域，由于两种不同性质的鞘层的迭加，形成电场强度很大的电场，因此明暗界线区域的月尘带电并悬浮于月表上空。本申请提出:研究月尘悬浮现象，必须从研究明暗交界区鞘层结构以及电场分布入手。明暗交界区鞘层结构以及电场分布的机理也是登月航天器和月球巡视探测系统防尘设计的理论依据。本申请通过基于PIC方法的数值模拟并辅以地面鞘层模拟实验的途径，研究明暗交界区域鞘层结构和电场特性、复杂表面形貌下多重交界区域鞘层和电场分布；分析环境因素对交界区鞘层结构的影响；建立由交界区鞘层而形成的月表电场的物理模型、以及带电月尘在月表电场中运动的规律，为研究月尘悬浮现象提供一种新思路和新方法。通过探索尘埃在月表运动特性及影响因素，尘埃在月表充放电的动态过程，创建月尘运动的数值模拟程序，为我国登月器防尘、除尘装置设计与安装提供重要的理论指导和技术手段。

航天器以及宇航员在月球探测过程中因为悬浮月尘会遇到许多困难。因此月表附近月尘悬浮机理的研究显得尤为重要，静电输运是小颗粒月尘悬浮的主要原因，月表附近尤其是明暗界线区域附近会形成很强的电场，而关于月表明暗界线区域鞘层电场结构的研究较为缺乏。因此月表附近鞘层电场结构以及明暗界线区域附近复杂电场结构的研究对于月尘悬浮机理的研究具有十分重要的意义。.本项目研究了月表鞘层结构的电场分布情况，基于模拟结果发现月表鞘层存在周期性振荡现象，分析了鞘层电场的振荡特性及原因；模拟研究了月球表面明暗界线区域附近电场结构，根据研究得到的月表明暗界线区域电场结构研究月尘悬浮过程的物理机理，分析了振荡鞘层对月尘悬浮的影响。.本项目建立了能够捕获界面电荷沉积现象的界面阶跃双线性浸入式有限元方法。研究了IFE-PIC方法模拟空间等离子体运动过程中的边界问题，研究月表鞘层结构的振荡特性并且分析了月表鞘层振荡结构形成的物理机制。研究了太阳风速度，光电子密度对经典鞘层和空间饱和鞘层结构的影响，分析了太阳风速度以及光电子密度发生改变时对月表振荡鞘层的影响；模拟研究了月球晨昏线附近明暗界线区域和月球局部明暗交界区域鞘层电场结构，分析了明暗界线区域中光照区域的振荡鞘层对阴暗区域的影响，认为阴暗区域的鞘层振荡为光照区域的等离子体水平运动至阴暗区域导致。.依据月尘颗粒带电受力的数学模型，基于月表明暗界线区域电场结构的数值模拟结果研究在不同月表区域下的明暗交界区域中月尘颗粒的悬浮过程，研究了月表鞘层电势发生振荡时对带电悬浮月尘的影响。通过研究了解了月尘在鞘层静电场中带电悬浮的过程，并提出搭建实验平台的初步方案。.通过本项目的研究结果能够加深对月球表面空间等离子体环境的认识，同时能够对探月活动的航天设备以及宇航员在月表行进过程中遇到的月尘问题提供重要的理论支撑，进一步推动探月工程的快速发展。