4低气压辉光放电等离子体数学建模与特性分析·18

4。1流体模型··18

4。2几何模型和仿真参数设置··19

4。3等离子体电子密度分布21

4。4气压对等离子体电子密度的影响·22

4。5电源频率对等离子体电子密度的影响··23

结论25

致谢26

参考文献·27

1  绪论

本论文的研究主要在低气压辉光放电等离子体产生装置中进行，本章先概括描述了低气压辉光放电等离子体模拟的研究背景，然后对低温等离子体在国内外的研究现状进行了分析。最后将阐述本论文的主要结构。论文网

1。1  研究背景

航天飞行器在完成航天任务后返回大气层的过程中，先在稀薄大气中不断加速至很快的速度。而在80KM至35KM的高空时，由于不断增大的空气浓度所导致的越来越剧烈的空气摩擦，飞行器周围空气的温度与压强迅速增大，产生激波，使飞行器表面的防火材料与周围气体分子呈火烧和黏滞状态，热量不断积累，形成一个高温区。在高温区内，飞行器周围的空气分子和表面防热材料的分子发生离解与电离，产生大量的电子与离子，形成一个一定厚度的等离子体层，它像一个鞘套似的包裹着飞行器，被称为等离子鞘套。等离子鞘套能反射、吸收电磁波，使电磁波衰减，当衰减过大时，甚至造成通信中断。由于回收飞行器的飞行器必须与卫星以及地面测控部门进行各种信息传递，如全球定位系统导航定位，遥感遥控，实时通信等，而通信黑障的发生必将给实时控制和宇航员的生命安全带来不良影响。

2012年“神舟九号”再入大气层过程中，地面测控部门的技术人员通过“轨迹预报法”和“炮镜引导法”，将雷达对飞行器的理论丢失时间缩短到近10秒。但受等离子鞘套的影响，实际失联时间中断了大约240秒。

    等离子鞘套对电磁波的反射、吸收作用，加大了地面测控部门人员对航天飞行器再入大气层过程中的测控难度，同时也威胁到宇航员的人身安全。在航天飞行器的飞行过程中，再入大气层阶段最容易发生空难。2003年2月1日，美国“哥伦比亚”号航天飞机在预计降落时间16分钟前与地面控制中心失去联络，继而在空中解体坠落，造成机上的7名宇航员全部丧生。这是航天史上的巨大损失，也阻碍了航天事业的发展。

研究等离子体对电磁波的干扰机制，寻求减小等离子鞘套对电磁波的干扰的积极措施，缩短黑障区的失联时间，对成功回收航天飞行器和保障宇航员的人生安全意义重大。由于在实际的黑障区进行等离子体中电磁波传播特性的研究，难度大且代价太高，所以有必要寻求地面上能进行研究的替代方法。根据NASA的报告，在黑障区时航天飞行器天线窗口处的电子密度大小与辉光放电等离子体生成的电子密度大小差不多[1]，所以能用辉光放电产生的等离子体，研究等离子体对电磁波的干扰机制。

相比于实验，数值方法在研究辉光放电有着不可忽视的优势。本文利用COMSOL

Multiphysics软件的等离子体模块模拟了低气压条件下的辉光放电现象，分析了所产生的等离子体的电子密度分布情况。

1。2 低温等离子体研究现状

1。2。1 动力学模型

1。2。2 蒙特卡罗模型

1。2。3 流体模型

1。3 论文主要结构

    本文对低气压辉光放电现象进行模拟仿真，研究所生成的等离子体的特性，为等离子体产生装置产生的等离子体的特性研究提供理论仿真依据。本论文主要工作内容有: