微流星体和轨道碎片（MMOD）的高速度撞击通过冲击加热、汽化和部分电离作用，在撞击物和靶材中产生瞬态的蒸汽/等离子体云[1,2]。对于航天器上的撞击电离仪器和带电收集器而言，早期膨胀阶段收集到的电荷是一个主要的可测量信号，也是解释撞击引起的电瞬变和评估传感器响应的实际指标[[3], [4], [5]]。因此，建立撞击条件（材料对、尺寸和速度）与收集到的电荷量之间的物理关系，对于有效载荷校准、在轨信号解释以及航天器系统的电风险评估至关重要[6,7]。
尽管经过数十年的研究[8,9]，预测建模仍面临一个实际挑战：如何在物理准确性和工程实用性之间取得平衡。在工程应用中，电荷量通常使用经验性的幂律关系来估算[6,8,[10], [11], [12]]。虽然这些公式在计算上较为方便，但它们将冲击物理、相变、电离和收集过程压缩为几个拟合参数，而这些参数的值取决于具体的材料系统和实验条件[6,12]。因此，它们的适用性往往仅限于特定的材料对和速度范围，限制了物理可解释性和外推能力。
相比之下，要实现更精确的物理预测，需要明确解决从冲击压缩到等离子体收集的整个过程。这带来了两个主要挑战。首先，像流体动力学代码或粒子模拟（PIC）这样的详细模拟方法虽然全面，但计算成本很高。这使得广泛的参数扫描变得不切实际，而且即使以可承受的成本也无法获得解决微米级撞击所需的空间/时间分辨率[[13], [14], [15], [16]]。其次，即使在简化模型中，物理过程的闭合也仍然具有挑战性。主要难点在于模拟温暖密集物质（WDM）中的电离过程，因为这些条件偏离了理想等离子体的假设（例如Saha平衡）；在这种情况下，电子简并和压力电离等效应变得显著[[17], [18], [19], [20]]。另一个问题是现有模型往往无法区分产生的总电荷量和实际收集到的电荷量。由于早期等离子体羽流的高密度、强烈的Debye屏蔽效应以及快速的复合过程，大量自由电子可能被限制在靶材表面附近。因此，可测量的信号不仅受初始电离产量的影响，还受到等离子体逃逸动力学的影响[20,21]。如果不考虑这些因素，可能会导致对收集到的电荷量的高估以及对传感器数据中材料依赖性趋势的误解[21]。
为了弥合简单公式与物理准确性之间的差距，本研究旨在开发一个既能进行广泛参数探索又能保持足够物理基础的建模框架，特别是在冲击热力学、密集物质电离和电荷收集物理方面。基于这一需求，本研究开发了一个经过优化的半解析模型。该框架通过整合基于状态方程的冲击描述[22]、撞击体积的相区划分、用于密集蒸汽电离的Thomas–Fermi平均原子模型[17,18]以及捕捉早期等离子体屏蔽的电荷逃逸公式，将撞击参数与收集到的电荷量联系起来。该模型具有材料敏感性，并通过对比尘埃加速器的实验数据进行了验证，这些数据涵盖了预期体积电离效应显著的速度范围[23]。与经验性缩放方法相比，该模型提供了更高的物理可解释性，同时计算效率也更高。
本文的结构如下：第2节详细介绍了实验设置；第3节介绍了模型公式；第4节通过数据验证了模型的性能；第5节总结了研究结论。
