火星作为与地球最接近的类地行星,始终吸引着人们研究与探索的兴趣。过去一年来,NASA的“毅力号”、CNSA的“天问一号”登陆火星,标志着人们对火星的研究开启了新的篇章,这同时也对火星原位资源利用工作的开展提出了更高的要求。火星地表CO2浓度极高,考虑到等离子体具有低能耗高效率的特点,采用CO2放电的方式进行火星原位制氧是个合适的选择。鉴于火星与地球环境存在很大不同,需要重新建立正确的等离子体模型,以尽可能反映实际的放电情况;并借助合理的方式对反应体系进行分析,探索放电过程中蕴含的本质机理。图论作为数学的一个分支,常通过节点和边表示实际事物之间的相互关系。本文将图论应用于等离子体领域,在自行构建的基于火星大气的放电模型中,把粒子视为节点,反应过程视为有向边,从等离子体的无权拓扑网络与含权拓扑网络两方面入手,对该体系进行了详细的反应动力学模拟研究,并基于部分关键的反应路径,实现了等离子体反应动力学简化。简化模型结果与初始模型结果高度一致,验证了简化过程的合理性以及反应简化集的正确性。本文的主要内容如下:（1）对火星大气条件下CO2放电等离子体进行物理建模,形成由51种粒子与1008种反应构成的初始反应体系,其中包含了 一定比例的含氮物质间的碰撞过程,以对火星条件下的放电特征进行更准确的描述。在对反应的叙述中,提供了详细的获取速率系数的方法,以保证数值模拟的正确进行,并为其他类型等离子体的建模工作提供借鉴。在此基础上,应用图论,首先暂时忽略各粒子的浓度和反应速率,重点研究各粒子在反应中的参与情况及各粒子间的相互作用关系。从度的角度探究各粒子生成与损耗的方式,基于接近中心性构成以电子为中心的无权拓扑网络,体现出电子在与其他粒子间进行连通时的活跃性。计算各粒子的中介中心性和以各粒子为中心所构成的子网的聚类系数,以获得各粒子在其他粒子对的连通过程中发挥的作用,为反应机理和放电路径的研究奠定基础。（2）从等离子体构成的含权拓扑网络入手,讨论放电的内在本质,实现等离子体模型的反应动力学简化过程。首先重点研究各粒子在数值模拟过程中产生与损耗的路径,将反应的传输增益与各粒子的浓度分别转化为网络中边与节点的权重,使用Dijkstra算法,寻找生成各类产物最快最有效的路径,同时考虑路径末端粒子的中心性及始端粒子浓度,推导出各粒子的相对重要性,发现除背景气体外,各类激发态粒子相比于基态粒子往往更为重要。仅将重要性较高的粒子进行保留,便实现了粒子种类的还原。在反应种类的还原过程中,为了保证简化体系闭环,需要首先保留各还原粒子的最重要的生成和损耗途径,这便形成了由57个反应构成的还原骨架;随后基于该还原骨架,采用基于反应子边长度的计算机自动化算法对骨架进行反应血肉补充,最终实现简化模型的构建。简化模型共包含36种粒子与300种反应,化学体系规模相较于初始模型减少了超过2/3。由于所保留的反应均为放电过程中的关键过程,因此该简化模型不仅能够大幅提升计算速率,更是对初始模型反应本质的高度总结。（3）对初始模型和简化模型的数值模拟结果进行详细的讨论。从反应动力学角度,剖析各粒子浓度变化、粒子间依赖性变化等现象背后蕴含的反应路径与反应速率的改变,以实现对火星大气条件下CO2放电本质的深刻理解。简化模型的数值模拟结果与初始模型高度一致,这验证了等离子体反应动力学简化过程的可靠性与化简结果的准确性。CO和O是火星大气放电中浓度上升最快的基态粒子,O2主要通过e与CO2+间发生的复合反应产生;基态CO2对产生弯曲模式和对称拉伸模式振动态能级具有主导作用,非对称拉伸模式振动态对基态CO2的依赖性随着能级的升高而降低。随着时间推移,生成高能级激发态的主要途径转变为能量向上泵浦的VV弛豫过程,该过程有利于降低CO2分解的能垒,在更适合CO2放电发生的火星条件下,使CO2的解离过程更为高效。基于等离子体基本反应数据,图论在构造有效而精简的反应体系方面体现出极高的优越性。基于无权网的研究方法能够定量分析反应粒子之间的相互关系,基于含权网的动力学简化方法能够识别火星条件下CO2放电过程中的关键路径,了解放电发生的本质机理。二者相辅相成,为实现复杂化学等离子体体系中反应粒子与反应种类的自动化、精确化与智能化选择提供依据,为精确研究火星CO2放电中的各种产物,实现基于放电等离子体技术的火星原位制氧奠定理论基础。