月塵環(huán)境效應(yīng)及地面模擬技術(shù)

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1、中國空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology2013年4月第2期月塵環(huán)境效應(yīng)及地面模擬技術(shù)童靖宇李蔓白羽田東波(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094)摘要介紹了月球塵的特點(diǎn)及其對(duì)探月活動(dòng)的影響。在分析月球塵環(huán)境及其對(duì)月面探測器污染、磨損、阻塞、靜電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)月球塵環(huán)境模擬技術(shù)、月球塵揚(yáng)塵及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律、月球塵效應(yīng)防護(hù)及試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法等研究方向和重點(diǎn)提出了一些初步看法。針對(duì)研究內(nèi)容的需求，梳理出一臺(tái)完整的月球塵地面模擬試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)具備真空、溫度、太陽風(fēng)、太陽紫外、月球塵、月面電場、月面磁場等環(huán)境因素。在此基礎(chǔ)

2、上，設(shè)計(jì)了一種月球塵地面模擬試驗(yàn)裝置方案，并對(duì)月球塵環(huán)境效應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行了初步討論。為月球探測后期任務(wù)條件保障建設(shè)及相關(guān)研究工作提供參考。關(guān)鍵詞月塵環(huán)境效應(yīng)地面模擬探月工程DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．02．0131引言目前，月球、火星、近地小行星是人類空間探測的熱點(diǎn)。我國已圓滿完成繞月探測任務(wù)，未來還將實(shí)現(xiàn)月面著陸巡視探測和鉆探采樣返回的任務(wù)。我們將面臨登月及月面活動(dòng)的新環(huán)境，其中月球塵是我們了解最少的月面環(huán)境因素之一。月球塵表面有很強(qiáng)的化學(xué)活性并帶有靜電，其黏附性和滲透性極強(qiáng)，而且很難清除干凈。黏附在月面探測設(shè)備表

3、面的月球塵會(huì)帶來一系列問題隱患：光學(xué)鏡頭及熱控表面性能下降、太陽電池陣功率損失、機(jī)械結(jié)構(gòu)卡死、密封機(jī)構(gòu)失效、航天服及活動(dòng)部件磨損、航天員及攝像裝置視線遮擋、對(duì)航天員心肺健康的影響等。目前，人類對(duì)月球塵環(huán)境及其效應(yīng)的認(rèn)識(shí)主要來自于阿波羅登月探測的成果。1989年，美國提出空間探測初步行動(dòng)計(jì)劃和人類重返月球的目標(biāo)以后，許多航天國家重新開始了對(duì)月面環(huán)境的研究。其中，月球塵環(huán)境及其效應(yīng)是研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。除進(jìn)行阿波羅探測成果的挖掘研究外，最主要的研究方式是地面模擬試驗(yàn)研究。本文在分析月球塵環(huán)境及環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)上，對(duì)需要研究的方向和重點(diǎn)提出了一些初步看法。針對(duì)研究

4、內(nèi)容的需求，設(shè)計(jì)了一種月球塵地面模擬試驗(yàn)裝置方案，可以為月球探測后期任務(wù)條件保障建設(shè)及相關(guān)研究工作提供參考。2月球塵環(huán)境及其對(duì)月面探測活動(dòng)的影響(1)月球塵環(huán)境分析月球表面遭受空間風(fēng)化，主要是極端溫度變化、隕石和微隕石撞擊、太陽風(fēng)和高能宇宙射線轟擊等，巖石逐漸被粉化，形成一層很厚的表面月壤‘卜引。其中，月壤中尺寸小于50扯m的顆粒被稱國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目。收稿日期：2012—09一04。收修改稿日期：201210—25!!!i生!旦±里至囹型蘭墊查12作月球塵，月壤中月球塵成分約占40％～50％。月球塵的元素豐度從大到小排列為氧、硅、鋁、鎂、鐵、鈣、

5、鈦、鈉及極少量其他元素。從月球塵中存在大量熔融和粘結(jié)成分可以推斷，隕石和微隕石撞擊在月球塵的形成中起到主導(dǎo)作用。通過超高速撞擊造成的粉碎、氣化、分餾、團(tuán)聚，形成了表面粗糙、形狀不規(guī)則、多棱角、多孔、玻璃態(tài)和粘結(jié)物粉塵。月球塵具有顆粒小、形狀尖銳、硬度高、粘附性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)、帶電、容易懸浮、到處彌漫等特點(diǎn)，對(duì)登月設(shè)備及人員帶來很多問題。月球塵在太陽風(fēng)等離子體長期轟擊下，其表面活化，并產(chǎn)生缺陷及懸掛分子鍵，增加了月球塵的黏附性。此外，太陽風(fēng)轟擊也是月球塵帶電的可能因素。太陽電磁輻射中的紫外及以下波長成分會(huì)使月球塵表面產(chǎn)生光電子發(fā)射，造成月球塵帶正電荷。同時(shí)，紫

6、外光子能夠誘發(fā)月球塵與航天器材料表面問形成化學(xué)鍵，也增加了月球塵的黏附性。太陽可見光與紅外輻射主要對(duì)航天器產(chǎn)生熱效應(yīng)，也能促進(jìn)月球塵與航天器材料問化學(xué)鍵的產(chǎn)生。壓力、溫度能改變?cè)虑驂m及航天器表面的化學(xué)活性，對(duì)月球塵的黏附性會(huì)產(chǎn)生很大影響。另外，月球重力場僅為地球重力場的]／6，其重力會(huì)對(duì)月球塵揚(yáng)塵及輸送過程的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)行為產(chǎn)生影響。(2)月球塵對(duì)月面探測活動(dòng)的影響月球塵造成的環(huán)境效應(yīng)包括污染、磨損、阻塞、靜電等口‘5]。1)沉積污染效應(yīng)：月球塵會(huì)污染溫控表面、光學(xué)表面、太陽電池陣，導(dǎo)致其性能下降甚至出現(xiàn)異常。2)磨損效應(yīng)：月球塵的粒度小、干燥、形狀尖銳

7、、硬度高，月球塵的這種特性使得與其作任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸面產(chǎn)生劃痕。地面試驗(yàn)證實(shí)了細(xì)小塵埃顆粒對(duì)月球車輪具有明顯的磨損。3)阻塞效應(yīng)：月球塵附著在活動(dòng)機(jī)構(gòu)的表面會(huì)增加活動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻力，有時(shí)甚至發(fā)生卡死現(xiàn)象。幾乎所有的阿波羅探月工程技術(shù)報(bào)告都提到了這一問題，問題發(fā)生在鎖扣、設(shè)備搬運(yùn)、相機(jī)設(shè)備等上，甚至真空吸塵器也會(huì)發(fā)生問題。4)滲入效應(yīng)：細(xì)小粉塵極具滲透性。月球塵的這種特性不僅危及活動(dòng)的機(jī)械部件，也會(huì)對(duì)航天員的生命支持系統(tǒng)產(chǎn)生危害。5)靜電效應(yīng)：月球塵帶電會(huì)使得登月設(shè)備發(fā)生充放電現(xiàn)象，對(duì)設(shè)備的電子元器件產(chǎn)生影響。帶電月球塵的電荷累積可能引起太陽電池陣漏電及局部放

8、電。同時(shí)月球塵帶電會(huì)增強(qiáng)月球塵的吸附特性，加重污染程度。6)生物效