月尘环境效应及地面模拟技术

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2013年4月第2期月尘环境效应及地面模拟技术童靖宇李蔓白羽田东波(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要介绍了月球尘的特点及其对探月活动的影响。在分析月球尘环境及其对月面探测器污染、磨损、阻塞、静电效应的基础上，对月球尘环境模拟技术、月球尘扬尘及其运动学和动力学规律、月球尘效应防护及试验评价方法等研究方向和重点提出了一些初步看法。针对研究内容的需求，梳理出一台完整的月球尘地面模拟试验设备应具备真空、温度、太阳风、太阳紫外、月球尘、月面电场、月面磁场等环境因素。在此基础

2、上，设计了一种月球尘地面模拟试验装置方案，并对月球尘环境效应试验方法进行了初步讨论。为月球探测后期任务条件保障建设及相关研究工作提供参考。关键词月尘环境效应地面模拟探月工程DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．02．0131引言目前，月球、火星、近地小行星是人类空间探测的热点。我国已圆满完成绕月探测任务，未来还将实现月面着陆巡视探测和钻探采样返回的任务。我们将面临登月及月面活动的新环境，其中月球尘是我们了解最少的月面环境因素之一。月球尘表面有很强的化学活性并带有静电，其黏附性和渗透性极强，而且很难清除干净。黏附在月面探测设备表

3、面的月球尘会带来一系列问题隐患：光学镜头及热控表面性能下降、太阳电池阵功率损失、机械结构卡死、密封机构失效、航天服及活动部件磨损、航天员及摄像装置视线遮挡、对航天员心肺健康的影响等。目前，人类对月球尘环境及其效应的认识主要来自于阿波罗登月探测的成果。1989年，美国提出空间探测初步行动计划和人类重返月球的目标以后，许多航天国家重新开始了对月面环境的研究。其中，月球尘环境及其效应是研究的重点内容之一。除进行阿波罗探测成果的挖掘研究外，最主要的研究方式是地面模拟试验研究。本文在分析月球尘环境及环境效应的基础上，对需要研究的方向和重点提出了一些初步看法。针对研究

4、内容的需求，设计了一种月球尘地面模拟试验装置方案，可以为月球探测后期任务条件保障建设及相关研究工作提供参考。2月球尘环境及其对月面探测活动的影响(1)月球尘环境分析月球表面遭受空间风化，主要是极端温度变化、陨石和微陨石撞击、太阳风和高能宇宙射线轰击等，岩石逐渐被粉化，形成一层很厚的表面月壤‘卜引。其中，月壤中尺寸小于50扯m的颗粒被称国防科工局技术基础科研项目。收稿日期：2012—09一04。收修改稿日期：201210—25!!!i生!旦±里至囹型兰垫查12作月球尘，月壤中月球尘成分约占40％～50％。月球尘的元素丰度从大到小排列为氧、硅、铝、镁、铁、钙、

5、钛、钠及极少量其他元素。从月球尘中存在大量熔融和粘结成分可以推断，陨石和微陨石撞击在月球尘的形成中起到主导作用。通过超高速撞击造成的粉碎、气化、分馏、团聚，形成了表面粗糙、形状不规则、多棱角、多孔、玻璃态和粘结物粉尘。月球尘具有颗粒小、形状尖锐、硬度高、粘附性强、渗透性强、带电、容易悬浮、到处弥漫等特点，对登月设备及人员带来很多问题。月球尘在太阳风等离子体长期轰击下，其表面活化，并产生缺陷及悬挂分子键，增加了月球尘的黏附性。此外，太阳风轰击也是月球尘带电的可能因素。太阳电磁辐射中的紫外及以下波长成分会使月球尘表面产生光电子发射，造成月球尘带正电荷。同时，紫

6、外光子能够诱发月球尘与航天器材料表面问形成化学键，也增加了月球尘的黏附性。太阳可见光与红外辐射主要对航天器产生热效应，也能促进月球尘与航天器材料问化学键的产生。压力、温度能改变月球尘及航天器表面的化学活性，对月球尘的黏附性会产生很大影响。另外，月球重力场仅为地球重力场的]／6，其重力会对月球尘扬尘及输送过程的动力学和运动学行为产生影响。(2)月球尘对月面探测活动的影响月球尘造成的环境效应包括污染、磨损、阻塞、静电等口‘5]。1)沉积污染效应：月球尘会污染温控表面、光学表面、太阳电池阵，导致其性能下降甚至出现异常。2)磨损效应：月球尘的粒度小、干燥、形状尖锐

7、、硬度高，月球尘的这种特性使得与其作任何相对运动的接触面产生划痕。地面试验证实了细小尘埃颗粒对月球车轮具有明显的磨损。3)阻塞效应：月球尘附着在活动机构的表面会增加活动机构的阻力，有时甚至发生卡死现象。几乎所有的阿波罗探月工程技术报告都提到了这一问题，问题发生在锁扣、设备搬运、相机设备等上，甚至真空吸尘器也会发生问题。4)渗入效应：细小粉尘极具渗透性。月球尘的这种特性不仅危及活动的机械部件，也会对航天员的生命支持系统产生危害。5)静电效应：月球尘带电会使得登月设备发生充放电现象，对设备的电子元器件产生影响。带电月球尘的电荷累积可能引起太阳电池阵漏电及局部放

8、电。同时月球尘带电会增强月球尘的吸附特性，加重污染程度。6)生物效