月球靜電效應(yīng)及防護(hù)研究

孫永衛(wèi)，武占成，李宇明

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

月球靜電效應(yīng)及防護(hù)研究

孫永衛(wèi)，武占成，李宇明

（軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所，河北石家莊 050003）

月球表面由于空間環(huán)境和月球特性極易造成強烈的靜電起電現(xiàn)象，當(dāng)?shù)窃绿綔y器或航天員到達(dá)月球表面時，在與月壤摩擦的過程中也會產(chǎn)生靜電。登月探測裝備的月球靜電環(huán)境效應(yīng)危害極大，帶靜電荷月塵可能進(jìn)入甚至覆蓋登月探測器所載儀器設(shè)備，作用于登月探測器的通訊系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、甚至航天員。由于月球與地球的巨大環(huán)境差異而無法應(yīng)用地球上靜電防護(hù)的成熟技術(shù)。研究了月塵的靜電學(xué)特性，帶靜電月塵對航天裝備產(chǎn)生的影響，月球靜電消除技術(shù)等新的技術(shù)發(fā)展。

月塵；登月探測器；靜電防護(hù)

“嫦娥工程”二期工程將完成登月探測器的降落，三期工程將完成月球表面采樣并返回。屆時，登月探測器將攜帶探測儀器開展探測區(qū)月貌和物質(zhì)調(diào)查，進(jìn)行月基空間環(huán)境和空間天氣探測，深化對月壤、月殼和月球形成和演化的認(rèn)識，氦－3、鈦鐵礦月球資源探測等一系列研究工作，并為月球探測后續(xù)工程提供數(shù)據(jù)支持，這些研究工程面臨的重大挑戰(zhàn)之一就是月塵的影響。月球表面覆蓋了一層月壤，月壤包含了各種月球巖石和礦物碎屑，并記錄了月表遭受撞擊和太陽活動歷史，是研究月球資源、物質(zhì)組成與形成演化的主要信息來源，是登月探測的重要研究內(nèi)容之一。月壤由大量細(xì)微顆粒形成了幾米厚的浮土層，是巖石和月球地殼在隕星沖擊作用下的分裂產(chǎn)物，主要由硅化或玻璃化碎塊與斷片組成，直徑100μm以下的稱為月塵。月塵平均直徑為20μm，但多數(shù)小于5μm。40億年來，月球沒有遭受過任何侵蝕，月塵具有尖銳的棱角，破壞性極強。月塵具有較高的比表面積和絕緣性，由于空間環(huán)境作用容易帶靜電，帶靜電月塵還能相互作用產(chǎn)生靜電漂浮，同時又具有很強的吸附能力。月球表面靜電以及帶靜電月塵對登月設(shè)備的影響十分嚴(yán)重，月塵由于靜電作用而漂浮阻擋探測視線、吸附覆蓋探測裝備表面、甚至進(jìn)入月球探測器所載儀器設(shè)備，作用于登月探測器的光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、甚至航天員系統(tǒng)，造成視覺模糊、讀數(shù)錯誤、密封失效、材料磨損、熱控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)效率減低、航天員吸入和過敏等問題。例如“測量者3號”（Surveyor 3）著陸器的一個反射鏡被灰塵污染，相機(jī)濾光片的25%面積被月塵污染，造成通光量減少，圖像對比度下降。如果登月探測器的太陽電池系統(tǒng)受到月塵吸附遮蓋或由于帶靜電月塵作用導(dǎo)致靜電放電，引起效能降低或失去功能，極有可能使探測任務(wù)失敗。

1 月塵的靜電學(xué)特性

月塵與地球表面塵土的一個顯著區(qū)別是，月塵粒子一般帶有靜電。月塵的靜電來自太陽紫外線與月表光電效應(yīng)的相互作用，以及局部等離子區(qū)的相互作用。一是月球穿越地球的電磁層，通過陽光照射捕獲光能產(chǎn)生靜電；二是“太陽風(fēng)暴”發(fā)生時，太陽因能量的增加而使自身活動加強，從而向空間釋放出大量帶電粒子所形成的高速粒子流，大量帶電粒子、射線投放到月球上，月球表面靜電荷的聚集量在太陽活動達(dá)到峰值時會達(dá)到最高；三是在登月探測器等航天裝備在月球表面活動與月面摩擦產(chǎn)生靜電。由于太陽紫外線與X射線導(dǎo)致的光電子電荷占優(yōu)勢，月球的白天充正電；因為等離子體電子電荷占優(yōu)勢，月球的夜晚充負(fù)電。

1968年美國宇航局的“測量者7號”（Surveyor 7）著陸器拍攝到了月球地平線在天黑后發(fā)出了一種奇異的光芒（見圖1）。這是帶靜電的塵埃微粒漂浮在月球表面，太陽光經(jīng)漂浮在地表的帶電的月球塵埃散射后的發(fā)光，美國宇航局“月球勘探者號”（Lunar Prospector）發(fā)回的數(shù)據(jù)與這一現(xiàn)象吻合，月球勘探者號于1998－1999年圍繞月球運轉(zhuǎn)，在月球和地球磁尾時期相交叉期間，月球勘探者號記錄了月球表面電壓出現(xiàn)了重大變化。

圖1 “測量者7號”拍攝到的月球靜電釋放和塵暴

美國戈達(dá)德太空飛行中心的提姆－斯塔布斯研究發(fā)現(xiàn)：地球的磁尾延伸得很遠(yuǎn)，甚至越過地球的軌道，這樣一來，繞軌道而行的月球會每月一次（滿月）穿過地球的磁尾，從而導(dǎo)致了從月球‘塵暴’到靜電放電等一系列現(xiàn)象（見圖2）。滿月時，月球穿過由地球磁尾捕獲的帶電熱粒子組成的等離子體。這些最輕且最能移動的粒子和電子散布在月球的表面，從而使月球帶上負(fù)電荷。在月球的陽面，這種效應(yīng)被日光抵消——光子撞擊從月球表面反彈回來的電子，釋放出負(fù)電荷。而在月球背面，電子越聚越多，導(dǎo)致電荷攀升到數(shù)千伏。美國加州大學(xué)伯克利分校的研究員Jasper Halekas對“月球探測者”探測器在1998－1999年期間傳回的數(shù)據(jù)和月球登陸車拍攝的照片進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)月球表面的電荷電壓高達(dá)4 500 V。這種帶電荷的極端差異可能會使塵埃從月球帶負(fù)電的陰面飛到光面，并且在太陽升起或落下的區(qū)域形成最為強烈的粒子流。月表導(dǎo)電率很低，因此月塵粒子可以保持其帶電性。

圖2 月球在月圓時將穿過地球的磁層

在月球上，除了太空環(huán)境易使月壤帶電外，摩擦起電的環(huán)境也是嚴(yán)酷的。月球表面的干燥環(huán)境和低導(dǎo)電率使得月壤導(dǎo)電特性符合絕緣體。當(dāng)?shù)窃绿綔y器或航天員到達(dá)月球表面時，月壤與登月探測器、航天服使用的大部分物質(zhì)（例如鍍鋁聚脂薄膜，二烯鍍膜尼龍，滌綸，聚氨脂鍍膜尼龍，經(jīng)編織物，以及不銹鋼）在與砂礫和塵土摩擦的過程中也會產(chǎn)生靜電。月球探測器將安裝攝像頭、傳感器、天線等多種探測、導(dǎo)航、通訊等大量電子設(shè)備，也將配備有機(jī)械裝置，以便在月壤、月巖中勘探取樣。由于月壤是絕緣的，沒有通向地面的路徑，月球探測器或航天員穿著的航天服表面就會堆積起大量的靜電荷，正是這種帶電特性，使帶電月塵具有很強的吸附、摩擦作用，能夠輕易的吸附在任何表面上，甚至進(jìn)入或覆蓋月球車所載儀器設(shè)備，無論是著陸器、巡視探測器還是宇航服，即使在鋁表面或是在涂層表面，采用表面吹風(fēng)、振動、擦刷，都無法有效去除表面的月塵。大量帶電月塵聚集產(chǎn)生的吸附、遮蓋作用以及高壓靜電可能作用于登月探測器電路系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)，導(dǎo)致登月探測通訊失靈，放電擊穿，遮蓋太陽電池板等電子設(shè)備故障，形成一種不可逆轉(zhuǎn)的損害。例如：月球由于沒有大氣，晝夜溫差極大，探測器的熱控系統(tǒng)如果受到月塵的影響，表面吸附的月塵增加對紫外線與可見光的吸收，使散熱器性能退化。研究發(fā)現(xiàn)月塵對吸收比的影響是非線性的，11%的月塵覆蓋面積，就可導(dǎo)致雙倍的太陽能吸收比。

月塵由于帶有靜電而產(chǎn)生的吸附作用同樣能對宇航服和人體健康造成危害。自“阿波羅”11號探月任務(wù)以來，宇航員普遍認(rèn)為，月球塵埃是登陸月球表面所遇到的主要問題之一。1972－12－13日，“阿波羅”17號飛船宇航員尤金·塞爾南和哈里森·施密特在月面對陶拉斯－利特羅（Taurus－Littrow）山谷進(jìn)行考察時，月塵在他們的宇航服上留下了明顯的痕跡。宇航服表面布滿了灰色塵埃，頭盔的護(hù)目鏡上也出現(xiàn)了無數(shù)劃痕。在登月艙增壓后，他們兩人甚至難以脫下手套——盡管宇航服新增了保護(hù)性的翻蓋，塵埃仍然鉆進(jìn)了機(jī)械接合部位。狹窄的登月艙內(nèi)還是布滿了這種細(xì)塵，兩天前第一次行走結(jié)束后，施密特吸入了一些塵埃，出現(xiàn)了類似過敏的反應(yīng)。塞爾南在登月任務(wù)結(jié)束后的匯報中，報告眼睛和喉嚨有刺激感。美國宇航服制造商Hamilton Standard和ILC－Dover的工程師認(rèn)為，由于這些塵埃，“阿波羅”任務(wù)所配備的宇航服在月球表面使用20多個小時后，就會使其穿著者面臨重大危險。初步研究顯示，宇航員吸入月球塵埃可能會造成包括鐵中毒的健康危害，美國宇航局月球空中塵埃毒性咨詢小組的成員庫珀和泰勒已開展月球塵埃影響呼吸道系統(tǒng)的研究，并計劃到2010年制定出接觸月球塵埃的標(biāo)準(zhǔn)。

2 月球靜電環(huán)境模擬及靜電防護(hù)研究

月球大氣層非常稀薄，對航天器的影響可以忽略。在月球的夜晚，大氣密度只有大約2×10－5／cm3，白天則降到了10－4／cm3，這大約比地球大氣的密度小12～14個數(shù)量級。月球表面大氣的主要成是氖、氫、氦和氬。氖、氫及大部分氦主要來自于太陽風(fēng)，10%的氦由月球本身的重核放射性衰變產(chǎn)生。由于月球沒有大氣層，月表溫度變化由陽光直接決定，變化范圍－150～130℃，這對登月探測器的熱控系統(tǒng)的效率提出很高要求；月球自轉(zhuǎn)一周27．322天，一個夜晚大約相當(dāng)于地球上的14天，如在月夜進(jìn)行探測研究，月球探測器對太陽能供電系統(tǒng)需求極大；登月探測器高精密度的的光學(xué)探測系統(tǒng)作為月球環(huán)境觀測的主要裝備必須始終保持良好的狀態(tài)，這些都是最有可能受到帶靜電月塵影響的登月探測器裝備。由于月壤中還沒有發(fā)現(xiàn)有水的證據(jù)，接地系統(tǒng)對中和月球靜電是不起作用的，地球上靜電防護(hù)的成熟技術(shù)由于月球與地球的境差異而無法應(yīng)用，月球探測器完全暴露在多種宇宙射線下，月球重力加速度為1．62 m／s2，只有地球的1／6，這些條件極大地限制了月球靜電防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，月球靜電消除技術(shù)是一個全新的技術(shù)領(lǐng)域。

2004－01－14日，布什總統(tǒng)要求NASA做好2020年前后重返月球建立永久基地的準(zhǔn)備，制定了月球探測及深空探測路線圖。NASA一直非常關(guān)注靜電、月塵對宇航員、登月探測器產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行了大量月球靜電環(huán)境模擬和消除技術(shù)研究，作為計劃實施的一部分，美國航空航天局格林研究中心研制了一臺月塵模擬試驗設(shè)備，設(shè)備包括月塵、真空、溫度及太陽電磁輻照等主要環(huán)境因素。月塵模擬是設(shè)備最核心的部分，模擬月塵必須在試驗設(shè)備內(nèi)進(jìn)行表面活化后才能進(jìn)行試驗。模擬月塵含大量的水蒸氣和氧，首先要進(jìn)行出氣處理，為了防止模擬月塵出氣時膨脹爆炸，要合理控制真空抽氣速度，同時通過梳刷不斷攪動月塵，便于月塵均勻放氣，真空度要求達(dá)到10－6Pa，實驗前還必須通過3次以上－150～200℃溫度循環(huán)處理，直到殘余氣體分析器測量數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。美國NASA馬歇爾空間飛行中心兩套高能綜合環(huán)境系統(tǒng)CEETC2和CEETC3分別在1990年和1996年完成并投入使用。其中CEETC3綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)的真空抽氣系統(tǒng)采用離子泵。使用了兩臺靜電加速器來產(chǎn)生高能量的電子和質(zhì)子，1臺電子槍來產(chǎn)生1～50 ke V的電子。對于月塵微粒與有效載荷在真空環(huán)境中相互作用的觀點，將通過以下方式檢驗：在一個溫度可控的真空實驗區(qū)中，用汞氙燈來產(chǎn)生近紫外輻照，氘燈來產(chǎn)生遠(yuǎn)紫外輻照以及電子／離子束模擬太陽風(fēng)、離子體、月塵、月表以及巡視探測器表面的相互作用，模擬的輸入條件來自實驗室與月表的理論分析及觀察。美國宇航局還在建造一個試驗室，用來模擬由于太陽照射與等離子體的相互作用導(dǎo)致的電壓變化，以及由此產(chǎn)生的靜電相互作用，來了解怎樣來控制表面的電壓，以抵制或吸引月塵，從而減低或消除帶靜電月塵對登月航天裝備的影響。法國ONERA研制的高能綜合輻射環(huán)境模擬系統(tǒng)，設(shè)備真空度可達(dá)10－6Pa，電子能量220 ke V，單能質(zhì)子輻照10～150 keV。裝置輻射源包括一個Van de Graff電子加速器（100 keV至400 ke V）和一個電子槍（1至35 ke V）。美國NASA格倫中心針對靜電問題在探路者號太空車進(jìn)行了研究。他們在天線的底部增加了一些一英寸長、直徑2．5μm，被磨尖的鎢絲。針尖產(chǎn)生強大的場強，可將聚集在設(shè)備上的任何電荷被釋放到稀薄的大氣中。美國NASA肯尼迪太空中心，靜電及表面物理實驗室的首席科學(xué)家卡洛斯·卡萊（Carlos Calle）解釋說“就像一個反向操作的微型避雷針一樣”。美國加利福尼亞大學(xué)的蘭迪斯對月球靜電防護(hù)研究認(rèn)為，利用月球上極其稀薄的空氣作為公共電極，將一個細(xì)小的放射源，連接在每一件太空服和居住地上，低能α粒子會飛入稀薄的大氣之中，撞擊氣體分子，并且電離它們，登月設(shè)備、航天員周圍的氣體就會成為導(dǎo)體，從而中和任何多余的電荷。NASA計劃建造一個應(yīng)用離子槍和激光技術(shù)來調(diào)節(jié)導(dǎo)電體表面的電壓，這樣可以在收集月塵樣本時，自己清潔暴露在外的表面。將在環(huán)境模擬器中演示這種裝置與導(dǎo)電表面的撞擊給月塵的相互作用的帶來的影響。這種自清潔裝置的可行性這是一種基于電子或離子束的組合的裝置，這種緊湊的裝置用于等離子體月塵的清潔，其質(zhì)量與功耗被限制在幾千克與幾瓦的級別上。應(yīng)用電簾消除月塵技術(shù)也在積極地發(fā)展，為防止靜電擊穿，電簾由覆蓋了聚酯薄膜的透明平行電極組成，將電極連接到多相或單項交流電源上，形成交變電場，沉積在電極的月塵在電場作用下被舉起并沿著垂直于電極軸線的方向運動，從而達(dá)到清除月塵的目的，這個方法已經(jīng)使用原型演示過，除塵效率80%～90%。這種方法對于交流電壓、頻率、電極間距、電極寬度等參數(shù)的選擇還需作進(jìn)一步研究。

2007年，NASA召開的月塵研討會上討論了有關(guān)月塵的4個議題：月塵的基礎(chǔ)理論，月塵對機(jī)械系統(tǒng)的影響，月塵對醫(yī)藥／健康的影響，月塵對生命維持系統(tǒng)的影響。研究的內(nèi)容涵蓋了月球等離子區(qū)環(huán)境研究，現(xiàn)有的月球探測中有關(guān)月塵的數(shù)據(jù)研究，對現(xiàn)有的模擬月壤進(jìn)行分析，看是否已經(jīng)足以描述真實月塵的特性，根據(jù)阿波羅任務(wù)獲得的知識，研究月塵的減少和消除技術(shù)，編寫一份機(jī)械系統(tǒng)與組件受月塵影響的矩陣，設(shè)計一份機(jī)械裝置在月塵環(huán)境中工作指南，研制正確的模擬月壤，設(shè)計、研制、測試、評估月塵消除裝置，使用標(biāo)準(zhǔn)測試技術(shù)或經(jīng)過改進(jìn)的技術(shù)，研究機(jī)械系統(tǒng)對月塵的敏感性等內(nèi)容。

3 結(jié) 語

開展月球靜電環(huán)境模擬及月球靜電效應(yīng)研究的目的是服務(wù)于中國探月工程。就中國登月探測任務(wù)的長遠(yuǎn)發(fā)展而言，月塵的影響是一個不可忽視的問題，帶靜電月塵導(dǎo)致的月球表面環(huán)境效應(yīng)極有可能會對未來的探月行動構(gòu)成嚴(yán)重威脅，月球探測必須在充分研究月塵環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行。從中國探月工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢情況看，由于需求牽引，對月面環(huán)境的模擬及相關(guān)研究已經(jīng)開始，帶電月塵對登月探測器、航天員的影響已成一個必須盡早完成研究的熱點課題。因此，開展月塵模擬環(huán)境，對月塵的特性進(jìn)行深入研究，探索研究針對月球靜電防護(hù)新技術(shù)、新方法，防止帶靜電月塵對登月設(shè)備和航天員產(chǎn)生危害，對探月工程的靜電防護(hù)體系建設(shè)具有重要意義，可以為未來的月球探測計劃打下良好的基礎(chǔ)。

V520．1；V529．1

A

1008－1542（2011）12－0225－04

2011－06－20；責(zé)任編輯：王士忠

孫永衛(wèi)（1968－），男，山東海陽人，副教授，主要從事靜電理論與防護(hù)方面的研究。