石 紅,楊生勝,薛玉雄,田立成,安 恒,把得東
(蘭州空間技術(shù)物理研究所,真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730000)
空間環(huán)境帶電粒子與航天器表面、航天器結(jié)構(gòu)材料等相互作用會(huì)產(chǎn)生多種空間環(huán)境效應(yīng),其中充放電效應(yīng)尤為突出。充放電效應(yīng)導(dǎo)致材料表面性能退化,降低太陽(yáng)電池陣的輸出功率,靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖耦合進(jìn)入衛(wèi)星內(nèi)部會(huì)造成電路故障,從而影響探月航天器的正常運(yùn)行[1,2]。探月航天器在飛向月球和返回地球的過(guò)程中都會(huì)經(jīng)過(guò)地球輻射帶環(huán)境,其充電效應(yīng)與地球同步軌道衛(wèi)星的充電效應(yīng)有相似點(diǎn);在近月軌道上繞月飛行過(guò)程中探月航天器除了受行星際太陽(yáng)風(fēng)的影響之外,還會(huì)受到地球磁鞘和磁尾等離子體的作用;月面著陸系統(tǒng)在月球極地取樣時(shí),低溫條件下還會(huì)遇到特殊的充電問(wèn)題。美國(guó)早期發(fā)射的Geotail衛(wèi)星收集了大量的太陽(yáng)風(fēng)數(shù)據(jù),1998年1月美國(guó)發(fā)射的Lunar Prospector探測(cè)器搭載電子反射計(jì)專門(mén)用來(lái)測(cè)量月球軌道電子環(huán)境,日本2007年9月發(fā)射的“月亮女神”(SELENE)攜帶了用于探測(cè)等離子體的裝置。結(jié)合美國(guó)等國(guó)外探月航天器攜帶的各種科學(xué)載荷獲取的探月環(huán)境數(shù)據(jù),概括了探月航天器奔月、繞月和月面上可能遇到的充電效應(yīng)問(wèn)題,供航天器設(shè)計(jì)人員參考。
探月航天器的發(fā)射和返回軌道都要經(jīng)過(guò)地球輻射帶,航天器與等離子體和輻射環(huán)境相互作用,高能離子將會(huì)擾亂電子系統(tǒng),高能電子環(huán)境將會(huì)導(dǎo)致航天器表面帶電和體帶電。地球輻射帶的充電環(huán)境是相當(dāng)惡劣的。強(qiáng)地磁亞暴環(huán)境下地球同步軌道航天器表面可以充電到相當(dāng)高的電位,光照區(qū)為千伏量級(jí),陰暗區(qū)可達(dá)到上萬(wàn)伏[3]。絕緣部件內(nèi)帶電產(chǎn)生靜電放電而導(dǎo)致異常甚至任務(wù)失敗[4]。圖1是Garrett和Hoffman[5]給出的無(wú)光照區(qū)球形鋁航天器的充電電位隨高度和緯度的變化,表明了地球磁層中可能會(huì)出現(xiàn)最壞情況表面充電電位的空間位置。在400 km以上航天器充電電位超過(guò)400~500 V,有可能會(huì)發(fā)生放電。美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星(DMSP)及其它衛(wèi)星已經(jīng)多次觀察到極區(qū)嚴(yán)重充電(高達(dá)-4 000 V),ADEOS-II衛(wèi)星在800 km高度曾經(jīng)因?yàn)楹教炱鞒潆姸鴱氐资。?,7]。所幸的是光照條件下航天器表面充電電位會(huì)顯著降低,光電子發(fā)射減少了航天器上累積的電荷。探月任務(wù)可以通過(guò)合理的軌道選取來(lái)規(guī)避地球同步軌道衛(wèi)星所經(jīng)歷的惡劣午夜充電環(huán)境。
圖1 航天器的充電電位隨緯度和高度的分布
奔月和返回地球的飛行過(guò)程類似于CRRES衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道所經(jīng)歷的軌道環(huán)境,都經(jīng)過(guò)地球輻射帶,只是CRRES衛(wèi)星在輻射帶中的時(shí)間有10 h左右,而奔月和返回軌道在輻射帶的時(shí)間小于4 h[8]。Brautigam和Bell等人[9]假設(shè)探月航天器以近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)分別是300 km和379 870 km的橢圓軌道進(jìn)入100 km月球軌道(CE-1以對(duì)地600/380 000 km的大橢圓軌道進(jìn)入200 km的圓形繞月軌道),通過(guò)CRRESELE俘獲電子模型計(jì)算得到了與內(nèi)帶電相關(guān)的0.5 MeV<E<6 MeV的電子軌道平均積分通量(見(jiàn)圖2)。從a到d曲線的地磁活動(dòng)水平是遞增的,地磁擾動(dòng)大小由行星的Ap參數(shù)表示。模擬結(jié)果顯示0°軌道傾角的平均電子通量較大(實(shí)線),30°軌道傾角平均電子通量較低(虛線)(Apollo采用的飛行傾角)。最后一條曲線(e)是Fennell等人根據(jù)CRRES衛(wèi)星的高能電子探測(cè)結(jié)果推算出來(lái)的,給出了0°月球調(diào)相軌道半個(gè)軌道平均電子通量,它可以作為探月軌道最壞情況內(nèi)帶電防護(hù)設(shè)計(jì)考慮的環(huán)境條件,調(diào)相軌道包括遠(yuǎn)離和靠近地球兩個(gè)階段都經(jīng)過(guò)地球輻射帶,如果探月任務(wù)采用直接進(jìn)入地-月轉(zhuǎn)移軌道的方式,那么電子通量將會(huì)降低兩倍。
圖2中水平虛線表示5.56×105e-1/cm2·s的微分通量對(duì)應(yīng)著10 h的總通量2×1010e-1/cm2,[NASA-4002A]指出該條件下地球同步轉(zhuǎn)移軌道暴露于高能電子的介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)放電脈沖。地磁擾動(dòng)劇烈的環(huán)境中航天器表面介質(zhì)或者輕微屏蔽材料會(huì)被0.1 keV到1MeV的電子充電。對(duì)于在極端惡劣的環(huán)境中沿著赤道平面附近的軌道奔月和返回地球的衛(wèi)星,E>1 MeV的電子可以穿透屏蔽足夠深度而導(dǎo)致體帶電問(wèn)題,而屏蔽不夠充分的材料其體帶電問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。
月球軌道與黃道面的夾角大約是5.1°,月球距離黃道面最遠(yuǎn)是±5.3 Re,地球磁尾橫截面在月球處接近于圓環(huán)形,磁頂(磁尾和磁鞘之間的夾層)半徑從20 Re到30 Re[10]。磁尾平行于太陽(yáng)風(fēng),與黃道面上日地連線成4°夾角,這樣月球每個(gè)月必然要經(jīng)過(guò)磁尾一次。弓激波尺寸更大,在月球軌道上平均半徑在40 Re到70 Re之間變化[11]。假設(shè)磁頂和弓激波的半徑分別為RMP=25 Re和RBS=50 Re,月球軌道有26.5%處于弓激波(13.2%在磁尾,13.3%在磁鞘),73.5%處于太陽(yáng)風(fēng)。繞月軌道帶電粒子環(huán)境主要是能量相對(duì)較低而通量較大的太陽(yáng)風(fēng)粒子,此外每個(gè)月還會(huì)經(jīng)歷一次地球磁鞘和地球磁尾的低密度熱等離子體環(huán)境[8]。從圖3可以看出,探月航天器將在地球磁層和太陽(yáng)風(fēng)等離子體中度過(guò)大部分時(shí)間。等離子體區(qū)在地磁深尾處劃分為三種類型:寧?kù)o太陽(yáng)風(fēng)、磁鞘和磁尾,50 Re之外的航天器(探月航天器軌道60 Re~1±0.0026 AU)會(huì)隨時(shí)處在任一區(qū)域,因?yàn)樵谶h(yuǎn)離地球處磁尾的尺度和方向變化很大,每個(gè)軌道周期經(jīng)歷三個(gè)充電環(huán)境—行星際太陽(yáng)風(fēng)、地球磁鞘和磁尾[12]。
圖4為利用太陽(yáng)風(fēng)、磁鞘和等離子體層的矩統(tǒng)計(jì)獲得的10年內(nèi)電子和質(zhì)子的微分通量,所給出的等離子體環(huán)境適用于月球周?chē)h(huán)境。通過(guò)月球軌道在太陽(yáng)風(fēng)(73.5%)、磁鞘(13.3%)和磁尾(13.21%)中的比例來(lái)?yè)Q算每個(gè)區(qū)域所包含的能譜數(shù)據(jù),然后將修正的微分能譜在整個(gè)月球軌道內(nèi)積分獲得通量。圖4a給出的電子環(huán)境是由高通量低能電子支配的冪定律,圖4b所示的離子通量有兩個(gè)峰,1 keV附近較低的峰是質(zhì)子造成的而高能量峰是由氦離子形成的。下面分別描述地球磁尾和磁鞘等離子體、太陽(yáng)風(fēng)和月球尾區(qū)的探測(cè)情況。
月球通過(guò)地球磁尾時(shí)其周?chē)牡入x子體環(huán)境都會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)。圖5為1998年4月份LP電子反射計(jì)角平均電子通量,此圖說(shuō)明了地球磁尾的影響,即地球磁尾等離子體通量較低,這造成了4月10日左右低能電子通量耗損持續(xù)了大約5天時(shí)間。此外還可以看出始于1998年4月20日發(fā)生的一次太陽(yáng)高能粒子事件的影響[13]。
磁尾深處等離子體探測(cè)數(shù)據(jù)較少,深磁尾區(qū)等離子體的主要數(shù)據(jù)源自于20世紀(jì)七八十年代的ISEE-3和后來(lái)的Geotail任務(wù)。Iowa大學(xué)的Comprehensive Plasma Instrument(CPI)在軌Geotail衛(wèi)星(1992-1994)飛行范圍在XGSE=-50 Re到-209 Re之間,包括了月球軌道~60 Re。根據(jù)數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)獲取了1993年1月到6月的磁尾和磁層等離子體參數(shù)(數(shù)密度、溫度和流速)[14],由六個(gè)月內(nèi)離子流速、密度、電子和離子溫度隨日地連線上位置(50 Re-209 Re)的變化規(guī)律可知,-100 Re以內(nèi)等離子體參數(shù)和位置沒(méi)有明顯的相關(guān)性。Geotail綜合等離子體裝置數(shù)據(jù)分析得到的等離子體參數(shù)如表1所示。
圖3 磁尾等離子體環(huán)境
圖4 繞月軌道等離子體環(huán)境電子(a)和質(zhì)子(b)微分通量
圖5 1998年4月份LP電子反射計(jì)角平均電子通量
表1 地球磁層等離子體參數(shù)
太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)來(lái)自于行星際觀測(cè)平臺(tái)(IMP)衛(wèi)星,IMP系列衛(wèi)星位于35 Re~40 Re軌道用來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)風(fēng)和磁層。行星際觀測(cè)平臺(tái)衛(wèi)星IMP-8搭載的MIT法拉第杯裝置獲得太陽(yáng)風(fēng)等離子體特征數(shù)據(jù),由于IMP-8和嫦娥一號(hào)都沒(méi)有記錄電子密度,電子密度由下面的準(zhǔn)中性條件來(lái)估算。
式中 nk是第k種離子密度Nk所帶的電荷。近月軌道太陽(yáng)風(fēng)和磁尾中只有很少的重離子,因此只需要將氫和氦離子求和。
等離子體數(shù)密度、溫度和磁場(chǎng)密度的徑向變化見(jiàn)表2,太陽(yáng)風(fēng)特征的空間使用范圍足夠大,理論上地球附近的數(shù)值應(yīng)該經(jīng)過(guò)修正才能得到近月環(huán)境的值,日地距離1 AU加上地月距離0.0026 AU可以得到近月軌道的等離子體密度、溫度和磁場(chǎng)。但是修正量相對(duì)于每個(gè)參數(shù)自身的變化很小,因此在地球附近獲取的等離子體數(shù)據(jù)可以不經(jīng)過(guò)修正直接運(yùn)用到探月航天器,而且在1~20 AU之間太陽(yáng)風(fēng)流動(dòng)速度大小幾乎恒定不變,所以太陽(yáng)風(fēng)速度也不需要修正。
表3給出了 IMP6、IMP7、IMP8在1971年5月~1974年7月期間的探測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)等離子體特征數(shù)據(jù),除了氦/質(zhì)子的數(shù)密度比例還包括電子、質(zhì)子和氦的溫度值。表4是太陽(yáng)風(fēng)中元素百分比。表5給出了1973年~1998年9月的IMP8延伸裝置的觀測(cè)結(jié)果,雖然只有質(zhì)子數(shù)據(jù),但是它的優(yōu)勢(shì)在于覆蓋幾乎三個(gè)完整的太陽(yáng)周期,對(duì)質(zhì)子密度、溫度和速度變化的探測(cè)更加全面。
表2 等離子體數(shù)密度、溫度和磁場(chǎng)的徑向變化
表3 IMP6、IMP7、IMP8在1971年5月~1974年7月太陽(yáng)風(fēng)平均參數(shù)
表4 太陽(yáng)風(fēng)中元素百分比
表5 IMP8太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
表3到表5給出的數(shù)值是相關(guān)的,必須要考慮各個(gè)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系才能得到有價(jià)值的電子和質(zhì)子通量。比如,太陽(yáng)風(fēng)密度和速度是反相關(guān)的,最大密度發(fā)生在低速流,低密度出現(xiàn)在高速太陽(yáng)風(fēng)流。這種反相關(guān)性的一個(gè)表現(xiàn)是隨著太陽(yáng)風(fēng)速度的增加密度反而降低,其關(guān)系為
式中 C是比例常數(shù),V是總太陽(yáng)風(fēng)流速的大小。太陽(yáng)風(fēng)速度和質(zhì)子溫度關(guān)系
其中 溫度單位是1000 K,溫度單位 km/s。常數(shù) A=0.033 ±0.0001,B= -4.8 ±0.4[15,16]。
在月球的背陽(yáng)面,太陽(yáng)風(fēng)與月球相互作用形成了一個(gè)粒子非常稀薄的“空穴”區(qū),其等離子體密度降低2到3個(gè)量級(jí)。最初觀察到月球尾區(qū)的是Explorer-35和阿波羅亞衛(wèi)星(Apollo sub-satellites),近期也有一些探測(cè)器比如WIND和近月軌道Lunar Prospector也觀測(cè)到了月球尾區(qū)。2007年Lin等人和Halekas等人給出的月球等離子體環(huán)境及相互作用情形如圖6所示。航天器從月球后面經(jīng)過(guò)即經(jīng)過(guò)月球尾區(qū)時(shí)測(cè)得的電子通量變化見(jiàn)圖7,其記錄了電子反射計(jì)兩天內(nèi)的探測(cè)數(shù)據(jù)[13],圖中電子通量變化以兩個(gè)小時(shí)為周期,這是因?yàn)樵虑蛭矃^(qū)環(huán)境中電子通量較低,月球探測(cè)者(LP)每2 h經(jīng)歷一次月球尾區(qū),所以圖中每2 h電子通量降低一次,以低能電子最為顯著。
圖6 月球尾區(qū)示意圖
NASA通過(guò)NASCAP-2k分析了月球探測(cè)器的表面充電。NASCAP-2k默認(rèn)的計(jì)算探測(cè)器表面電位的環(huán)境包含行星際空間、同步軌道和低地球軌道,沒(méi)有月球環(huán)境選項(xiàng)。因此,選取行星際和地球同步軌道環(huán)境模型計(jì)算探測(cè)器在太陽(yáng)風(fēng)中、磁鞘和磁尾區(qū)域時(shí)的表面電位和電場(chǎng)。NASCAP采用的模型如圖8所示,月球處于低速太陽(yáng)風(fēng)中,探測(cè)器處在月球尾區(qū)時(shí)周?chē)入x子體環(huán)境參數(shù)如表6所示。通過(guò)行星際模式模擬1 000 s內(nèi)的充電,得到充電電位為-235.6 V,電場(chǎng)為-8×104V/m~6×104V/m。GEO模式充電時(shí)間是300 s,充電電位為 -154 V~-153.9 V,電場(chǎng)是-5×104V/m~4×104V/m。兩種模式的電位、充電電流和電場(chǎng)連續(xù)變化,在各自的充電時(shí)間內(nèi)都達(dá)到平衡[17]。
受到太陽(yáng)紫外線和遠(yuǎn)紫外線光子的作用,月球表面會(huì)產(chǎn)生出光電子。因?yàn)橐话闱闆r下,光電子流大于入射太陽(yáng)風(fēng)電子流,月球表面帶數(shù)十伏正電。與月表陽(yáng)面正電位相反,不被日光照射的晨昏線和背光面暴露在來(lái)自于遠(yuǎn)地磁尾的高能電子和太陽(yáng)風(fēng)中向陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的組分,會(huì)帶上負(fù)電,晨昏線附近月球負(fù)電位范圍10~100 V,極度尾區(qū)會(huì)達(dá)到-300 V。月球引力和表面電場(chǎng)約束住光電子,避免其逸散入太空,有一部分光電子會(huì)中和月面上的正電荷,同時(shí)又會(huì)有新的光電子被激發(fā)出來(lái),從而維持一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,于是在月球表面形成了電子密度較低的等離子體,德拜長(zhǎng)度大約1 m左右。由于紫外線照射的分布并不均勻,所以月面上不同位置的光電子濃度和顆粒帶電量也不同。蘇聯(lián)通過(guò)掩星探測(cè)方法估算出月球表面上光電子密度130 e/cm3,距離月面5~10 km高度光電子密度500~1 000 e/cm3,而Apollo12、14和15通過(guò)粒子探測(cè)儀對(duì)月球電離層原位觀測(cè)到100 m高度處光電子密度達(dá)1×104e/cm3[8,18],可能是因?yàn)樘K聯(lián)測(cè)量時(shí)所采用的掩星觀測(cè)方法不夠成熟,與Apollo的觀測(cè)結(jié)果相差較大,后來(lái)歐洲科學(xué)家采用掩星觀測(cè)法獲得了與Apollo觀測(cè)一致的結(jié)果。WIND航天器測(cè)量了陰面尾區(qū)結(jié)構(gòu),得到結(jié)論稱航天器在月球等離子體尾區(qū)充電電位達(dá)到-400 V量級(jí)[19]。
圖7 LP電子反射計(jì)電子微分通量記錄
表6 低速太陽(yáng)風(fēng)中探測(cè)器在月球尾區(qū)時(shí)的等離子體環(huán)境
圖8 NASCAP-2 k模擬月球探測(cè)者(LP)航天器模型
由于月球的微重力(是地球的六分之一)和真空的條件,細(xì)小的月塵顆粒(平均直徑為40~130 μm)很容易被自然和人為活動(dòng)擾動(dòng)而懸浮在空中。帶電塵埃極易粘著和堆積到各種接觸到的裝置上,造成阻隔視野、讀數(shù)錯(cuò)誤、密封失效、機(jī)構(gòu)堵塞、材料磨損、熱控制失效、吸入和過(guò)敏等諸多問(wèn)題,給登月帶來(lái)許多困難。NASA研制月球大氣和塵埃環(huán)境探測(cè)器LADEE(Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer),計(jì)劃在2013年5月發(fā)射,用于原位測(cè)量塵埃效應(yīng)[20]。月塵被入射的等離子體和太陽(yáng)紫外線靜電充電,月塵的靜電充電效應(yīng)也為探測(cè)任務(wù)提供了機(jī)遇,NASA肯尼迪空間中心的靜電和表面物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了利用這些靜電環(huán)境的塵埃緩解技術(shù)。電力學(xué)塵埃屏蔽(Electrodynamic Dust Shield)系統(tǒng),基于產(chǎn)生變化的非均勻電場(chǎng),借助電泳力加速帶電粒子,已經(jīng)研究證明[21]該系統(tǒng)可以在月球環(huán)境下有效清除塵埃。這一技術(shù)與其它精密量度設(shè)備一起為未來(lái)的探測(cè)任務(wù)提供了有效手段。
極區(qū)溫度特別低,可以俘獲揮發(fā)物比如水,常年處于陰影區(qū)的月球極地環(huán)境特別惡劣卻蘊(yùn)含著豐富的資源,因此人們對(duì)于月球極區(qū)的探測(cè)有著濃厚的興趣。我們認(rèn)為月球極區(qū)電學(xué)環(huán)境較為復(fù)雜,對(duì)探月著陸系統(tǒng)是巨大的挑戰(zhàn)。當(dāng)月球著陸系統(tǒng)在風(fēng)化層上移動(dòng)時(shí),它將會(huì)通過(guò)物體和表面之間的摩擦帶電。系統(tǒng)在本質(zhì)上成為了存儲(chǔ)摩擦電荷的電容器,它同時(shí)電連接到風(fēng)化層和等離子體上,但是月球風(fēng)化層這一半導(dǎo)體在極低的溫度下變?yōu)榻^緣體(Rg很大),因此人造系統(tǒng)本質(zhì)上是“接地”到等離子體的,通過(guò)等離子體釋放摩擦電荷,其等效電路見(jiàn)圖9。然而最近有關(guān)流入極區(qū)環(huán)形山的太陽(yáng)風(fēng)電流研究表明,等離子體流直接被障礙物阻擋。文獻(xiàn)[22]將等離子體擴(kuò)散模型運(yùn)用于Shoemaker環(huán)形山,結(jié)果顯示環(huán)境電流由頂端接近100 nA/m2降低到環(huán)形山基底背風(fēng)面的0.1 nA/m2,那么環(huán)境等離子體電流也不能成為放掉摩擦電荷的有效途徑。因此在月球極地環(huán)形山中,系統(tǒng)的電力耗散路徑都是阻斷的。
圖9 探月著陸系統(tǒng)等效電路圖
NASA計(jì)算結(jié)果顯示在極區(qū)環(huán)形山中,充電系統(tǒng)釋放電荷的時(shí)間超過(guò)100 s(在光照區(qū)時(shí)間為ms量級(jí))。這給快速移動(dòng)的系統(tǒng)帶來(lái)了較大挑戰(zhàn),需要控制摩擦帶電積累時(shí)間,使其超過(guò)耗散時(shí)間。挖掘和鉆井操作也要應(yīng)對(duì)電荷累積的挑戰(zhàn)(有可能吸附過(guò)量的塵埃)。本質(zhì)的問(wèn)題是缺少大電容來(lái)提供電參考或者“地”,所以探月機(jī)器人或人造系統(tǒng)在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)該考慮到靜電放電(ESD)危險(xiǎn)。這樣的“接地”問(wèn)題在其它巖石類星體的著陸中也必須加以考慮。
奔月軌道和返回軌道,航天器都要經(jīng)過(guò)地球磁層的輻射環(huán)境。在輻射帶中運(yùn)行時(shí)遭遇的輻射量和一系列因素有關(guān),包括發(fā)射緯度、著陸地點(diǎn)、低地球軌道分離和返回的經(jīng)度、地磁活動(dòng)和太陽(yáng)周期、軌道傾角等,優(yōu)化這些因素可以有效規(guī)避?chē)?yán)重的航天器充電問(wèn)題。繞月軌道航天器會(huì)經(jīng)歷太陽(yáng)風(fēng)、磁鞘和磁尾環(huán)境,繞到月球尾區(qū)時(shí)其充電問(wèn)題更嚴(yán)重一些。月球著陸系統(tǒng)除了月塵以外,還面臨著另一個(gè)問(wèn)題,即在低溫條件下有可能被電絕緣,累積電荷無(wú)法盡快釋放,若電荷積累速度很快則有靜電放電(ESD)的危險(xiǎn)。
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