月面揚塵特性與月塵防護(hù)技術(shù)研究

曾令斌，邱寶貴，肖 杰，宗 魏，羅小桃

（1.上海市空間飛行器機構(gòu)重點實驗室，上海 201109；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109）

0 引言

月壤是指在氧氣、水、風(fēng)和生命活動缺失的月面環(huán)境中由流星撞擊、宇宙射線和太陽風(fēng)輻照、大幅度溫度變化等因素共同作用形成的，廣泛分布于月表厚度不均（數(shù)厘米至數(shù)十米）的未連接粒子［1］。月塵是指月壤中直徑小于1mm的顆粒，其中間值為40～130μm，平均粒徑70μm［2］。月塵具有突出的粘附性、研磨性和滲透性，會嚴(yán)重影響探月工程月面活動支持系統(tǒng)中活動部件、熱控散熱表面、測控數(shù)傳天線、光學(xué)鏡片及光伏電池的正常工作。細(xì)小的月塵有較高的比表面積和絕緣性，在月球低導(dǎo)電性、高溫、強輻射環(huán)境中，伴隨各種接觸和摩擦作用，月塵顆粒極易帶電［3］。

阿波羅工程中，月塵造成了阻擋視線、削弱熱控系統(tǒng)散熱性能、加劇活動部件磨損乃至卡死等多種問題，后期登月的航天員使用刷子清除月球車熱控散熱表面堆積的灰塵，但刷子除塵的效率很低，且尖銳月塵易劃傷功能材料表面［4］。阿波羅工程結(jié)束后，NASA持續(xù)資助了多家單位開展月塵特性及其防護(hù)技術(shù)的研究，試驗開發(fā)了靜電防護(hù)法、表面充電法、不粘表面法、導(dǎo)電鍍膜法、電簾除塵、機械振動除塵、尼龍刷－磁力刷結(jié)合除塵等多種防塵除塵技術(shù)［5－12］。經(jīng)過30多年的持續(xù)研究，包括電簾除塵、機械振動、不沾涂層等技術(shù)先后達(dá)到4～5級技術(shù)成熟度，用于月球基地建設(shè)的防塵過濾網(wǎng)、月面固化等技術(shù)也全面展開［13］。

根據(jù)探月工程二期、三期以及未來載人登月工程中緩解月塵影響的任務(wù)需求，結(jié)合嫦娥三號月面巡視器防塵技術(shù)研制經(jīng)驗，本文分析了著陸揚塵、靜電懸浮揚塵和車輪滾動揚塵的形成機理與典型特征，從月塵揚起、傳輸、沉降與附著全過程研究了防塵除塵的方法和技術(shù)。

1 月面揚塵特征及影響

伏在月表的月塵不會直接侵蝕航天器和航天員，揚起的月塵則能彌散、附著并滲透至各種敏感元器件表面而造成危害。月塵揚起機制有以下兩種［14］。

a）自然揚塵：包括流星和微流星體與月球表面發(fā)生撞擊產(chǎn)生的次級發(fā)射物，以及靜電懸浮揚塵等。典型的流星體撞擊月表可激起100～1 000倍于其質(zhì)量的月塵。經(jīng)統(tǒng)計，1年時間里月球表面每平方米會受到平均95次1×10－9g或更大流星體的撞擊［15］。

b）人為揚塵：人類在月球上的著陸／起飛、月球車行駛、采樣封裝和航天員行走等活動等激起的月塵。航天員以45°踢起的月塵可到達(dá)4～8m遠(yuǎn)處；月球車以3.56m／s勻速行進(jìn)卷起的月塵可達(dá)20m遠(yuǎn)。

1.1 著陸揚塵特征及影響

月球著陸器到達(dá)預(yù)定著陸區(qū)上空并下降至一定距離時，發(fā)動機噴射出的垂直于月表的燃?xì)庥鹆鲗⑴c月塵發(fā)生相互作用，激揚起月塵云（如圖1所示），并形成以靜止點（羽流中心軸與月面的垂點為靜止點）為圓心的環(huán)形吹蝕坑。為減少羽流吹起的月塵，發(fā)動機引擎一般在距離月面較近時（如高度3m）提前關(guān)閉，著陸器作自由落體運動直至通過緩沖支腿接觸月面。

1.1.1 特征

a）月塵粒子被發(fā)動機羽流以較低的出射角向外噴射，形成向四周擴散的月塵云，而很少會向上卷起而沉降至著陸器上。

b）當(dāng)著陸點月壤軟且厚，而登月艙引擎未能在距月面一定高度正常關(guān)閉時，羽流吹蝕形成的吹蝕坑較深。

圖1 著陸器引擎羽流揚塵Fig.1 Lunar dusting stirred by engine plume

c）在抵抗羽流吹蝕的因素中，粒徑小于數(shù)微米的月塵其內(nèi)聚力起主要作用，粒徑大于10μm的月塵其重力起主要作用。

1.1.2 影響

a）遮擋航天員視線。在載人登月艙著陸時，羽流吹蝕形成的月塵云會嚴(yán)重削弱艙內(nèi)航天員觀察月面的能見度。

b）影響兩器分離。當(dāng)羽流吹蝕坑深且陡時，巡視器、機器人或月球車等月面移動工具難以從著陸器下來，或從著陸器下來后難以從吹蝕坑中爬出。

c）污染著陸器較低處的活動部件。緩沖支腿末端的腳墊撞擊月面揚起的月塵可能會直接濺射至著陸器低處的活動部件（如嫦娥三號探測器中的兩器轉(zhuǎn)移機構(gòu)），而影響活動部件的正常工作。

d）污染著陸點附近已有的月面設(shè)施。如Apollo 12飛船的登陸地點選擇在2年前登月留下的探測器附近，登月艙降落時引起的月塵大量聚集在163m 外的探測器上［16］。

1.2 靜電懸浮揚塵特征及影響

靜電懸浮揚塵是月塵在光電效應(yīng)、太陽風(fēng)輻照作用下帶電后長時間漂浮并移動的現(xiàn)象，高度30m下的月表環(huán)境中充滿了大量懸浮的月塵顆粒，其密度隨高度呈指數(shù)形式遞減。根據(jù)月塵懸浮運動狀態(tài)不同，靜電懸浮月塵可分為以下兩類。

a）動態(tài)懸浮月塵：根據(jù)噴泉模型（如圖2所示），月面的月塵顆粒受到電場力Fq、粘滯力Fc和月面重力Fg作用，當(dāng)向上的Fq克服了Fg，F(xiàn)c（Fq＞Fg＋Fc）時，月塵將離開月面。之后月塵在靜電場加速鞘中上升，并以向上的速度vexit到達(dá)帶電離子的德拜波長（λD）高度。因月塵顆粒很小，質(zhì)量較輕，在到達(dá)德拜波長高度前，F(xiàn)g相對靜電加速作用可忽略；在達(dá)到最高點后，月塵顆粒以近乎理想的拋物線落回月面［17］。

圖2 月塵動態(tài)噴泉模型［9］Fig.2 Dynamic fountain model for lunar dust［9］

b）準(zhǔn)靜態(tài)懸浮月塵：在月面至λD高度（0＜h＜λD）區(qū)間內(nèi)，對某一粒徑（rd）的月塵顆粒，存在一個高度（hv）使月塵粒子所受向上的電場力等于自身重力（Fq＝Fg），在無外界干擾時，月塵會在此高度上保持力學(xué)平衡而不至于落到月面上。同時，不同粒徑大小的顆粒會在各自的平衡高度上達(dá)到力學(xué)平衡，這樣就形成了長時間漂浮的準(zhǔn)靜態(tài)懸浮月塵云。

1.2.1 特征

a）月塵粒徑越小越容易發(fā)生靜電浮揚。亞微米級月塵能到達(dá)離月面100km以上的高度；粒徑大于1μm的月塵平均運動高度在10m以下；粒徑大于100μm的月塵很難發(fā)生靜電懸浮現(xiàn)象［18］。

b）太陽高度角越?。?°，180°），越易引發(fā)靜電懸浮現(xiàn)象。月面晨昏線附近靜電懸浮揚塵現(xiàn)象最劇烈，形成一條從月球北極延伸至南極的狹長薄膜狀月塵風(fēng)暴，并隨著晨昏線的移動而移動［19－20］。

1.2.2 影響

a）靜電懸浮揚塵長期漂浮、沉降并附著堆積在各種功能材料表面，導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量下降，光伏電池輸出功率降低，熱控系統(tǒng)散熱能力減弱，活動關(guān)節(jié)磨損加劇，以及測控數(shù)傳系統(tǒng)中X頻段定向天線的軸向增益降低等。NASA安裝在Apollo 15登月艙上的月塵探測裝置顯示，月塵覆蓋導(dǎo)致太陽能電池在第一年內(nèi)輸出功率下降了16%［21］。

b）晨昏線附近彌漫的大量月塵會直接影響光學(xué)相機、航天員的視場與能見度。

1.3 車輪滾動揚塵特征及影響

月球車在月面行進(jìn)時，大量月塵粘附于車輪底面并隨車輪向后轉(zhuǎn)動而沿切向拋出。文獻(xiàn)［22］對某一特定月球車車輪進(jìn)行離散元仿真分析，當(dāng)車輪以速度0.5，1.0，1.5，2.0m／s行駛時月塵顆?？蓳P起的最大高度相應(yīng)為0.01，0.14，0.29，0.40m。

1.3.1 特征

月球車行進(jìn)速度越快，車輪滾動揚塵現(xiàn)象越明顯，揚塵高度越高；車輪滾動揚塵顆粒多集中在車輪后方。

1.3.2 影響

a）車輪滾動揚塵可直接附著并滲透進(jìn)入包括車輪驅(qū)動關(guān)節(jié)在內(nèi)的車身較低處各種活動部件，引起磨損加劇乃至卡死。

b）車輪滾動揚塵可直接粘附于熱控散熱表面，降低其散熱性能引發(fā)系統(tǒng)過熱。

c）車輪滾動揚塵可對車載相機、太陽敏感器、對地定向天線等設(shè)備造成影響。

d）車輪滾動揚塵可對附近的航天員、月球機器人、太陽電池陣、月球增壓艙等造成直接影響。如月塵粘附于航天服可重復(fù)拆裝密封接口而降低其氣密性；若航天員吸入細(xì)微月塵則其呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)易受到損害。

2 月塵防護(hù)策略

為減輕月塵對月面航天器及航天員的影響和傷害，結(jié)合月塵揚起、傳輸、沉降附著以及造成破壞的全過程，本文提出月塵防護(hù)技術(shù)研究策略：從減少月塵揚起，阻斷月塵傳輸，減弱月塵沉降到抑制月塵附著，以及在上述措施不能滿足需求時采取月塵清除措施，進(jìn)行防塵－除塵結(jié)合的全面月塵防護(hù)。

2.1 減少月塵揚起

a）優(yōu)選揚塵少的空間進(jìn)行月面活動。如利用繞月衛(wèi)星預(yù)先了解各候選著陸點月壤厚度、松散度特征，優(yōu)選月壤較薄且緊致的區(qū)域著陸以減少羽流揚塵；選擇在月球南極撞擊坑中的永久陰影區(qū)建立天文光學(xué)觀測站，可不受晨昏線附近月塵暴的影響。

b）優(yōu)選揚塵少的時段進(jìn)行月面活動。如著陸器應(yīng)避免在月塵暴頻繁的晨昏時段登陸月面，亦應(yīng)盡量避免在晨昏時進(jìn)行各種月面出艙活動。

c）改造月表環(huán)境，抑制月塵激揚。如將月面著陸場或常走路線壓實或固化，可有效減少人為活動引起的月塵［23］。

2.2 阻斷月塵傳輸

在待保護(hù)目標(biāo)周圍設(shè)置月塵隔離裝置，部分或全部地阻斷月塵的傳輸過程，根據(jù)隔離裝置形態(tài)不同可分為如下不同類型。

a）防塵密封圈：為實現(xiàn)包含軸承在內(nèi)的多種活動部件的防塵密封，利用緊箍彈簧持續(xù)施加徑向力的聚四氟乙烯填料密封圈（如圖3（a）所示）具有密封可靠、密封接觸面小和摩擦阻力小等特點，安裝了這種密封圈的活動關(guān)節(jié)防塵試驗裝置（如圖3（b）所示），可滿足嫦娥三號巡視器活動關(guān)節(jié)的防塵密封需求。

圖3 防塵密封圈和防塵試驗裝置Fig.3 Lip seal and test equipment for dust mitigation

b）防塵罩：為實現(xiàn)包含電池散熱面、光學(xué)系統(tǒng)的多種月塵敏感設(shè)備防塵密封，在其周圍設(shè)置工作時開啟、其余時間關(guān)閉的防塵罩以縮短在月塵中暴露的時間。配備于光學(xué)系統(tǒng)中的防塵罩在光學(xué)系統(tǒng)不工作或人為擾動揚起灰塵時，遠(yuǎn)程遙控自動蓋住鏡面而在工作時自動打開［24］。此外，設(shè)置防塵罩還利于緩解月球白天極高溫度的影響。

c）防塵板：為阻擋大量月塵傳輸至待保護(hù)區(qū)域而設(shè)置靜態(tài)防塵板，改變月塵運動方向以緩解月塵侵蝕。阿波羅月球車中設(shè)有防塵板，可降低車輪揚起月塵的高度，從而有效限制月塵影響范圍［25］。

d）防塵壩：在探測器著陸點與周邊設(shè)施間設(shè)置利用固化月壤材料制成的防塵壩，改變羽流揚塵運動方向，緩解月塵影響［26］。

2.3 減弱月塵沉降

通過增大功能表面傾斜度或在其表面施加抵抗月塵沉降的作用場，以減弱月塵沉降。

a）增大傾斜角度：增大功能表面傾斜度以減小水平投影面積，根據(jù)功能表面傾角是否可調(diào)分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩類。前者在約束條件允許的情況下將功能表面的傾斜度設(shè)計為最大，以減弱月塵沉降。如應(yīng)將電池散熱表面盡可能地設(shè)計為傾斜。后者定期或在不工作時將功能表面旋轉(zhuǎn)到最大傾斜角度乃至垂直向下的方向，以減少月塵沉降。如可將某些光學(xué)鏡頭設(shè)計成不工作時自動轉(zhuǎn)至垂直向下的方向［2、19］。

b）靜電防護(hù)法：將一α粒子源（如219Po）置于熱控表面附近，α粒子能使其附近的月塵帶上正電荷，再將一帶負(fù)電的吸附板放在熱控表面附近，從而吸附那些帶上正電的月塵，緩解月塵沉降。當(dāng)月塵粒子落在帶負(fù)電的吸附板上后，電荷被中和，月塵從板上滑落到月球表面［5］。

c）表面充電法：將功能表面帶上特定的電荷，排斥同性電荷的月塵，吸引中性和異性電荷的月塵。因月表光照面月塵帶正電，背日面月塵帶負(fù)電，故僅需根據(jù)日照變換交替改變功能材料表面的帶電特性，就能實現(xiàn)減弱月塵沉降的目的［6－7］。

2.4 抑制月塵附著

在功能表面作特殊處理以減小月塵在其表面的附著力，從而抑制月塵附著，并降低清除難度。

a）設(shè)置不粘表面：借鑒荷葉疏水原理，在功能表面上增加小于月塵特征尺寸的紋路，形成一納米級的針床，可明顯減小月塵顆粒與功能表面間的接觸面積，減弱其間的附著力，從而抑制月塵的附著［8］。

b）設(shè)置導(dǎo)電鍍膜：在功能表面鍍一層超薄導(dǎo)電膜（如氧化銦錫膜）并接地，釋放其表面月塵粒子的電荷，從而減小灰塵的靜電附著力。該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、無功耗和不需維護(hù)等優(yōu)點［9］。

2.5 清除月塵

防塵技術(shù)能緩解功能表面月塵堆積的數(shù)量，對受月塵影響很嚴(yán)重、對月塵附著很敏感或需長期運行的設(shè)備，在上述防塵措施不能滿足任務(wù)需求時，則需進(jìn)一步采取除塵措施及時清除過量月塵以維持設(shè)備性能。清除月塵的方法主要如下。

a）機械振動除塵：對附著有月塵的傾斜表面施加一定頻率和振幅的振動以抖落月塵。根據(jù)振動特性不同，可有低頻高幅振動除塵（采用凸輪機構(gòu)、偏心機構(gòu)等產(chǎn)生低頻高幅振動）和高頻低幅振動除塵（如壓電陶瓷材料利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生高頻低幅振動）。優(yōu)點是體積小、重量輕且易于布置等。

b）電簾除塵：由連接到多相（或單相）交流電源上的平行透明電極組成電簾，通電后形成移動的交變強電場，月塵顆粒在強電場的極化下，被電場力舉起并沿垂直于電極軸線的方向運動實現(xiàn)除塵［10－11］。電簾除塵裝置無需活動部件，除塵效率較高（80%～90%）。該方法最早由TATOM等在1967年提出，適于太陽電池板、太空服和散熱器等多種功能表面［27］。

c）刷子清掃：利用刷子克服灰塵與功能表面間的附著力而清除月塵［4］。但由于月塵顆粒常帶靜電，具有較大的吸附力，細(xì)微月塵尤其是纖維深層的月塵難以被刷子清除干凈。此外，月塵顆粒十分堅硬和尖銳，清掃過程可能會刮損功能表面。

d）尼龍刷、磁力刷結(jié)合除塵：尼龍刷可清除較粗的月塵顆粒，磁力刷通過對鐵元素的作用能清除月塵中較細(xì)的顆粒，兩者有較強的互補性［12］。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)月塵揚起、傳輸、沉降和附著過程，提出月塵防護(hù)技術(shù)研究策略：減少月塵揚起，阻斷月塵傳輸，減弱月塵沉降和抑制月塵附著，以及必要時采取月塵清除措施，并據(jù)此分類歸納防塵除塵的方法與技術(shù)，可為月塵防護(hù)技術(shù)的開發(fā)提供啟示和參考。在平坦、硬質(zhì)月面著陸時，引擎羽流揚塵影響較小；在復(fù)雜地形環(huán)境及松軟月表著陸時，需重點考慮羽流揚塵在狹小空間內(nèi)的反射，羽流吹蝕坑破壞著陸器的平衡，以及羽流揚塵對周邊設(shè)施的污染等影響。在短期探月任務(wù)中，靜電懸浮揚塵密度小而影響較小，應(yīng)盡量避免或減少晨昏時段的月面活動；在長期月面活動（如建立月面長期太陽能電站、天文觀測站等）中，則需考慮靜電懸浮揚塵的長期沉積，并采取實用有效的防塵措施，必要時采取除塵措施。車速較低（如嫦娥三號月面巡視器的最大速度200m／h）時，車輪滾動揚塵的影響較??；車速較高（如未來可重復(fù)使用的載人月球車）時，則需全面考慮揚塵對活動部件、熱控系統(tǒng)、科學(xué)載荷及航天員的影響，并開發(fā)必要的防塵、除塵技術(shù)。

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