空間塵粒微損收集新技術的探討

吳慶霄，李丹明，代　鵬（蘭州空間技術物理研究所 空間環(huán)境材料行為與評價技術國防科技重點實驗室，蘭州　730000）

空間塵粒微損收集新技術的探討

吳慶霄，李丹明，代鵬
（蘭州空間技術物理研究所 空間環(huán)境材料行為與評價技術國防科技重點實驗室，蘭州730000）

闡述了空間塵粒微損收集的基本概念、意義及相關定義，對微損或柔性收集技術的國內外研究與應用現(xiàn)狀進行了歸納。提出了對于空間塵粒進行微損收集的一種新技術設想，介紹了其基本工作原理，針對作為收集器探頭核心的緩沖介質材料進行了設計與選用的分析方法研究，在理論分析基礎上選擇了適用的數(shù)值模擬算法—光滑質點流體動力學（SPH）法，為進一步的研究工作提供了基礎理論依據與基本分析方法。

空間塵粒；微損收集；材料設計與選用

0　引言

空間塵粒（Cosmic Dust）包括微小空間碎片和微流星體［1-2］。雖然這些塵粒與空間運行中的飛行器的碰撞并不能使飛行器完全破壞，但是對航天器的傳感器、太陽能電池板等器件，尤其是光學器件會產生影響其功能的沙蝕現(xiàn)象。空間塵粒微損收集，指通過一定的探測手段能夠獲得空間塵粒的樣本，同時獲得的塵粒形狀不因碰撞而產生較大程度的改變。

對空間塵粒進行微損收集的意義在于可以通過返回衛(wèi)星直接加載捕獲器獲得空間塵粒的樣本，有助于空間物理和天文學的研究；可以為空間對微小非合作目標的機動捕獲提供技術基礎，有利于發(fā)展空間碎片的捕捉與清除技術，為抑制威脅航天器安全的空間碎片的迅猛增長提供一種潛在應用的技術手段，可用于空間材料學的研究。

1　相關技術發(fā)展現(xiàn)狀

空間塵粒的收集載荷一般是采用緩沖收納入射的空間塵粒。主要包括兩種比較常見的方式：一種是空間暴露試驗；另一種是使用緩沖材料進行空間塵粒收納的裝置。暴露試驗主要有兩種：一種是對返回航天器上的器材進行分析；另一種是專門的長期暴露裝置。

對返回航天器上的器材進行空間塵粒的撞擊分析由來已久，很多在軌時間較長的大型航天器再返回后都進行了大規(guī)模的空間塵粒撞擊分析，如哈勃望遠鏡的太陽能電池板和和平號空間站的太陽能電池板等。地面工作人員通過對這些太陽能電池的分析獲得了大量空間塵粒對太陽能電池撞擊作用的信息。

長期的大型暴露裝置是另一種較為常用的觀測手段。美國就曾經使用長期暴露裝置（LDEF）在高度450 km的軌道上運行69個月，在被航天飛機回收帶回地球之后，通過對安裝在其不同方向上的6個外面板上的目標材料進行分析，獲得了大量有關空間環(huán)境中的塵粒信息［1，3］。ESA于1993年回收的EURECA航天器上也裝載了專門的暴露裝置，在500 km軌道上運行了324天后，技術人員同樣在上面獲得了大量有關空間塵粒的信息，太陽能電池也提供了相應的空間塵粒信息［4］。

空間塵粒的收納裝置相對來說比較少，主要原因在于收納的緩沖材料體積較大，其他載荷相對難以搭載，需要返回式的航天器成本較高。但是其優(yōu)點也是較為突出的，首先收集塵粒的環(huán)境具有針對性，其次獲得的空間塵粒的損失相對較小，并且可以輔以其他手段對空間塵粒的各項特性進行在軌分析等。

空間塵粒收納裝置非常典型的例子是美國的“星塵號”飛船任務。飛船上面選用了專門的機構用于收集對應軌道空間環(huán)境的空間塵粒，采用鋁箔包覆氣凝膠單元格的方式對射入的空間塵粒進行緩沖收納，并將探測器分為兩部分：一部分收納81P/Wild2彗星的彗星塵；另一部分收集特定軌道上的空間塵粒。這次任務獲得了大量空間環(huán)境信息和彗星成份信息，到目前還沒全部完成分析和研究［5］。

除此之外，更多空間塵粒的信息是通過空間收納與電磁方法、超聲方法、射線探照等其他手段結合來獲得的［6］。典型的就是壓電探測器、撞擊電離探測器和半導體探測器等。

壓電型探測器是通過壓電材料受到空間塵粒的高速沖擊從而產生的力學響應的電信號，測量電路通過分析信號可以獲得空間塵粒的速度質量等信息。選用的壓電材料如果是PVDF材料，就有響應時間短，在空間環(huán)境的溫度中使用壽命較長，抗輻照性能出色，不影響再次測量等特性［7］。

撞擊電離型探測器是通過對撞擊過程產生的電離變化進行探測來對入射的空間塵粒進行分析的儀器。以等離子體探測器為例，基本原理是當空間塵粒高速入射，與純金靶心發(fā)生碰撞時，巨大的動能產生等離子體云，通過對等離子體云的測量，來獲得空間塵粒的信息。這類探測器靈敏度很高，相應的誤差也很大，面積有限結構也復雜［8］。

半導體型探測器的工作原理是通過金屬-氧化物-半導體（MOS）材料制作的場效應晶體管在受到高速空間塵粒撞擊穿透后，電容的變化來使得原本具有的偏置電壓在電路中產生相應的電流，從而獲得空間塵粒的入射信息。主要缺陷在于這樣的材料抗輻照能力比較一般，壽命不會很長［9］。

上述的探測方法都是很常用的空間塵粒探測手段，但是和空間塵粒微損收集的方式相比，還是具有信息獲得不直接，探測的空間塵粒由于碰撞破碎導致的信息損失巨大，或者因為撞擊破碎產生的二次碎片干擾探測等缺陷。有鑒于此，空間塵粒微損收集技術是值得深入研究和付諸實踐的。

2　空間塵粒微損收集的基本原理

空間塵粒和飛行器的相對速度很大，在300～500 km高度的軌道上，空間塵粒和航天器的相對速度可以達到2～15 km/s［10］。在碰撞中獲得較為完整的空間塵粒個體具有相當大的困難，因此在傳統(tǒng)的空間塵粒探測中普遍對空間塵粒獲得方式對其原始形狀的影響不予考慮。在了解國內外相關技術發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，文章探索性的提出了對空間塵粒進行微損收集的設想，而材料科學技術近年來的發(fā)展也為其技術的可行性提供了有力支持。

空間塵粒微損收集器探頭主要由緩沖介質材料、包封殼體以及感應線圈組成?？臻g塵粒微損收集原理基本過程是某一空間塵粒向收集器運動，以某一相對速度擊中探頭，穿入緩沖介質材料后逐漸減速（假定經過探頭位置調節(jié)可以使微粒垂直穿入），最終停留在介質材料內部，探頭的基本結構如圖1所示。

圖1　空間塵粒微損收集原理圖

對于本身帶有電荷或者經摩擦而荷電的塵粒，其在緩沖介質材料中的運動過程可以通過在感應線圈中產生的電磁感應信號來感知。

在該種微損收集空間塵粒的方法中，緩沖介質材料的選擇是最為關鍵的技術。材料特性決定了微損收集的性能，是支持該方法可行性的重要基礎，也是探測器整體結構設計的依據，因而重點對收集器探頭中緩沖介質材料的選擇方法進行分析研究。

3　緩沖介質材料的選用分析方法研究

目前，在前期的探索性研究中，針對緩沖介質材料的設計或選用，開展數(shù)值模擬分析工作是必經有效的技術途徑。緩沖介質材料選用分析的技術圖如圖2所示。

圖2　緩沖介質材料選用分析方法及路線圖

3.1緩沖介質材料類型的選擇

緩沖介質材料的選擇是這個模擬仿真設計的重要組成部分，需要通過文獻報道選定最初的模擬方案，并在后續(xù)的模擬過程中，通過計算結果調整所需要的材料性能參數(shù)。

常見的空間塵粒收集材料包括金屬鋁箔、氣凝膠等?？臻g塵粒對介質的沖擊如圖3、4所示［5］。相對而言，氣凝膠和金屬鋁箔相比更加柔軟，空間塵粒入射深度更長，相應受到的單位時間內沖擊也較弱，更適合作為空間塵粒微損捕獲的介質。

圖3　氣凝膠在高速空間塵粒入射下的形貌圖

純鋁的屈服強度在20～90 MPa，楊氏彈性模量大約在7×104MPa，相較之下，氣凝膠的應力應變曲線［10］，如圖5所示，顯示當單軸壓縮的應變高達60%時，其對應應力仍然在幾兆帕到幾十兆帕的數(shù)量級。不同材質的氣凝膠的力學性能也有很多差異，文獻經常報道的硅氣凝膠也由于合成材料不同，配比不同，改性操作的不同，展現(xiàn)出適應不同環(huán)境的力學性能［11］。

緩沖材料的性能需要滿足能夠使緩沖過程不會對空間塵粒造成較大的破壞，同時還要盡量縮短緩沖距離，從而減少所需要的載荷尺寸。除此之外，還要在此基礎上研究緩沖材料的空間環(huán)境耐受能力等［12］。

圖4　金屬鋁箔的高速塵粒撞擊坑圖

圖5　彈性氣凝膠的應力應變曲線圖

3.2數(shù)值模擬算法的選用

超高速撞擊實驗的速度限制及費用比較高，超高速撞擊數(shù)值模擬成為研究的有效方法，常用的方法有歐拉（Euler）、拉格朗日-歐拉耦合（ALE）以及光滑質點流體動力學（SPH）法等。歐拉法難以跟蹤界面位置，具有計算時間長，強度、失效、狀態(tài)和位移歷程關系計算精度差等缺點。拉氏法當網格變形嚴重時需要網格重分，引入侵蝕算法可以很好的加以解決。SPH法更適合超高速撞擊的大變形、高應變率現(xiàn)象的數(shù)值模擬。鑒于空間塵粒的高速度和選用的接納材料氣凝膠的超彈性材料特性，數(shù)值模擬過程選用了光滑質點流體動力學法。

光滑質點流體動力學法是最近20多年來逐步發(fā)展起來的一種無網格方法，該方法的基本思想是將連續(xù)的流體（或固體）用相互作用的質點組來描述，各個物質點上承載各種物理量，包括質量、速度等，通過求解質點組的動力學方程和跟蹤每個質點的運動軌道，求得整個系統(tǒng)的力學行為。這類似于物理學中的粒子云模擬，從原理上說，只要質點的數(shù)目足夠多，就能精確地描述力學過程。雖然在SPH方法中，解的精度也依賴于質點的排列，但對點陣的排列要求遠遠低于網格的要求。由于質點之間不存在網格關系，因此可以避免極度大變形時網格扭曲而造成的精度破壞等問題，并且也能較為方便的處理不同介質的交界面。SPH方法的優(yōu)點是一種純Lagrange方法，能避免Euler描述的歐拉網格與材料的界面問題，因此特別適合求解高速碰撞等動態(tài)大變形問題［13］。

針對微粒穿入材料動態(tài)過程的數(shù)值模擬算法的步驟為：（1）建立模型，包括塵粒和探頭的尺寸兩個部分，由于塵粒相對于探頭尺寸很小，塵粒與探頭接觸的部分要對探頭的網格劃分進行細化，從而降低誤差，提高精度；（2）材料設置，根據需要來設置材料的參數(shù)，包括塵粒彈性參數(shù)、塑性參數(shù)和失效參數(shù)、空間塵粒穿入過程的摩擦系數(shù)等；（3）接觸關系，可以設置為通用接觸，由于采用SPH方法，網格單元轉化為質點單元在物理學概念上就發(fā)生了變化，因而需要設置額外的屬性，比如接觸厚度、網格單元和質點單元的接觸連接等；（4）載荷設置，主要的載荷僅包括塵粒上的速度場，根據不同的探頭厚度設置不同的分析時長，對塵粒的轉動進行限制；（5）網格劃分，SPH的轉化設置包括轉化條件、轉化響應參數(shù)、轉化點數(shù)、插值算法階數(shù)，后面兩者關系到計算的精度和計算量，前兩個條件則是選擇適用于SPH方法的計算區(qū)段與有限元算法相結合，是對算法分配方式的調整。

3.3SPH方法相關理論基礎的應用

SPH（Smoothing Particle Hydrodynamics）方法是粒子只考慮移流項的無網格方法。按照Monaghan等提出的SPH分析方法把連續(xù)體假設為一群粒子的集合，并對每個粒子的狀態(tài)進行分析。通過在臨近的粒子上的一次插值法來計算。對于一組無序點的任意宏觀變量進行積分插值計算，如式（1）：

對于不同的宏觀變量（密度、加速度、重力等），有著不同的設置形式，從而求解方程獲得宏觀變量的相應值［14］。

3.4數(shù)值模擬輸入條件的確定

主要研究對象是空間塵粒微損收集器探頭中緩沖介質材料的性能，為此須對入射的空間塵粒參數(shù)限定一定的范圍。輸入條件主要包括三項：

（1）研究的空間塵粒與介質材料的相對速度范圍定在1～10 km/s?？臻g碎片主要運行在圓軌道上，具有與同樣軌道高度航天器一樣的軌道速度，平均相對撞擊速度接近9 km/s，最大相對撞擊速度可達17 km/s；在橢圓軌道的空間碎片尺寸比較小且軌道傾角比較小，對航天器的相對碰撞速度比較低，平均撞擊速度為4.5 km/s。一些微流星體和衛(wèi)星的相對速度甚至可以超過70 km/s，若要微損捕獲，整個飛行器的尺寸將會使運載系統(tǒng)難以承受。而要在短距離內減速，空間塵粒又會破碎，所以確定一個速度范圍內的空間塵粒作為研究對象才是比較有實際意義的［9］。

（2）研究的空間塵粒的尺寸大小挑選直徑在1～10 mm區(qū)間，空間塵粒的形狀選擇較為規(guī)則的幾種如球、正六面體等?？臻g塵粒在不同尺寸和質量范圍下，有明顯的密度差異。質量小于10-6g的微流星體的平均密度為2 g/cm3，10-6～0.01 g的微流星體密度為1 g/cm3，質量大于0.01 g的微流星體密度為0.5 g/cm3。直徑小于1 cm的空間碎片的平均密度為2.8 g/cm3。由于采用有限元的方法分割空間塵粒，因此尺寸會影響進入介質材料的部分受力過程和網格劃分方式，所以在研究中，主要集中在尺寸1～10 mm的空間塵粒的運動過程上［10］。空間塵粒的形狀不同，射入收納介質材料的內部應力也不盡相同。故而空間塵粒的形狀也是有必要考慮的，而鑒于空間碎片和微流星體形狀的不規(guī)則性，作為仿真的假設形狀也要考慮不同的幾種，如正四面體、正六面體、薄片、圓球等。

（3）空間塵粒入射方向與介質材料的界面角度。在不同角度入射的條件下，空間塵粒的受力是不同的，同時受空間塵粒形狀不同的影響，受力情況差別就更加巨大，但是本研究僅作可行性分析，所以優(yōu)先做出徑向入射情況下的數(shù)值模擬。條件允許則進一步分析其他入射角情況下的運動過程。

4　結論

空間塵粒微損收集器是一種新概念捕獲式探測器，在對其探頭中緩沖介質材料選用分析方法研究的基礎上，后續(xù)將從工程實際出發(fā)，擬定材料，限定空間塵粒的體密度、體積、形狀、速度、入射角等參數(shù)的范圍，應用光滑質點流體動力學（SPH）方法，在Abaqus/CAE等有限元軟件中進行微粒穿入材料動態(tài)過程的數(shù)值模擬計算分析。數(shù)值模擬計算與材料參數(shù)調整迭代進行，其結果將為緩沖介質材料的設計與選定提供較為準確的依據。

未來與空間微粒的發(fā)現(xiàn)、鎖定和跟蹤的技術能力相配合，將使在其運行軌跡上實現(xiàn)微損捕獲成為可能。

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A NEW M ETHOD FOR COLLECTING COSM IC DUSTW ITH M INIMAL DAMAGE

WU Qing-xiao，LIDan-m ing，DAIPeng
（Scienceand Technology on M aterial Performance Evaluating in Space Environment Laboratory，Lanzhou Instituteof Physics，Lanzhou730000，China）

Thispaperexplains thebasic concepts，related definitionsand significanceabout the technique for collecting cosm ic dust w ith m inimal damage，and summarizes the latest research and application statues in this field.Herein，we propose a new method for cosmic dust collection，presenting itsworking principle.Meanwhile，we studied the analytical methods for the design and selection of the buffermaterialswhich are used tomake the core part for the collector probe.In addition，SPH（Smoothing Particle Hydrodynam ics）wasused to simulate the colleting process.The results provide the theoreticalbasisand fundamentalanalyticalmethod for future research in thisarea.

Cosm ic Dust；collection w ithm inimaldamage；materialdesign

V44

A

1006-7086（2016）04-0224-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.009

2016-03-31

吳慶霄（1990-），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士研究生，主要從事空間環(huán)境效應及控制方。E-mail：fisker.ak47@163.com。