宇宙塵星載原位探測技術(shù)研究

焦子龍，姜利祥，李濤，孫繼鵬，黃建國，朱云飛

（1.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

宇宙塵（Cosmic Dust）是指宇宙空間廣泛存在的固態(tài)顆粒[1-2]。按照宇宙塵埃存在的位置不同，可將其分為行星際塵埃、星際塵埃、銀河系內(nèi)塵埃、河外星系塵埃等。近地空間的行星際塵埃一般也稱為微流星體，主要來源于小行星帶和彗星。宇宙塵埃是自然形成的，與人類空間活動(dòng)造成的微小空間碎片在成分、運(yùn)動(dòng)速度、密度等物理化學(xué)特性方面有顯著區(qū)別。

宇宙塵是宇宙的重要組成部分，在宇宙演化中起著極重要的作用。研究宇宙塵對(duì)了解地球和月球的形成及演化歷史、恒星及太陽系的起源、隕石的消融過程、彗星的瓦解、黃道光的起因、星際空間航行、地球上各地質(zhì)事件的發(fā)生與天體的關(guān)系研究等有重大意義[3-4]。此外，彗星、流星體及星際塵埃等極有可能是地球水、有機(jī)物的重要來源，因此，對(duì)上述天體所含有機(jī)成分的研究對(duì)地球生命起源研究具有重要意義[5]。

此外，宇宙塵埃顆粒長期與航天器碰撞產(chǎn)生累積效應(yīng)，特別是造成光學(xué)表面的剝蝕、斷裂、污染，太陽能電池陣被破壞，熱控系統(tǒng)性能退化等。因此，對(duì)宇宙塵的研究將直接服務(wù)于航天器設(shè)計(jì)及在軌安全運(yùn)行[6]。

文中在總結(jié)宇宙塵星載原位探測任務(wù)發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，對(duì)宇宙塵超高速撞擊現(xiàn)象及典型探測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)闡述，介紹了撞擊電離型、壓電型、電容型、電阻型、半導(dǎo)體型、質(zhì)譜型等探測技術(shù)。同時(shí)介紹了最近開展的復(fù)合探測技術(shù)及大面積探測方法等相關(guān)研究，最后對(duì)探測技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并提出了我國相關(guān)技術(shù)發(fā)展的建議。

1 宇宙塵星載原位探測任務(wù)

宇宙塵探測方法包括地基探測和星載探測。地基探測有多種方法，例如對(duì)軌道與地球相交的毫米以上的流星進(jìn)行觀測。通過收集平流層的行星際塵埃，對(duì)其成分和形態(tài)進(jìn)行分析。通過月球表面微隕石坑的研究，對(duì)亞微米至毫米級(jí)顆粒的尺寸分布進(jìn)行研究。通過對(duì)星際塵埃散射的太陽光及其熱輻射產(chǎn)生的黃道光的觀測，對(duì)10 μm～1 mm大小顆粒的空間分布進(jìn)行分析[7]。星載探測方法包括星載光學(xué)探測，即通過光學(xué)觀測得到宇宙塵參數(shù)；星載捕集返回，即通過裝置采集軌道宇宙塵顆粒，返回地球后進(jìn)行分析；星載原位探測，即通過對(duì)宇宙塵撞擊所產(chǎn)生的物理現(xiàn)象進(jìn)行測量，得到宇宙塵特性參數(shù)。星載原位探測是宇宙塵探測的重要手段，在近地空間塵埃探測、行星塵埃環(huán)探測、彗星塵埃探測等方面發(fā)揮了重要作用。

1.1 近地空間塵埃探測

航天事業(yè)發(fā)展初期即進(jìn)行了宇宙塵探測。例如美國1958年 2月發(fā)射的第一顆人造地球衛(wèi)星探險(xiǎn)者1號(hào)即搭載了石英晶體作為撞擊傳感器，能夠探測到平均撞擊速度30 km/s、質(zhì)量大于8×10-10g的顆粒[8]。

1965年2—7月間，美國發(fā)射了三顆飛馬座衛(wèi)星。飛馬座衛(wèi)星太陽電池板單側(cè)長29 m，寬4.1 m，兩側(cè)電池板總面積達(dá)210 m2，專門用于探測宇宙塵，以服務(wù)于載人登月項(xiàng)目。探測器為電容式，電極分別為鋁和銅，絕緣體為三層聚酯[9]。

1967年12月美國發(fā)射的先驅(qū)者8號(hào)衛(wèi)星，軌道為日心軌道，近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)分別為0.99，1.088 AU，自旋穩(wěn)定。衛(wèi)星攜帶有宇宙塵探測器，用于探測太陽系中的宇宙塵通量密度、流星雨中顆粒的通量密度和速度，對(duì)新型麥克風(fēng)宇宙塵探測器進(jìn)行驗(yàn)證[10-11]。

此外，長期暴露試驗(yàn)設(shè)施[12]、歐洲可回收載荷[13-14]、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡太陽電池板[15-16]在回收后通過分析也獲得了微流星體碰撞數(shù)據(jù)，但其僅能提供飛行軌道上微流星體信息，且無法記錄微流星體撞擊時(shí)間信息。

1.2 行星塵埃環(huán)環(huán)境探測

20世紀(jì)90年代，美國發(fā)射卡西尼號(hào)對(duì)木星環(huán)和土星環(huán)、行星際空間微流星的物理、化學(xué)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了探測[17-18]。尤利西斯號(hào)對(duì)木星周圍的塵埃進(jìn)行了探測分析[19]?？ㄎ髂崽?hào)衛(wèi)星上搭載了宇宙塵分析儀（Cosmic Dust Analyzer），可測量單個(gè)塵埃顆粒的質(zhì)量、成分、電荷、速度、飛行方向等參數(shù)。儀器的外形如圖1所示。

宇宙塵分析儀包含兩臺(tái)探測儀器，分別是塵埃分析器（Dust Analyzer）和高速率探測器（High Rate Detector）。塵埃分析器DA由三部分組成，包括電荷測量單元、碰撞電離探測單元和化學(xué)成分分析單元。它可測量顆粒的電荷、速度、質(zhì)量和化學(xué)成分。高速率探測器HRD采用PVDF薄膜探測顆粒撞擊次數(shù)，主要在土星塵埃環(huán)中對(duì)塵埃流的通量和質(zhì)量分布進(jìn)行高速探測。

1.3 彗星塵埃探測

20世紀(jì)80年代，為探測哈雷彗星，國際上發(fā)射了多顆衛(wèi)星對(duì)其進(jìn)行探測。哈雷彗星的塵埃探測是重要的科學(xué)探測任務(wù)之一，代表性的探測器為歐空局于1985年7月發(fā)射的喬托（Giotto）號(hào)，它是人類第一個(gè)專門用于探測彗星的探測器。Giotto號(hào)外形為圓柱體，直徑為1.8 m，高為3 m，質(zhì)量為950 kg，于1986年3月14日飛抵距離彗核只有約600 km。喬托號(hào)攜帶有壓電探測器、撞擊等離子體探測器、薄膜電容式探測器、飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)等塵埃探測器。探測器顆粒質(zhì)量探測范圍覆蓋10－20～10－8kg，飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)的靶標(biāo)采用10 μm厚的鉑金薄膜，其中摻雜10%的鋁。通過探測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)彗發(fā)中塵埃顆粒直徑處于0.01～100 μm范圍，密度僅有約0.1 g/cm3。根據(jù)顆粒成分可將其分為兩類，一類是揮發(fā)性有機(jī)物，主要成分是CHON；另一類是難溶硅酸鹽，主要成分是鈉、鎂、硅、鐵和鈣等。碳?xì)溲醯南鄬?duì)豐度與太陽觀測結(jié)果相近，說明彗星主要由太陽系的初始物質(zhì)構(gòu)成[20]。

1999年2月星塵號(hào)發(fā)射，2004年與Wild 2號(hào)彗星相遇，穿過彗尾的過程中采集塵埃及氣體樣本，于2006年返回地球。星塵號(hào)帶有一個(gè)以氧化硅為基底的網(wǎng)球拍海綿狀氣溶膠，用于俘獲直徑為 1～100 μm高速運(yùn)動(dòng)的彗發(fā)塵埃顆粒，然后折疊收入返回艙，貯存于氣溶膠塵埃收集器中。同時(shí)，塵埃質(zhì)譜分析儀還可對(duì)塵埃成分進(jìn)行探測，其原型為Giotto號(hào)的塵埃撞擊分析儀[21]。星塵號(hào)在軌部分繼續(xù)工作，被命名為Stardust-NexT任務(wù)，與2011年2月15日對(duì)Tempel 1號(hào)彗星進(jìn)行探測[22]。

2004年發(fā)射Rosetta號(hào)探測器，對(duì)楚留莫夫-格拉希門科彗星進(jìn)行探測。同時(shí)，向彗星表面發(fā)射菲萊探測器。Rosetta軌道器上攜帶有多種儀器測量彗星塵埃動(dòng)力學(xué)特性、成分、結(jié)構(gòu)等特性參數(shù)[23]。

2 宇宙塵探測技術(shù)

2.1 塵埃顆粒超高速撞擊現(xiàn)象及測量方法

相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度高于 1 km/s的微米級(jí)塵埃顆粒高速撞擊下，產(chǎn)生多種物理現(xiàn)象，包括被撞擊表面形成凹坑或被擊穿；被撞擊表面被壓縮；被撞擊表面部分材料及部分顆粒被電離，形成等離子體等。這些現(xiàn)象與撞擊顆粒的質(zhì)量、速度等參數(shù)有關(guān)。根據(jù)這些現(xiàn)象，提出了多種測量方法。表1對(duì)典型撞擊現(xiàn)象、測量方法和典型載荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)[24]。由表1可知，典型宇宙塵原位探測傳感器包括撞擊電離型、壓電型、電容型、電阻型、半導(dǎo)體型、質(zhì)譜型等。下面對(duì)其原理等進(jìn)行簡要介紹。

2.2 典型宇宙塵原位探測傳感器

2.2.1 撞擊電離型

宇宙塵高速顆粒撞擊后，顆粒及部分靶材料氣化，被加熱至105K的高溫，電離形成等離子體云，其離子或電子電荷電量Q與微流星的質(zhì)量m和撞擊速度v有關(guān)，電荷脈沖上升時(shí)間t與撞擊速度v有關(guān)：

式中：α，β，γ均為試驗(yàn)標(biāo)定常數(shù)。

Planet-B衛(wèi)星搭載的火星塵埃探測器 Mars dust counter[25]結(jié)構(gòu)如圖 2所示。顆粒撞擊電離檢測器靶標(biāo)，產(chǎn)生的等離子體電子和離子分別被處于正負(fù)偏壓（240 V）的電荷收集板收集分析。此外，靶標(biāo)接地，顆粒撞擊時(shí)也得到一路信號(hào)，可用于鑒別偽撞擊信號(hào)。為增加靈敏度，增強(qiáng)撞擊等離子體效應(yīng)，靶材料可以選用銅、鉬、鉭等材料。

2.2.2 壓電型

如圖3所示，當(dāng)高速顆粒撞擊極化壓電材料時(shí)，由于去極化效應(yīng)產(chǎn)生電荷變化信號(hào)。理論推導(dǎo)及試驗(yàn)結(jié)果證明，電荷變化量Q與質(zhì)量m和速度v有關(guān)：

例如，對(duì)于 28 μm 厚的 PVDF，α=1.3±0.1，β=3.0±0.1。通過電路檢測電荷變化，如果大于設(shè)定的閾值，可記錄得到一次撞擊事件。

聚偏二氟乙烯（PVDF）具有非常好的壓電性能，壓電指數(shù)是普通壓電陶瓷的4倍，而且它還具有非常好的高溫穩(wěn)定性和抗輻照能力。其空間應(yīng)用由Simpson和Tuzzolino首先完成[28-31]，主要包括VeGa 1和 VeGa 2衛(wèi)星上的塵埃計(jì)數(shù)和質(zhì)量分析器（Dust Counter and Mass Analyzer(DUCMA)）、ARGOS 衛(wèi)星上的空間塵埃探測器（SPAce DUSt(SPADUS)）、Cassini號(hào)衛(wèi)星上的高速率塵埃探測器（High Rate Detector(HRD)）、Stardust衛(wèi)星上的塵埃通量監(jiān)測儀（Dust Flux Monitor Instrument (DFMI)）等。

2.2.3 電容型

電容型撞擊傳感器結(jié)構(gòu)上類似平行平板電容，例如上半部分為鋁箔，下半部分為鍍鋁 Kapton薄膜。一定尺寸的高速顆粒擊穿上層鋁箔，使得電容放電，通過電路監(jiān)測電容電壓變化即可記錄撞擊事件。電容型傳感器結(jié)構(gòu)簡單，探測面積大，電路簡單、可靠，一次撞擊后仍能正常工作，但僅能對(duì)撞擊事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，無法得到高速顆粒的質(zhì)量、速度等信息[31]。

2.2.4 電阻型

高速顆粒電阻型傳感器的探測單元是靶平面的一組電阻絲。顆粒撞擊下電阻絲斷開，通過電路檢測可記錄一次撞擊事件。電阻型探測器結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、功耗低。日本九州工學(xué)院研制的低成本的空間微小碎片傳感器如圖4所示[32]。傳感器為PCB板結(jié)構(gòu)，邊長90 mm，上有128條銅線。功耗為0.01 W，質(zhì)量為30 g，可探測碎片直徑范圍為100～600 μm。

2.2.5 半導(dǎo)體型

半導(dǎo)體型探測器的工作原理是在高純度硅晶片上氧化出一層很薄的二氧化硅，再在二氧化硅膜上鍍一層鋁膜，硅、二氧化硅膜和鋁膜形成一個(gè)平板電容器，常稱為MOS半導(dǎo)體傳感器。當(dāng)探測器工作時(shí)，由外部電路給電容器提供偏置電壓。當(dāng)塵埃顆粒與傳感器發(fā)生碰撞，穿過鋁膜和二氧化硅膜時(shí)，電容就會(huì)放電產(chǎn)生電流，在外部電路中產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)，通過對(duì)該信號(hào)的分析可得到微小空間碎片或微流星體的信息。半導(dǎo)體型探測器構(gòu)造相對(duì)比較簡單，由相互獨(dú)立的多個(gè)探頭和一個(gè)電子箱組成，探測面積較大，并且可以探測衛(wèi)星各個(gè)方向上空間粉塵的通量信息，曾經(jīng)在多個(gè)衛(wèi)星上獲得應(yīng)用，并獲取了大量的空間實(shí)測數(shù)據(jù)。由于半導(dǎo)體傳感器的抗輻照能力不高，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體型探測器的在軌服役壽命有限。

2.2.6 質(zhì)譜型

對(duì)高速撞擊電離產(chǎn)生的等離子體中的離子進(jìn)行質(zhì)譜分析，可獲得撞擊顆粒的成分信息。因此，質(zhì)譜型載荷多次應(yīng)用于宇宙塵探測任務(wù)等。飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)響應(yīng)速度最快。質(zhì)量數(shù)在100～200 amu范圍時(shí)，掃描時(shí)間在100～200 μs。因此，為分析隨機(jī)性的顆粒碰撞過程，采用飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)較為合理。高速撞擊電離產(chǎn)生的離子初始能量散布可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百 eV，因此，大多數(shù)塵埃撞擊飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)帶有反射式靜電場，用于補(bǔ)償能量散布[33-36]。一種典型塵埃撞擊飛行時(shí)間質(zhì)譜計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖5所示[33]。高速塵埃顆粒撞擊靶標(biāo)電離產(chǎn)生等離子體，由于靶標(biāo)電勢為4800 V，加速柵網(wǎng)接地，其正離子在靶標(biāo)和加速柵網(wǎng)之間加速，然后進(jìn)入靜電反射區(qū)域。靜電反射區(qū)域由五個(gè)環(huán)狀電極組成，其電勢分別為5000，3710，2950，2160，930 V，用于補(bǔ)償離子的初始能量散布，并對(duì)離子進(jìn)行聚焦。離子通過靜電反射區(qū)，進(jìn)入漂移管。漂移管偏壓為 3000 V，目的是促進(jìn)離子分離，縮短漂移管尺寸，而后離子進(jìn)入離子檢測器（微通道板）。最后系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)放大處理，得到質(zhì)譜圖。

典型傳感器的質(zhì)量、功耗、探測面積及探測塵埃質(zhì)量范圍總結(jié)見表2[37]。

表2 典型傳感器的質(zhì)量、功耗、探測面積及探測塵埃質(zhì)量范圍

3 探測技術(shù)發(fā)展

隨著空間科學(xué)研究的不斷深入，對(duì)探測技術(shù)提出了更高的要求。一方面要求獲得宇宙塵的綜合信息，包括質(zhì)量、速度（大小和方向）、密度、尺寸、化學(xué)成分等，從而能夠?qū)τ钪鎵m的來源及其演化狀態(tài)進(jìn)行研究；另一方面要求獲得盡可能多的撞擊事件，提高任務(wù)效費(fèi)比。

3.1 復(fù)合探測技術(shù)

高速顆粒撞擊時(shí)同時(shí)產(chǎn)生多種物理現(xiàn)象，因此可采用復(fù)合探測技術(shù)同時(shí)獲得顆粒的多種參數(shù)。ESA資助芬蘭Patria Finavitec和英國UniSpace Kent共同研制了 DEBIE（Debris-In-Orbit-Evaluator）探測器[38]。DEBIE是一種復(fù)合式探測器，由電離型傳感器和撞擊動(dòng)量傳感器組成。電離型傳感器下部為鋁箔，上部為叉指型電荷收集器。鋁箔下有壓電單元，用于探測碎片撞擊動(dòng)量。綜合處理撞擊信號(hào)，可精確得到高速顆粒的質(zhì)量和速度。德國OHB公司開發(fā)了一種高速撞擊探測器[38]。探測器可同時(shí)使用聲發(fā)射、閃光、電磁發(fā)射檢測三種探技術(shù)。

3.2 大面積探測方法

高速顆粒撞擊次數(shù)正比于傳感器敏感表面面積。為增大敏感表面，可利用太陽電池板或采用可展開式結(jié)構(gòu)安裝傳感器，因此需要傳感器結(jié)構(gòu)簡單，一般采用較多的是電阻型、電離型傳感器。例如，Kitazawa等人[40]提出將電阻帶安裝于可展開結(jié)構(gòu)或衛(wèi)星外表覆蓋的多層上，用于碎片探測。Bauer等人[37]提出在太陽電池下的 Kapton絕緣層下增加一層用于高速顆粒撞擊探測，如圖6所示。該層含有電阻絲組成的網(wǎng)格，由檢測電路確定撞擊位置。Semkin等人[41]提出將太陽電池陣輔以可展開式薄膜作為高速顆粒撞擊靶標(biāo)，在衛(wèi)星本體上安裝離子接收器，由此衛(wèi)星整體成為電離式傳感器，如圖7所示。

4 總結(jié)

宇宙塵是宇宙空間固態(tài)顆粒。研究宇宙塵對(duì)于探索太陽系和宇宙及生命的起源和演化具有重要意義。此外，宇宙塵的撞擊累積效應(yīng)還可能造成航天器性能退化，因此對(duì)宇宙塵星載原位探測技術(shù)的研究具有重要意義。

文中對(duì)宇宙塵衛(wèi)星探測研究歷史進(jìn)行了回顧總結(jié)，對(duì)典型探測技術(shù)原理進(jìn)行了分析。宇宙塵的質(zhì)量、速度、成分、通量等分布差別較大，難以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)通用的塵埃傳感器，必須根據(jù)探測任務(wù)目標(biāo)研制專用傳感器，表1和表2可供選擇傳感器技術(shù)路線。

我國宇宙塵探測技術(shù)所開展的研究工作還較少，應(yīng)在深空探測任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)上加快開展相關(guān)宇宙塵星載原位探測技術(shù)的研究儲(chǔ)備，針對(duì)復(fù)合式探測技術(shù)及大面積探測方法等方面開展研究。通過現(xiàn)有任務(wù)或衛(wèi)星平臺(tái)實(shí)現(xiàn)飛行驗(yàn)證，以期盡早在月球探測、火星探測、小行星探測等深空探測任務(wù)中實(shí)現(xiàn)飛行搭載。

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