地月平動(dòng)點(diǎn)塵埃動(dòng)力學(xué)特性原位探測(cè)方法研究

姜利祥，焦子龍，鄭慧奇，李 昊，彭 忠，翟睿瓊，商圣飛，徐焱林，孫繼鵬，張立華，王 鵬，劉鳴鶴

（1. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；3. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司：北京 100094）

0 引言

1961 年，波蘭天文學(xué)家Kazimierz Kordylewski稱發(fā)現(xiàn)地月三角平動(dòng)點(diǎn)L4 和L5 點(diǎn)處存在塵埃云，該塵埃云遂以他的名字被命名為Kordylewski dust cloud（KDC）。塵埃云的起源和演化對(duì)于相關(guān)學(xué)科的科學(xué)研究具有重要意義，同時(shí)塵埃云環(huán)境對(duì)于未來在地月三角平動(dòng)點(diǎn)長(zhǎng)期運(yùn)行的航天器也可能是潛在威脅，因此需要開展KDC 的空間探測(cè)。不同學(xué)者對(duì)KDC 進(jìn)行了研究，但對(duì)KDC 是否真實(shí)存在尚無定論，目前學(xué)界的主流觀點(diǎn)認(rèn)為該塵埃云是動(dòng)態(tài)變化的。

日本 20 世紀(jì) 90 年代研制的HITEN 衛(wèi)星曾采用撞擊電離式探測(cè)器對(duì)地月L4/L5 點(diǎn)進(jìn)行繞飛探測(cè)。撞擊電離式探測(cè)器可對(duì)運(yùn)動(dòng)速度超過1 km/s的塵埃顆粒進(jìn)行探測(cè)，獲得其速度和質(zhì)量；同時(shí)由于衛(wèi)星為自旋穩(wěn)定，可借此粗略估計(jì)塵埃顆粒入射方向。但HITEN 衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)未能證實(shí)KDC 的存在，其原因可能是衛(wèi)星距離L4/L5 點(diǎn)較遠(yuǎn)，已超出KDC 的范圍，也可能是塵埃顆粒與探測(cè)器間的相對(duì)速度低于探測(cè)器的靈敏度閾值。這是迄今為止唯一一次嘗試對(duì)KDC 進(jìn)行原位探測(cè)。英國(guó)肯特大學(xué)的Moeed 和Zarnecki對(duì)KDC 的天基觀測(cè)可行性進(jìn)行分析指出，相對(duì)于地面觀測(cè)，原位探測(cè)更佳。他們基于繼承性分析了多種探測(cè)載荷方案，包括CCD 相機(jī)獲得塵埃顆粒圖像、偏振儀獲得塵埃顆?？臻g密度分布的光學(xué)探測(cè)方案，以及撞擊電離式、壓電麥克風(fēng)式、壓電動(dòng)量式等電測(cè)量方案。德國(guó)斯圖加特大學(xué)的Laufer 等提出一種全電推進(jìn)微小衛(wèi)星平臺(tái)（僅200 kg 重）對(duì)KDC 進(jìn)行探測(cè)，采用的塵埃探測(cè)載荷為壓電式。

國(guó)內(nèi)方面，航天東方紅衛(wèi)星有限公司提出了KDC探測(cè)任務(wù)，任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)包括：1）確認(rèn)KDC的動(dòng)態(tài)分布規(guī)律；2）測(cè)量塵埃顆粒的電量、質(zhì)量、通量密度以及環(huán)境參數(shù)，為KDC 的動(dòng)態(tài)分布和捕獲機(jī)理研究提供線索。任務(wù)的工程目標(biāo)包括：1）確認(rèn)地月三角平動(dòng)點(diǎn)的空間環(huán)境參數(shù)；2）試驗(yàn)地月三角平動(dòng)點(diǎn)的無動(dòng)力巡航技術(shù)；3）驗(yàn)證高低速塵?；旌显环治黾夹g(shù)。為完成上述任務(wù)目標(biāo)，開展探測(cè)的軌道主要有2 段：第1 段為飛掠探測(cè)段，此時(shí)探測(cè)器飛掠地月L4 和L5 點(diǎn)，對(duì)KDC 可能存在的密度較大的區(qū)域進(jìn)行穿越探測(cè)，與地月L4 和L5 兩點(diǎn)的相對(duì)速度為1～3 km/s；第2 段為平動(dòng)點(diǎn)遍歷段，完成對(duì)地月L4 點(diǎn)的遍歷，與L4 點(diǎn)的相對(duì)速度為300 m/s。本文針對(duì)該項(xiàng)探測(cè)任務(wù)，對(duì)獲得平動(dòng)點(diǎn)附近區(qū)域高速、低速塵埃特性參數(shù)的方法進(jìn)行分析討論。

1 空間塵埃探測(cè)方法概述

塵埃的星載原位探測(cè)方法有多種。基于光學(xué)方法的探測(cè)器可以非接觸方式對(duì)塵埃進(jìn)行探測(cè)：在距離較遠(yuǎn)時(shí)，可通過塵埃顆粒的紅外輻射或者散射的太陽(yáng)光采用光度計(jì)進(jìn)行探測(cè)；當(dāng)塵埃接近航天器時(shí)，由于太陽(yáng)照射，其軌跡在星空背景下很容易分辨，可通過成像儀或者人造光簾進(jìn)行探測(cè)。塵埃顆粒撞擊不同敏感表面產(chǎn)生的物理現(xiàn)象也可用于塵埃探測(cè)。例如，塵埃顆粒撞擊金屬靶標(biāo)形成等離子體，監(jiān)測(cè)其電荷及脈沖可得到塵埃顆粒的質(zhì)量和速度；通過飛行時(shí)間法對(duì)離子進(jìn)行分離，可測(cè)量塵埃顆粒成分；撞擊過程產(chǎn)生閃光，或撞擊壓電晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)脈沖信號(hào)以及壓電薄膜的去極化效應(yīng)，均可用于記錄撞擊事件；塵埃顆粒撞擊電容式結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬間的放電脈沖，可用于得到塵埃參數(shù)；塵埃顆粒撞擊靶標(biāo)形成撞擊凹坑或擊穿靶標(biāo)，對(duì)撞擊坑形貌及殘留物進(jìn)行分析可得到塵埃尺寸、速度及成分等信息。另外，如果能夠捕獲塵埃顆粒，則可實(shí)現(xiàn)原位多參數(shù)分析或返回地面后進(jìn)行分析，現(xiàn)有的捕獲方法包括氣溶膠、減速后捕捉等。

塵埃原位探測(cè)主要是利用塵埃顆粒撞擊產(chǎn)生的物理效應(yīng)（參見圖1）進(jìn)行觀測(cè)，但當(dāng)塵埃顆粒速度低于1 km/s 時(shí)，這些現(xiàn)象并不顯著，因此低速塵埃顆粒的探測(cè)裝置不能直接用作高速塵埃顆粒探測(cè)載荷，需要在結(jié)構(gòu)、電子學(xué)部分等方面改進(jìn)設(shè)計(jì)或重新設(shè)計(jì)。本文基于已有研究成果，提出采用柵網(wǎng)-靶標(biāo)復(fù)合探測(cè)方法，對(duì)高速和低速塵埃顆粒同時(shí)進(jìn)行探測(cè)。

圖1 塵埃顆粒探測(cè)方法Fig. 1 Method for dust particles detection

2 柵網(wǎng)式低速顆粒探測(cè)方法

Duncan 等提出了柵網(wǎng)式低速塵埃顆粒探測(cè)方法。如圖2 所示，柵網(wǎng)1、3、5、7、9、11 為屏蔽柵網(wǎng)；在柵網(wǎng)2 上施加-5 kV 電壓，用于屏蔽太陽(yáng)風(fēng)的干擾；柵網(wǎng)4、6、8、12 為測(cè)量柵網(wǎng)；10 為偏轉(zhuǎn)極板。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)柵網(wǎng)及電子學(xué)部分，該探測(cè)載荷可對(duì)低速和高速顆粒進(jìn)行探測(cè)，獲得其速度矢量、電荷及質(zhì)量等參數(shù)；但由于電子學(xué)部分采樣頻率的限制，使得高速顆粒信號(hào)信噪比較低，因此更適合低速顆粒的探測(cè)。

圖2 柵網(wǎng)式塵埃顆粒探測(cè)載荷結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Structure of grid for detection of dust particle

當(dāng)帶有一定電荷的塵埃顆粒（質(zhì)量、速度）飛過柵網(wǎng)1～12 時(shí)，在柵網(wǎng)4、6、8、12 上產(chǎn)生感生電荷，其電荷大小與飛經(jīng)位置有關(guān)。利用柵網(wǎng)4 和柵網(wǎng)12 可測(cè)量顆粒沿軸的飛經(jīng)坐標(biāo)，利用柵網(wǎng)6、8 可測(cè)量顆粒沿軸的飛經(jīng)坐標(biāo)。

根據(jù)Ramo-Shockley 理論，當(dāng)電荷以速度在電極組中移動(dòng)時(shí)，在第個(gè)電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流為

3 靶標(biāo)式高速顆粒探測(cè)方法

鑒于柵網(wǎng)式探測(cè)載荷較適合低速顆粒探測(cè)，考慮在測(cè)量柵網(wǎng)12 的后面增加靶標(biāo)，利用靶標(biāo)與高速顆粒撞擊產(chǎn)生的不同現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)高速顆粒的參數(shù)測(cè)量。本文基于現(xiàn)有研究，對(duì)氣凝膠靶標(biāo)、電阻絲靶標(biāo)、金屬板靶標(biāo)、電容式靶標(biāo)、薄膜靶標(biāo)及光簾式靶標(biāo)等進(jìn)行分析比較。

3.1 氣凝膠靶標(biāo)

SiO氣凝膠是一種多孔低密度納米材料，其孔徑、孔隙以及粒徑為數(shù)十nm 量級(jí)，在隔熱、隔音及催化等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。1931 年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的Kistler 在世界上首次制備出SiO氣凝膠。1987 年，Tsou 等提出采用氣凝膠作為塵埃顆粒采集介質(zhì)，隨后，將該設(shè)想在STS-47、STS-57、STS-60、STS-64、STS-68 等多次航天飛機(jī)飛行任務(wù)中進(jìn)行了試驗(yàn)。高速運(yùn)動(dòng)的塵埃顆粒撞擊氣凝膠后被不斷減速，最終停留在氣凝膠內(nèi)部，形成胡蘿卜狀徑跡。該徑跡長(zhǎng)度一般為塵埃顆粒直徑的數(shù)百倍，氣凝膠表面被撞擊形成的孔洞尺寸一般與顆粒尺寸相當(dāng)。因此，可采用顯微照相系統(tǒng)對(duì)氣凝膠表面進(jìn)行周期性掃描來觀測(cè)其受塵埃顆粒撞擊情況，如圖3 所示，將顯微照相系統(tǒng)安裝于二維移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，放置于不遮擋氣凝膠的位置；氣凝膠在空間暴露一定時(shí)間后，采用顯微照相系統(tǒng)對(duì)其表面進(jìn)行掃描，并對(duì)掃描圖像進(jìn)行分析，得到顆粒撞擊通量。需要說明的是，低速顆粒同樣會(huì)滯留于氣凝膠表面，因此掃描獲得的撞擊通量實(shí)際上是高速顆粒和低速顆粒撞擊通量的總和。

圖3 氣凝膠靶標(biāo)探測(cè)示意Fig. 3 Dust detector with aerogel as a target

氣凝膠靶標(biāo)可長(zhǎng)期使用，且密度低、質(zhì)量小，但只能對(duì)顆粒撞擊通量進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)，塵埃顆粒在氣凝膠表面的撞擊凹坑直徑僅為μm 量級(jí)，對(duì)顯微照相系統(tǒng)要求較高；且為了不遮擋氣凝膠表面，需占用一定空間放置照相系統(tǒng)及機(jī)構(gòu)。

3.2 電阻絲靶標(biāo)

日本九州工業(yè)大學(xué)研制的電阻絲型低成本空間微小碎片傳感器如圖4 所示，為PCB 結(jié)構(gòu)，板邊長(zhǎng)90 mm，上有128 條銅線，功耗0.01 W，質(zhì)量30 g，可探測(cè)碎片直徑范圍100～600 μm。

圖4 電阻絲靶標(biāo)Fig. 4 Dust detector with resistance string as a target

針對(duì)行星際微流星體特征尺寸及速度范圍，設(shè)計(jì)研制線寬為10 μm 的陶瓷基板或其他基板的PCB。陶瓷基板包括AlO陶瓷基板和AlN 陶瓷基板，其熱導(dǎo)率更高，且具有耐高壓、耐高溫、防腐蝕、介質(zhì)損耗低等特性?；贏lO陶瓷的直接鍍銅陶瓷基板（DPC）可實(shí)現(xiàn)10～50 μm 的線寬設(shè)計(jì)。

電阻絲靶標(biāo)功耗低，但其電阻絲為一次性的，不可重復(fù)測(cè)量，在塵埃顆粒通量較大時(shí)工作時(shí)間及壽命較短，且超高速撞擊產(chǎn)生的凹坑直徑是塵埃顆粒直徑的數(shù)倍，因此電阻絲靶標(biāo)難以精準(zhǔn)獲得塵埃顆粒的尺寸。

3.3 金屬電離式靶標(biāo)

對(duì)于高速塵埃顆粒，探測(cè)靈敏度最高的方法是電離式探測(cè)。高速塵埃顆粒撞擊后，塵埃顆粒及部分靶材料汽化，被加熱至10K 的高溫，電離形成等離子體云，其離子或電子電荷電量與塵埃顆粒的質(zhì)量和撞擊速度有關(guān)，電荷脈沖上升時(shí)間與撞擊速度有關(guān)，

式中：、、均為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取值為=1.0，=3.0，=-1.0；和值由試驗(yàn)確定。

因此，電離式靶標(biāo)的材料可以選用銅、鉬、鉭等，撞擊產(chǎn)生的等離子體脈沖信號(hào)由柵網(wǎng)12 進(jìn)行收集，并由電子學(xué)部分進(jìn)行分析，可獲得高速塵埃顆粒的質(zhì)量、速度以及撞擊通量參數(shù)。

日本HITEN 衛(wèi)星所用金屬電離式靶標(biāo)探測(cè)器的電荷靈敏度范圍為5×10～1×10C，根據(jù)式(5)計(jì)算出其可探測(cè)的塵埃顆粒質(zhì)量和速度范圍如圖5所示。

圖5 電離式探測(cè)的塵埃顆粒速度和質(zhì)量范圍Fig. 5 Detection of dust particles in ranges of velocity and mass by ionization detector

如果噪聲低至2.2×10A·s（rms），則電離式探測(cè)器可檢測(cè)的電荷為1.5×10A·s，是HITEN 衛(wèi)星所用探測(cè)器探測(cè)極限的1/30，那么所探測(cè)顆粒的質(zhì)量和速度范圍可進(jìn)一步拓展：根據(jù)前述標(biāo)定數(shù)據(jù)計(jì)算，可探測(cè)直徑約1 μm、速度1 km/s 左右的顆粒。

金屬電離式靶標(biāo)可獲得塵埃顆粒的速度、質(zhì)量等參數(shù)，且工作時(shí)間長(zhǎng)，但柵網(wǎng)12 既要用于收集等離子體電荷，還要用于低速塵埃顆粒測(cè)量，難以兼顧，無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致高速塵埃顆粒參數(shù)測(cè)量范圍及精度受限。

3.4 電容式靶標(biāo)

電容式靶標(biāo)的工作原理是，當(dāng)塵埃顆粒撞擊電容時(shí)，表面電極被擊穿，介質(zhì)受到壓縮，在激波等效應(yīng)作用下產(chǎn)生瞬間放電；撞擊后撞擊位置處電極材料被移除，電容可恢復(fù)工作。類似的探測(cè)器在美國(guó)于1972 年發(fā)射的Explorer 46、1984 年發(fā)射的LDEF上均有應(yīng)用。根據(jù)超高速撞擊特性，電容結(jié)構(gòu)越薄，其探測(cè)靈敏度越高。Kassel 研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于金屬氧化物電容器，若其電解質(zhì)厚度為0.4 μm，則探測(cè)靈敏度為

式中為顆粒直徑。即若用電容式靶標(biāo)探測(cè)直徑為1 μm 的顆粒，則要求顆粒的最低速度為1.67 km/s。

同其他探測(cè)裝置類似，電容式靶標(biāo)僅能給出顆粒的撞擊通量數(shù)據(jù)。

3.5 薄膜式靶標(biāo)

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF）是一種永久極化的材料。當(dāng)μm 厚的PVDF 薄膜被高速運(yùn)動(dòng)顆粒撞擊時(shí)，撞擊部位部分材料被移除，導(dǎo)致去極化，將形成一個(gè)ns 量級(jí)的電流脈沖?？衫肞VDF 薄膜的這一特性，通過電路處理制成薄膜式靶標(biāo)用于判斷碰撞事件的發(fā)生。

薄膜式靶標(biāo)不需要預(yù)先加偏壓，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高；且PVDF 薄膜具有優(yōu)良的空間環(huán)境耐受性能，對(duì)空間帶電粒子無響應(yīng)，因此極大減輕了信號(hào)處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。但薄膜式靶標(biāo)對(duì)于速度不超過3 km/s 的顆粒只能給出其撞擊通量數(shù)據(jù)。

3.6 光簾式靶標(biāo)

歐空局在Rosseta 任務(wù)中采用了光簾式塵埃探測(cè)單元，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示，4 個(gè)激光二極管作為光源發(fā)出激光光束，光束通過光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直-擴(kuò)束后形成100 mm×100 mm×3 mm 的光簾；當(dāng)塵埃經(jīng)過光束時(shí)產(chǎn)生的反射和散射光被光簾左右兩側(cè)的信號(hào)檢測(cè)單元接收，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理可得到塵埃顆粒的光學(xué)等效直徑和速度估計(jì)值。

圖6 光簾式探測(cè)器結(jié)構(gòu)及原理示意Fig. 6 Structure and measuring principles of detector with light curtain

光簾式靶標(biāo)長(zhǎng)期工作時(shí)，其激光二極管的工作性能會(huì)明顯下降；且單獨(dú)使用光簾式靶標(biāo)只能準(zhǔn)確獲得顆粒通量信息，若要獲取更多的塵埃顆粒信息，需要綜合其他探測(cè)方法或技術(shù)。

3.7 小結(jié)

通過上述分析可以看出，氣凝膠靶標(biāo)材料僅能獲取顆粒撞擊通量，且系統(tǒng)較為復(fù)雜；電阻絲靶標(biāo)在顆粒通量較高時(shí)工作壽命較短；電容式、薄膜式、光簾式靶標(biāo)僅能獲得塵埃撞擊通量；金屬電離式靶標(biāo)在高速顆粒探測(cè)時(shí)靈敏度最高，但由于其柵網(wǎng)部分需兼顧等離子體電荷采集，令其高速顆粒測(cè)量范圍和靈敏度受限。綜上認(rèn)為，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)探測(cè)效率應(yīng)采用柵網(wǎng)-金屬電離復(fù)合式探測(cè)方法，即在柵網(wǎng)式探測(cè)單元最后增加一個(gè)靶標(biāo)，作為離子收集器。但是，復(fù)合式探測(cè)方法顯著增加了信號(hào)處理的難度，尤其是在高、低速顆粒同時(shí)與探測(cè)器相互作用的情形下。

4 結(jié)束語(yǔ)

地月三角平動(dòng)點(diǎn)由于其獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性，可能存在塵埃聚集的現(xiàn)象，且一直處于動(dòng)態(tài)變化之中。為更深入理解這種現(xiàn)象，需要研究塵埃的引力捕獲和逃逸過程，對(duì)塵埃的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行探測(cè)，而星載原位探測(cè)是優(yōu)選方式。

本文提出柵網(wǎng)-靶標(biāo)式組合探測(cè)方法，對(duì)其進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)分析。柵網(wǎng)式探測(cè)方法適合探測(cè)低速塵埃顆粒，可獲得塵埃顆粒的速度矢量、質(zhì)量、電荷等參數(shù)。靶標(biāo)式探測(cè)方法適合探測(cè)高速塵埃顆粒，氣凝膠、電阻絲、金屬板、電容、薄膜、光簾等靶標(biāo)可測(cè)量的塵埃顆粒參數(shù)以及應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。綜合以上分析，采用柵網(wǎng)-金屬電離復(fù)合式探測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)高速塵埃顆粒和低速塵埃顆粒的同時(shí)測(cè)量。未來將進(jìn)一步對(duì)探測(cè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方法等進(jìn)行研究。