月尘微观吸附机理及其防护技术研究现状

月尘防护是未来月面探索中面临的重要难题之一,不同防护效果将对航天器性能产生重要影响,深入开展月尘颗粒在航天器表面的微观吸附行为及其防护技术的研究至关重要。主要从月尘颗粒吸附机理、吸附力测试技术及月尘防护的方法展开综述与展望。首先说明月尘颗粒的物理、化学性质及吸附机理,重点聚焦建立月尘颗粒与基体表面的吸附力解析模型,包括范德华力、静电力、毛细力;其次,利用原子力技术测量月尘颗粒吸附力参数。分析对比目前针对微纳米颗粒吸附问题的主动与被动防护技术。对月尘吸附力测试与月尘防护技术发展等问题的发展趋势进行展望。通过原子力技术开展月尘颗粒吸附力,解决现有其余测试技术产生的弊端,对推进月尘颗粒吸附机理及防护技术的研究具有重要意义。

面向水冰探测的月尘防护研究综述

月尘一直以来都是阻碍人类探索月球的一大问题,月尘颗粒锋利、细微和带静电等特性可对各类机械结构、密封结构、功能表面、空间仪器载荷以至宇航员产生巨大危害。文章总结了目前月尘防护技术的研究进展,包括月尘的全流程防护及大空间月尘防护研究;以电磁法为代表的主动防护技术,如电帘、静电场、等离子体束、电喷雾和磁辊等除尘技术;以表面改性技术为主的被动防护技术,如减弱范德瓦耳斯力的低表面能、高粗糙度的纳米尺度涂层和减弱静电力的功函数匹配涂层等。聚焦中国探月工程水冰探测计划的月尘防护,综述了针对采掘、加热和分析三个环节所使用的过滤和密封的防尘手段,包括采掘钻杆使用螺旋槽和间隙密封;加热和分析容器采用金属刀口主密封和O型圈辅助密封;在分析仪器前设置烧结金属过滤器、高效空气过滤器(HEPA)和多级永磁月尘过滤器(LAF-PMS);在连接管道处设置双层O型圈密封;在外接出口处设置迷宫密封和HEPA等。最后,给出一种“水冰探测仪月尘防护的方案设计”。

基于叉指型电容构型的月尘颗粒沉降量探测方法

月尘沉降量探测是适时启动月尘清除功能性组件的核心,更是低能耗智能除尘技术的关键。文章针对现有月尘沉降量探测方法的局限和叉指型电容探测器的优点,提出基于平面叉指型电容构型的月尘颗粒沉降量智能探测方法,构建了月尘沉降层与叉指型电容基板介质层复合的月尘沉降量电容解析模型,获得了探测器自身电容值与月尘沉降量的关联数学算法,给出月尘沉降量电容式探测器优化设计方法。仿真与实验结果表明:探测器不同的金属化比条件下,电容随颗粒沉降层厚度变化的实验和计算误差不超过2%。以上研究为低能耗智能除尘技术提供了沉降量感知的新方法。

光入射角及尘埃对太阳能电池月尘探测器的影响研究

以太阳能电池月尘探测器的短路电流为参考,通过模拟月球尘埃实验,研究太阳能电池短路电流对光入射角、尘埃沉积质量和粒度分布的响应。结果表明,一旦光入射角大于60°,尤其是在尘埃沉积的情况下,尘埃探测器的短路电流不能较好地用余弦函数来近似。探测器的短路电流和月球尘埃沉积质量遵循一个指数关系。在相同的沉积质量下,月球尘埃的颗粒粒径越小,对太阳能电池的遮挡作用就越强,其原因是小尺寸的月球尘埃颗粒之间的空隙较小,导致更多的光强损失。此外,质量消光系数与光入射角相关。因此,在实际测试过程中,应根据入射角度来选择质量消光系数,以确保探测器给出的结果准确性。

微纳结构自清洁涂层的月尘防护性能研究

针对月面探测器表面月尘防护问题,制备了一种低表面能自清洁涂层。采用扫描电镜、分光光度计、接触角测量仪、划格法等手段对涂层的基本性能进行了表征分析,采用翻转除尘试验对涂层的模拟月尘清除效果进行评价分析。结果表明:带有低表面能自清洁涂层的载玻片在400~1800 nm波段范围内透光率≥90%,水接触角为137°~138°,划格法结合力优于1级,热循环100次后涂层未见损伤,涂层对50~75μm粒径模拟月尘的清除效率可达90%以上,涂层在月面探测器月尘防护领域具有较好的应用潜力。

模拟月尘制备及其物理和力学性质研究

在地球上进行的大量与月尘力学性质和机械性质相关的试验研究中,通常采用模拟月尘代替真实月尘。本研究制备了一种适用于月球探测工程试验的模拟月尘,制备工序依次为原材料选取、颗粒粗加工、颗粒精加工、颗粒级配、颗粒混合及预处理。该模拟月尘的颗粒粒径分布、颗粒相对密度、干密度、孔隙比、内聚力和内摩擦角等物理和力学性能参数经分析与国外典型模拟月尘相关参数相近,证明其可应用于月球探测工程试验。

CE-3着陆器着陆时月尘量的测量分析

月球表面有一层月球尘埃,CE-3着陆器在月表着陆时,月尘容易悬浮,沉积到器件表面,造成性能损害。因此,在CE-3着陆器上搭载有月尘测量仪,月尘测量仪有2个探头,其中一个探头利用太阳能电池片测量着陆器降落时的月尘量,文章主要对测量情况数据进行分析。

月尘特性与模拟月尘研制现状

月尘问题是人类探测月球过程中需要克服的关键问题之一,研究月尘特性和研制模拟月尘是了解月球环境、解决月尘问题的有效途径。受月球空间环境影响,月尘具有许多独特的性质。为此,总结和阐述了月尘的几何特性、化学特性、物理特性和力学特性。根据月尘的基本性质,各种类型的模拟月尘被研制出来,其中重点介绍了NASA研制的JSC月海系列和NULHT高地系列模拟月尘的制备方法和性质。高质量的模拟月尘可以应用于表面活化、荷电特性、漂浮特性、附着特性、防除尘技术、资源提取等多个研究领域,为进一步探索月球提供必要的技术储备。

月尘静电浮扬现象的理论模拟

对月球上的月尘静电浮扬现象进行了理论研究,对比分析了影响月球表面静电浮扬强弱的主要因素.研究过程分为两个步骤:首先采用一维PIC(particle in cell)模拟计算了月尘和月球表面的充电过程,然后基于这一结果引进试验粒子,对月尘的静电浮扬现象进行了分析研究.结果表明月尘的静电浮扬主要受两个因素的影响:太阳角和月尘颗粒的大小.月尘静电浮扬现象在日出日落时分更容易发生,即太阳角越小越容易引起剧烈的月尘浮扬现象;并且月尘粒径越小,其浮扬高度越高.

月尘环境效应及地面模拟技术

介绍了月球尘的特点及其对探月活动的影响。在分析月球尘环境及其对月面探测器污染、磨损、阻塞、静电效应的基础上,对月球尘环境模拟技术、月球尘扬尘及其运动学和动力学规律、月球尘效应防护及试验评价方法等研究方向和重点提出了一些初步看法。针对研究内容的需求,梳理出一台完整的月球尘地面模拟试验设备应具备真空、温度、太阳风、太阳紫外、月球尘、月面电场、月面磁场等环境因素。在此基础上,设计了一种月球尘地面模拟试验装置方案,并对月球尘环境效应试验方法进行了初步讨论。为月球探测后期任务条件保障建设及相关研究工作提供参考。

月尘/月壤环境效应地面模拟方法研究

月壤/月尘会附着并污染航天器、月球车的表面,如果不及时清除,还会进一步诱发部件过热、机械机构卡死、密封失效、材料磨损等一系列问题．本文综述了关于月尘特性、月尘与航天器系统的互相作用机理、月尘环境模拟方法等方面的研究成果,提出了一种小型月尘环境模拟系统的设计方案．该系统将使关于月尘特性的实验研究成为可能,并可作为登月飞船及月球车材料选择、机械机构可靠性试验、除尘策略试验的平台．

悬浮月尘的遮挡模型

探月活动中,月表的尘埃会对太阳翼等光电器件的工作效率造成严重影响.基于附着月尘的遮挡模型,从立体空间的角度分析了悬浮月尘对工作器件的遮挡,提出了悬浮月尘的单粒度遮挡模型,利用月尘的平均粒度可计算在指定立体空间内,定量月尘造成的遮挡量;引入月尘的粒度分布函数,提出了悬浮月尘的多粒度遮挡模型,能够计算已知粒度分布函数的月尘在指定立体空间内造成的遮挡量;通过设计悬浮月尘遮挡的仿真实验,分别利用3种不同粒度大小的月尘进行实验,实验数据与悬浮月尘的单粒度、多粒度遮挡模型的理论计算值都较好吻合,实验结果证实了悬浮月尘遮挡模型的正确性与可靠性.

月尘对登月服的影响及研究进展

概述了月尘对登月服带来的影响与危害,以及国外有关月尘对登月服影响研究的重点及最新进展,包括研究方向、研究内容、试验方法、环境模拟设备情况、试验评价体系、防尘与除尘技术等;特别针对月尘对登月服外层材料的影响,介绍了国外的研究发展情况及最新成果,提炼出了国外研究的总体思路逻辑框图,并对我国开展该领域技术研究提出了合理化建议。

月尘环境下太阳入射角对太阳能电池输出特性影响研究

在月表环境中,月尘沉降在太阳能电池表面会改变太阳能电池的输出特性,降低太阳能电池效率和使用寿命。通过理论分析建立了模型,计算得到了太阳能电池输出参数与太阳光入射角度之间的关系;搭建了测试平台,测量了不同入射光角度(0~90°)下太阳能电池输出特性,得到了太阳能电池短路电流、开路电压和转化效率等参数随太阳光入射角的变化曲线,该曲线变化趋势与模型预测结果相符。研究可用于未来在轨太阳能电池的标定及月尘测量数据的反演。

石英晶体微天平在月尘累积量测量中的应用

针对月尘问题,提出了一种基于石英晶体微量天平的月尘累积分布的测量方法,用于月面环境月尘累积质量的原位测量。通过涂覆粘性膜,解决了月尘颗粒与石英晶体电极表面结合力不足的问题,并进行了真空环境下标定实验。实验结果表明,所设计的SQCM传感器的质量灵敏系数为5.63×10-9g/(cm2·Hz),测量量程可达1.29×10-4g/cm2。目前已搭载嫦娥三号探测器开展月面长期月尘累积质量的测量。

月尘对太阳电池阵开路电压影响研究

通过地面模拟实验获得月尘对光线遮挡效果数据,结合月尘和光传输特性,拟合出一新的月尘对光线遮挡数学模型。理论计算结果与实验数据进行对比,验证该模型的准确性。发现随着月尘厚度线性增加而光线的透过率呈指数下降。通过月尘吸附对太阳电池阵开路电压影响的研究,提出一个新的解析表达式。地面模拟实验获得月尘对太阳电池阵开路电压影响数据,理论计算结果与实验数据进行对比,验证该理论模型的可行性和准确性。发现随着月尘厚度线性增加太阳电池阵开路电压呈指数下降。

月尘环境下太阳电池阵表面充电的数值模拟研究

为得到月尘环境下太阳电池阵表面充电特性,根据等效电路原理,结合月尘特殊环境以及太阳电池阵结构特点,建立了月尘环境下太阳电池阵表面充电模型,并分别在阴暗区和光照区两种不同环境下进行了表面充电数值模拟分析。研究结果表明,由于月球表面复杂的空间环境,不同区域、不同时间具有不同的空间环境,在等效电路数值模拟过程中,电路中各个等效元件的参数值会随着环境的改变而改变。月球日照区域,太阳电池阵表明电势最高可达到100 V。在阴暗区,由于电子的热运动速度远大于离子的热运动速度,太阳电池阵表面电势为-100^-2 000 V,极端条件下能够达到-5 000 V。该计算结果对月尘环境下太阳电池阵静电防护具有一定指导价值。

模拟月尘致大鼠肺脏急性损伤病理学变化

目的探讨模拟月尘(lunar soil simulant,LSS)对大鼠肺脏急性损伤的病理学改变。方法采用粒径在5μm以下的CAS-1模拟月壤作为真实月壤的替代物。用无菌生理盐水配制模拟月尘混悬液。通过气管滴注染毒法制备模拟月尘的动物模型,同时与PM2.5及生理盐水组对照,观察染尘不同时期大鼠肺脏的超微结构变化。结果 LSS高剂量组(灌注量1 m L,含7 mg LSS)4 h图片可见肺泡间隔增厚和中性粒细胞浸润;24 h图片可见肺泡间隔增厚和血管内中性粒细胞浸润,以及血管和支气管周围炎。LSS低剂量组(灌注量1 m L,含0.7 mg LSS)4 h图片未见组织明显病变;24 h图片可见肺泡隔轻微增厚,支气管周围有中性粒细胞浸润但比LSS高剂量组轻。PM2.5组4 h和24 h图片均未观察到炎症、水肿。结论 LSS可能具有比PM2.5更强的肺毒性,可引起机体肺实质损伤,产生炎症性病变。

月尘对太阳电池的遮挡效应研究

月尘的沉积对月面探测器太阳电池系统是一种严重的威胁.为了对月尘沉积所引起的太阳电池性能衰减进行预估,文章建立了一种月尘遮挡模型,可用于月尘遮挡效应的研究,并可作为月球探测器防尘设计的参考工具.

基于EDEM的月尘环境效应仿真实验设计与开发

利用学校高端装备制造虚拟仿真实验教学中心平台,面向飞行器制造工程专业基础课"空间技术概论"中的"月球环境及其模拟试验技术"章节,针对月面环境物理模拟难度大、成本高等缺点,基于离散元仿真软件EDEM,结合已有科研成果,设计开发"月尘环境效应仿真实验",模拟月尘环境及其对空间运动副产生的影响,从而使学生能够在课堂环境中即可直观地感受月尘环境及其效应,为专业课教学提供了新的途径。