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”。

面向月尘防护的舱外航天服面料芳纶1313的功能化修饰

针对舱外航天服外层面料芳纶1313(PMIA)织物表面活性较低,难以功能化的问题,首先采用γ射线进行辐照改性,并分析PMIA表面的元素变化;然后在氧化石墨烯(GO)水溶液中浸渍处理,利用水合肼将吸附至试样表面的GO还原为还原氧化石墨烯(rGO),从而提高PMIA抗静电性能;最后在试样表面进一步修饰1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(PFTS)和气相二氧化硅,改善其疏水性。结果表明:在空气中γ射线辐照后,PMIA表面沟槽和条纹数量增加,氧元素含量提高,表明PMIA表面活性增强,有利于后续实验的进行;在浸渍处理中,GO浓度越高,浸渍次数越多,试样体积电阻率越低,当GO浓度高于6 mg/mL后,体积电阻率趋于稳定;PFTS自身表面能较低,同时PFTS可以作为界面结合剂显著改善气相二氧化硅在试样表面的分布,将PMIA表面接触角提高到157.2°。

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。

航天探月工程科研成果转化的教学实验:仿生荷叶掺铝氧化锌薄膜应用于月尘防护

面向国家航天探月重大需求,将科研项目“仿生荷叶超疏水微纳结构防月尘性能研究”转化为本科生实验,主要内容为利用原子层沉积技术制备铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜,结合水热法制备具有二级微纳结构的AZO涂层材料。该实验航天背景特色强,涉及化学、材料、航天等多学科交叉融合。学生从薄膜制备、表征技术、探讨除尘以及晶体生长机理等4个方面接受基本科研训练,与探月工程同频共振,有利于增强学生实践能力,使学生潜移默化感知社会脉搏,引导学生从事航天事业。

铝金属基底月尘被动防护表面研究

月尘是探月任务中遇到的极大环境因素,对探月设备的粘附是影响其功能实现甚至重要部件失效的主要因素。月尘与铝金属基底粘附力可优化项为范德华力。针对以上理论结果,通过电化学刻蚀结合低表面能涂覆设计了一种月尘防护表面。通过控制防护表面制备过程中的时间和工艺得到不同粗糙度和表面能的防护样品,最终得出所制备样品的最优表面能为22.52 mJ/m^(2),表面粗糙度为2.444μm。通过翻转测试得到翻转角度为60°时的月尘防护效率为58.41%。经测试,通过电化学刻蚀得出的样品,继续增加电化学刻蚀时间和电流,表面粗糙度继续增大,月尘容易卡在微结构中,并不能继续提高月尘防护效率。研究得出的月尘被动防护技术可以广泛应用于未来深空探测任务的部组件防护。针对不同的防护表面,后续可开展效果优良的防尘表面研究,本方法比主动月尘防护方法节省在轨电源损耗。