一种监测月球尘埃沉积质量的方法

庄建宏，王先荣，王，崔 阳，王锡来

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理国家级重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

在月球探测的过程中，探测器面临着各种月表环境因素的威胁，月尘是其中重要的一种。由于月尘自身的特点——细小、不规则、易带电等，很容易被扰动而悬浮，附着在探测器表面，且不易清除。致使光学系统、热辐射器、太阳能电池板等敏感部件性能下降[1]。

为了确保登月飞船、月表自动巡视勘察系统的可靠工作，必须预先对其影响进行研究，并设计一种仪器，随月球探测器登陆月球，对尘埃的沉积量进行测量，进而预估其对敏感部件的影响。为今后的月面探测、载人登月、月球基地的建立积累月球尘埃环境数据，并为航天器的防尘、降尘设计作参考。

作者拟通过对在月尘覆盖条件下太阳电池输出情况的研究，提出一种测量月尘沉积质量的方法。

2 方法原理

月尘覆盖在太阳电池表面，由于尘埃颗粒对阳光的遮挡，引起太阳电池接收光强的降低，导致输出性能下降，如图1所示。文献[2]中，对尘埃微粒引起光线的透过率下降关系的推导是基于以下假设：

1）所有微粒形状尺寸一致。2）所有微粒密度均为ρ。3）所有微粒对光的吸收率均为γ。

若灰尘微粒为一个沿着长方体的对角线劈开三棱柱体。经过推导得出月尘层对光线的相对透过率t为

式中 τ1为入射光强；τ2为透射光强；m为沉积灰尘质量；h为微粒的高；A为太阳电池面积。

式（1）表明，光的相对透射率t与灰尘沉积质量之间是负指数关系。

图1 月尘遮盖示意图

图2 沉积有灰尘的盖玻片

对于符合一定尺寸和密度统计分布的月尘微粒来说，应该可以找到一个近似描述月尘沉积造成的光透过率下降的关系的系数α，使得其相对透过率基本符合以下关系

在太阳电池的诸多参数中，短路电流Isc等于其光生电流，与入射光强成正比，且受温度影响较小，可以忽略不计[3]。当月尘覆盖在其表面后，引起入射光强的降低，进而引起短路电流降低。假设入射光强一定，则Isc正比于光透射率。因此，可以预计，太阳电池短路电流与沉积灰尘量的关系也是负指数关系

利用这一关系，获得了短路电流随月尘沉积量衰减的曲线，就可以用来监测月尘的沉积质量。

3 实验设计

为了验证上述关系，设计了如下实验：

由于月球与地球的距离远远小于太阳到地球的距离，即月球到太阳距离近似等于1 AU，而且月球表面几乎没有大气，可以忽略大气对太阳辐射能的衰减作用。因此可采用地球大气层外，辐射能值为S=（1 353±21）W/m2，光谱分布与AM0条件下的太阳光谱一致的模拟光源作为月表太阳辐照环境的模拟光源。

经过筛选的模拟月尘（以下简称灰尘）：粒径小于97 μm；近似球状颗粒占54%；松弛状态密度：1.44 g/cm3。通过扬尘装置将其均匀沉降到太阳电池的玻璃盖片上，如图2所示。称量沉降前后玻璃盖片的质量差，得出灰尘的沉积质量。将不同沉积质量的盖玻片盖到选定的三结GaAs太阳电池（尺寸：3 cm×4 cm；短路电流：190 mA；开路电压：2.24 V）上。在光线垂直入射条件下，测试不同灰尘沉积质量下太阳短路电流变化情况。

实验测得的灰尘质量m和相应的短路电流Isc，如表1所列。

表1 实验结果

分别对实验结果进行线性拟合和指数衰减拟合，如图3、图4所示。

图3 线性拟合结果

图4 指数拟合结果

为了比较2种拟合结果的优劣，利用计算机软件计算出相关拟合统计参数。表2和表3列出了相关结果。

比较直线和指数拟合的残余平方和（Residual Sum of Squares）相关指数R2（Adj.R-Square）。由于残余平方和越小、相关指数越接近1说明拟合度越好，所以，指数拟合的符合度较线性拟合好。这从另一个侧面说明式（3）所描述的太阳电池短路电流与灰尘沉积质量关系的合理性。

因此，可以采用指数拟合结果

式中 m为月尘质量，mg；Isc为太阳电池短路电流，mA。

解出月尘质量m

即可作为太阳电池测量月尘沉积质量的测量公式。

利用式（5）的关系，测得太阳电池在月表光照条件下的短路电流输出，就可得出沉积的月尘质量。

4 分析与讨论

实验的结果较好的符合了理论分析的结论，说明利用太阳电池测量月尘沉积量是可行的。然而，要获得准确的测量值，还需要考虑以下问题：

（1）模拟月尘与真实月尘相似性。由于月球环境的特殊性，所以月表尘埃与地面普通灰尘在形态、成分、尺寸分布、光学特性都不相同[4]。这些特性都和月尘对光的遮挡情况密切相关。世界上仅有美国和前苏联获得过一定量的月球土壤和岩石样品，存量有限，极其珍贵。因此，需要选用特别配比和筛选过的地球尘土，制成模拟月尘，进行相关实验，以期获得与实际情况相符合的地面模拟测量曲线。

（2）月表环境。月球表面的辐射和温度环境对太阳电池性能也有影响。如何评估或者屏蔽这些影响因素，从而获知纯粹由月尘沉积引起的太阳电池短路电流下降的情况，还需要进一步的地面模拟实验来解决。

（3）具体探测任务。实验中模拟的太阳光照条件是垂直入射的情况，然而当探测器在月球表面某一地点着陆后，当地不一定会存在太阳光垂直入射的情况。而太阳电池短路电流与太阳光入射角度呈余弦关系，因此需要计算着陆点的太阳高度角及其随时间的关系，以决定何时采集测量数据。

5 结论

通过进一步的研究和实验，利用太阳电池作为月尘沉积质量测量传感器是可行的。从实验情况看，其最大测量范围大于8 mg/cm2，这是其他方法难以做到的。若要测量着陆器着陆、宇航员行走、月球车行进、乃至月球基地建造所激起的大量月尘，这应该是一种合适的测量方法。

[1]曹洲，薛玉雄，杨世宇.月尘对探月设备的影响[J].真空与低温，2007,13（12）:73～77.

[2]CYNTHIA MKATZAN，JONATHAN L，EDWARDS.Lunar Dust Transport and Potential Interactions with Power System Components[R].NASA-LeRCCR-4404,1991.

[3]安其霖，曹国琛，李国欣,等.太阳电池原理与工艺[M].上海：上海科学技术出版社，1984.