月面太阳风环境效应及试验技术

刘宇明，郑慧奇，丁义刚，沈自才，赵春晴，田东波

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

月球是与人类关系最紧密的地外天体之一，它是人类开展深空探测的首选目标和中转站。同时，月球丰富的矿产资源和能源资源，将为人类社会的可持续发展发挥重要作用。1959—1976年，美国和前苏联开展了多项月球探测任务，发射了一系列的月球探测器，取得很多重要成果，并实现了载人登月的壮举。20世纪90年代，美国又开始了新一轮的月球探测，发射了“克莱门汀”卫星、“月球勘探者号”探测器。进入21世纪，美国、印度、日本、欧洲等国都制定了探月计划[1]。我国也于2007年和2010年分别发射了绕月卫星“嫦娥一号”和“嫦娥二号”，圆满完成了我国探月“绕”、“落”、“回”战略目标的第一步。

月球探测器在月球轨道和月面需要经历多种环境因素，如温度、力、真空、电磁辐射、粒子辐射、微流星、月尘与月壤、月面地貌等环境。这些环境会对探测器的性能产生影响，降低其可靠性，缩短工作寿命。月面的主要粒子辐射环境包括太阳风、太阳宇宙射线和银河宇宙射线。太阳风数量最多，且持续不断地撞击探测器表面。虽然由于太阳风中粒子能量低，与太阳宇宙射线和银河宇宙射线比，引起的关注较少，但是对执行长期任务的探测器，太阳风引起的危害不可忽视。

1 太阳风环境简介

太阳风是从太阳日冕层中持续不断发出强大的高速运动的等离子体流。太阳风充满了整个太阳系，地球和月球也时刻处于太阳风的包围中。由于地球有地磁场，太阳风不会或很少直接作用到地球轨道航天器，而月球的磁场很弱，太阳风可以直接撞击到月球表面，从而对月球探测器产生作用。

关于太阳风的组成，美国早在20个世纪六七十年代就已经进行了深入的研究，目前统一的认识是太阳风由电子、质子、α粒子和重离子组成，太阳风的组成和能量会随太阳活动而稍有变化。太阳活动平静时，太阳风中正离子包括95%的质子，4%的α粒子，0.5%的重离子等；太阳活动剧烈时α粒子密度会急剧增加。从太阳平静到太阳活跃质子能量从0.5 keV到3.2 keV，平均为1 keV。质子流的速度在200～900 km/s，平均速度为400 km/s[2—8]。地月轨道，质子的平均束流密度大约是2.0×108cm-2·s-1，相当于离子电流强度为3×10-11A/cm2，平均的质子密度大约是5 cm-3。

α粒子与重离子具有同质子相似的平均速度。α粒子对质子的密度的比例在0.5%到15%之间变化，但是重离子的含量则更少。

电子能量大约是20 eV到40 eV，平均的能量大约为25 eV。观察太阳风中的电子的特性很困难，原因是平均的电子能量太低，这就意味着飞行器的电位会干扰测量，并且太阳光产生的光电子会引起测量误差。

2 太阳风的环境效应

太阳风中的低能质子和热电子穿透能力很低，主要对月球探测器表面材料的性能产生影响。美国在20世纪70年代就开始了太阳风辐射效应的地面模拟试验研究，研究对象包括热控涂层、光学玻璃等[9—12]。

美国加州加州洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）帕罗奥图（Palo Alto）研究室的M.McCargo等人研究了ZnO/K2SiO3和La2O3/K2SiO32种热控材料在模拟太阳风环境中的性能退化情况[9]。选择的试验条件有质子能量在250～3200 eV，单一的紫外辐射、质子辐射，以及紫外/质子同时辐射。不同能量质子辐射过程中2种热控材料的太阳吸收比退化数据见表1。他们的研究结果表明：在质子辐射下，相同注量时，质子能量越高，ZnO/K2SiO3和La2O3/K2SiO3的性能损伤越严重；La2O3/K2SiO3相对ZnO/K2SiO3抗质子辐射能力强，ZnO/K2SiO3材料更容易受质子作用而损伤；当质子注量达到1016pcm-2量级，相当于暴露在太阳风环境中2年，ZnO/K2SiO3的太阳吸收比退化量达到了初始值的50%以上，太阳风质子对材料的损伤作用不可忽视。

波音公司宇航小组的Lawrence B.Fogdall等人研究了ZnO/K2SiO3和Al2O3/K2SiO32种热控材料的太阳风辐射效应[10]。与M.McCargo等人的研究不同，他们不仅考虑低能质子和紫外的辐射效应，还研究了太阳风中热电子的辐射效应。选择质子能量为1 keV，热电子能量为25 eV。分别研究了单一质子、电子、紫外辐射下，以及质子/电子、质子/紫外、电子/紫外、质子/电子/紫外同时辐射下，热控材料的太阳吸收比退化情况。2种热控材料在各种模拟辐射环境下的太阳吸收比随辐射注量变化关系如图1所示。ZnO/K2SiO3和Al2O3/K2SiO3在不同的辐射条件下的损伤存在很大区别。ZnO/K2SiO3在单一质子和质子/电子同时辐射这2种条件下，损伤最严重；单一紫外和电子/紫外同时辐射下，损伤最弱；而质子/紫外的同时辐射其损伤程度小于单一质子辐射；热电子作为空间辐射环境因素的组成部分，对ZnO/K2SiO3太阳吸收比影响可以忽略。Al2O3/K2SiO3在有紫外辐射条件的试验中损伤严重；单一的质子辐射影响较弱；有热电子的综合辐射对材料的损伤作用更大。

表1 ZnO/K2 SiO3和La2O3/K2SiO3的太阳吸收比损伤随质子能量、注量变化数据Table 1 Solarabsorptance of ZnO/K2SiO3 and La2O3/K2 SiO3 verse energiesand fluencesofprotons

美国国家航空航天局格伦研究中心（NASA Glenn Research Center）的Donald A.Jaworske及其合作者研究了AZ-93系列热控涂层的太阳风辐射效应[12]。采用质子/电子/紫外综合辐射条件，模拟1年的太阳风辐射环境。研究结果表明，多数热控材料的太阳吸收比退化量达到了50%以上，但是发射率基本没有变化。

以上研究结果表明，太阳风质子、电子和太阳紫外辐射会对不同的材料产生不同程度的损伤作用，太阳风是造成热控涂层性能退化的主要因素。此外，太阳风还会与月尘环境产生协和效应，破坏月面探测器。月尘是影响月面探测器的重要环境因素之一。由于月尘携带静电荷，很容易吸附在没有接地设备表面，如吸附在光学镜子和辐冷器上等，严重影响月球探测任务[2]。月球尘带电除了是由于受太阳紫外光波作用外，太阳风中的等离子体也是月尘带电的一个重要原因[13—14]，因此，在太阳风和月尘综合环境下的月面探测器环境效应必须得到重视。

3 太阳风模拟试验设备

3.1 国外太阳风模拟试验设备

太阳风模拟试验以美国开展的工作居多，在试验设备上美国也处于领先。美国有多家研究机构建立了太阳风模拟试验设备。

图1 不同辐射条件下热控涂层太阳吸收比变化量随辐射注量的关系Fig.1 Solar absorptance of Al2O3/K2SiO3 and ZnO/K2SiO3 as a function ofexposed conditions

美国加州洛克希德·马丁公司帕罗奥图研究室建造了一台综合环境设备（The Lockheed combined environments chamber），如图2所示[9]。该设备能提供3种质子、紫外环境的模拟，可以开展单一质子、单一紫外、质子/紫外综合环境的辐射效应研究。其样品台周围带有大范围低温冷却系统，样品台的温度在77～423 K区间可调，真空可以由扩散泵提供，极限真空压力优于5×10-5Pa。质子源由一个射频离子源和一个质量分析单元组成，加速电压为0～5 kV。电磁辐射源是500W直流氙灯，灯被置于透明石英真空罩里并用干燥的压缩空气冷却。配有有色玻璃滤光器，用于电磁辐射的波长选择。积分球和单色仪用于光谱反射率的原位测量，积分球内壁涂有标准的硫化铅和一个光电倍增探测系统，允许对0.28～2.5μm的光谱范围进行光学测量。

美国波音公司有一台波音综合辐射效应测试设备（Boeing combined radiation effects test chamber，CRETC），并配有低能粒子加速器（Low energy particle accelerator，LEPA），可以用于太阳风环境的模拟与效应研究[10—11]。系统采用Ortec501射频离子源作为质子源，质子能量为0.5～100 keV，可以模拟2～10倍的太阳风质子束流密度。采用热灯丝发出电子，利用与样品台的偏压，产生25 eV的热电子辐射。系统采用氙灯作为紫外源，配备有原位监视器测定氙灯的退化和它的光谱特性。样品台温度可以控制在283～413K，真空度优于1×10-5Pa。

图2 洛克希德·马丁公司的综合环境设备Fig.2 Combined environmental chamber in Lockheed Martin

美国NASA的戈达德空间飞行中心（Goddard Space FlightCenter，GFSC）也建立了太阳风环境模拟试验设备，可以模拟太阳风中的低能电子、质子，以及太阳紫外辐射环境[12]，如图3所示。采用美国Kimbal Physics公司的EFG9电子枪作为电子源，可以产生500～50 keV能量的电子，电流密度可达20 nA/cm2。质子源采用Kimbal Physics公司的IMG31，能量范围为2～5 keV，电流密度最大为1 nAcm-2。采用波音旗下子公司Spectrolab公司的X25太阳模拟器产生模拟太阳光，光强可达0.5～2.2倍地球轨道处太阳常数。

图3 GFSC低能综合辐射环境模拟试验设备及实物Fig.3 Conceptual solar wind facility and vacuum chamber in GFSC

美国NASA的马歇尔空间飞行中心（Marshall Space FlightCenter，MSFC）在研制月球环境模拟试验设备（Lunar Environment Test System，LETS）时，同时考虑的月尘和太阳风环境。表2是其设计LETS时，月面环境与LEST设计指标的对比。LETS中的辐射源可以用于研究月尘的带电、漂移，模拟月面的辐射环境，以及带电月尘在探测器上的吸附效应。LETS的示意及实物如图4所示（其中质子源仍在建设中）。

3.2 试验设备要求

根据国外设备情况以及太阳风的主要成分组成，太阳风模拟试验设备一般需包括四大部分——质子源、电子源、离子束测量装置和真空系统。此外，为了模拟月面综合环境，一般还要加入紫外模拟设备和月尘模拟设备。

表2 LETS设计指标与月面环境对比Table 2 Comparison of the planned LETS capability and the lunarenvironment

图4 LETS的示意及实物Fig.4 The conceptualschematic and testchamberof LETS

质子源是模拟太阳风中低能质子的装置，保护质子发生器、质量分离器、质子束传送系统。质子发生器必须能够产生足够强度的等离子体束，并且能在预期的寿命中稳定工作。质量分离器用来使等离子体束产生弯曲，使其中的质子从中分离出来。质量分离器主要有2种类型，磁场型和电磁场交叉型。质子束传送系统将质子发生器产生的等离子加速并聚焦到质量分离器中，还要将离子束展开到需要的射束直径。质子束传送系统控制质子束能量范围要含盖太阳风质子的能量范围。质子发生器和质子束传送系统的配合使用，可以连续可调输出质子的束流密度，束流密度能够在（0.3～30）nA/cm2的范围内，这样就能够根据需要选择模拟试验的束流密度加速倍率从10倍到1000倍连续可调。

低能量的电子源模拟太阳风中的电子成分，要求电子源能量范围最好覆盖10～100 eV范围并连续可调，束流范围含盖（0.3～30）nA/cm2，束流较为均匀。离子束测量装置包括质子、电子探测器。法拉第杯用于测量束流大小，束流分布。它也用于在运行过程中监视离子束。伺服回路用于调整束流参数，以保持其在给定的值。

真空系统可以达到的真空度国外要求较高，需要优于10-4Pa[9，15]。国内，根据GJB 1027《运载器、上面级、航天器试验要求》和GJB 2502《航天器热控涂层试验方法》的规定，建议真空需要优于1.3×10-3Pa。

太阳风模拟设备一般都配有紫外源，用于模拟太阳紫外辐射环境。紫外源要有较高的可靠性，能够满足系统长时间工作的要求。表3归纳了太阳风模拟试验设备的一些要求。

表3 试验设备参数要求Table 3 Main capabilitiesofsolarwind simulation facility

4 结语

太阳风作为月面主要辐射环境之一，会对执行长期任务的探测器产生影响，造成探测器表面材料功能下降，如热控涂层的太阳吸收比升高，滤波光学元件透射率下降等。太阳风还是造成月尘带电的原因之一，太阳风和月尘的协和效应可能会给探测器造成更大的伤害。

美国在探月初期，就开展太阳风辐射效应方面的工作，并发展试验技术。近年来，重返月球计划又带动了太阳风辐射效应的研究，特别是多环境因素协和效应及试验技术的研究。我国目前太阳风辐射环境效应及试验技术的研究还很少，没有太阳风模拟设备，缺乏已应用材料或潜在应用材料的太阳风辐射效应数据，因此急需尽快开展这方面的工作。

首先，开展太阳风模拟设备的研制，包括系统的总体设计，各个分系统设计指标，太阳风模拟设备的整合优化设计及分析，太阳风模拟设备的制造集成等。其次，开展太阳风辐射效应研究，包括航天器表面材料失效模式和损伤状况，模拟试验中试验参数选取方法等，从而为长期深空探测任务的开展做好准备。第三，重视月面综合环境模拟试验能力的建设。太阳风本身对月面探测器的影响可能较小，但是其与太阳紫外辐射、月尘环境构成的综合环境可能会产生破坏力极大的协和效应。因此，应在研发太阳风模拟试验技术的基础上，开展月面综合环境试验技术的研究工作，努力建立系统的、完备的月面环境模拟试验技术体系。

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