月面扬尘特性与月尘防护技术研究

曾令斌，邱宝贵，肖 杰，宗 魏，罗小桃

（1.上海市空间飞行器机构重点实验室，上海 201109；2.上海宇航系统工程研究所，上海 201109）

0 引言

月壤是指在氧气、水、风和生命活动缺失的月面环境中由流星撞击、宇宙射线和太阳风辐照、大幅度温度变化等因素共同作用形成的，广泛分布于月表厚度不均（数厘米至数十米）的未连接粒子［1］。月尘是指月壤中直径小于1mm的颗粒，其中间值为40～130μm，平均粒径70μm［2］。月尘具有突出的粘附性、研磨性和渗透性，会严重影响探月工程月面活动支持系统中活动部件、热控散热表面、测控数传天线、光学镜片及光伏电池的正常工作。细小的月尘有较高的比表面积和绝缘性，在月球低导电性、高温、强辐射环境中，伴随各种接触和摩擦作用，月尘颗粒极易带电［3］。

阿波罗工程中，月尘造成了阻挡视线、削弱热控系统散热性能、加剧活动部件磨损乃至卡死等多种问题，后期登月的航天员使用刷子清除月球车热控散热表面堆积的灰尘，但刷子除尘的效率很低，且尖锐月尘易划伤功能材料表面［4］。阿波罗工程结束后，NASA持续资助了多家单位开展月尘特性及其防护技术的研究，试验开发了静电防护法、表面充电法、不粘表面法、导电镀膜法、电帘除尘、机械振动除尘、尼龙刷－磁力刷结合除尘等多种防尘除尘技术［5－12］。经过30多年的持续研究，包括电帘除尘、机械振动、不沾涂层等技术先后达到4～5级技术成熟度，用于月球基地建设的防尘过滤网、月面固化等技术也全面展开［13］。

根据探月工程二期、三期以及未来载人登月工程中缓解月尘影响的任务需求，结合嫦娥三号月面巡视器防尘技术研制经验，本文分析了着陆扬尘、静电悬浮扬尘和车轮滚动扬尘的形成机理与典型特征，从月尘扬起、传输、沉降与附着全过程研究了防尘除尘的方法和技术。

1 月面扬尘特征及影响

伏在月表的月尘不会直接侵蚀航天器和航天员，扬起的月尘则能弥散、附着并渗透至各种敏感元器件表面而造成危害。月尘扬起机制有以下两种［14］。

a）自然扬尘：包括流星和微流星体与月球表面发生撞击产生的次级发射物，以及静电悬浮扬尘等。典型的流星体撞击月表可激起100～1 000倍于其质量的月尘。经统计，1年时间里月球表面每平方米会受到平均95次1×10－9g或更大流星体的撞击［15］。

b）人为扬尘：人类在月球上的着陆／起飞、月球车行驶、采样封装和航天员行走等活动等激起的月尘。航天员以45°踢起的月尘可到达4～8m远处；月球车以3.56m／s匀速行进卷起的月尘可达20m远。

1.1 着陆扬尘特征及影响

月球着陆器到达预定着陆区上空并下降至一定距离时，发动机喷射出的垂直于月表的燃气羽流将与月尘发生相互作用，激扬起月尘云（如图1所示），并形成以静止点（羽流中心轴与月面的垂点为静止点）为圆心的环形吹蚀坑。为减少羽流吹起的月尘，发动机引擎一般在距离月面较近时（如高度3m）提前关闭，着陆器作自由落体运动直至通过缓冲支腿接触月面。

1.1.1 特征

a）月尘粒子被发动机羽流以较低的出射角向外喷射，形成向四周扩散的月尘云，而很少会向上卷起而沉降至着陆器上。

b）当着陆点月壤软且厚，而登月舱引擎未能在距月面一定高度正常关闭时，羽流吹蚀形成的吹蚀坑较深。

图1 着陆器引擎羽流扬尘Fig.1 Lunar dusting stirred by engine plume

c）在抵抗羽流吹蚀的因素中，粒径小于数微米的月尘其内聚力起主要作用，粒径大于10μm的月尘其重力起主要作用。

1.1.2 影响

a）遮挡航天员视线。在载人登月舱着陆时，羽流吹蚀形成的月尘云会严重削弱舱内航天员观察月面的能见度。

b）影响两器分离。当羽流吹蚀坑深且陡时，巡视器、机器人或月球车等月面移动工具难以从着陆器下来，或从着陆器下来后难以从吹蚀坑中爬出。

c）污染着陆器较低处的活动部件。缓冲支腿末端的脚垫撞击月面扬起的月尘可能会直接溅射至着陆器低处的活动部件（如嫦娥三号探测器中的两器转移机构），而影响活动部件的正常工作。

d）污染着陆点附近已有的月面设施。如Apollo 12飞船的登陆地点选择在2年前登月留下的探测器附近，登月舱降落时引起的月尘大量聚集在163m 外的探测器上［16］。

1.2 静电悬浮扬尘特征及影响

静电悬浮扬尘是月尘在光电效应、太阳风辐照作用下带电后长时间漂浮并移动的现象，高度30m下的月表环境中充满了大量悬浮的月尘颗粒，其密度随高度呈指数形式递减。根据月尘悬浮运动状态不同，静电悬浮月尘可分为以下两类。

a）动态悬浮月尘：根据喷泉模型（如图2所示），月面的月尘颗粒受到电场力Fq、粘滞力Fc和月面重力Fg作用，当向上的Fq克服了Fg，Fc（Fq＞Fg＋Fc）时，月尘将离开月面。之后月尘在静电场加速鞘中上升，并以向上的速度vexit到达带电离子的德拜波长（λD）高度。因月尘颗粒很小，质量较轻，在到达德拜波长高度前，Fg相对静电加速作用可忽略；在达到最高点后，月尘颗粒以近乎理想的抛物线落回月面［17］。

图2 月尘动态喷泉模型［9］Fig.2 Dynamic fountain model for lunar dust［9］

b）准静态悬浮月尘：在月面至λD高度（0＜h＜λD）区间内，对某一粒径（rd）的月尘颗粒，存在一个高度（hv）使月尘粒子所受向上的电场力等于自身重力（Fq＝Fg），在无外界干扰时，月尘会在此高度上保持力学平衡而不至于落到月面上。同时，不同粒径大小的颗粒会在各自的平衡高度上达到力学平衡，这样就形成了长时间漂浮的准静态悬浮月尘云。

1.2.1 特征

a）月尘粒径越小越容易发生静电浮扬。亚微米级月尘能到达离月面100km以上的高度；粒径大于1μm的月尘平均运动高度在10m以下；粒径大于100μm的月尘很难发生静电悬浮现象［18］。

b）太阳高度角越小（0°，180°），越易引发静电悬浮现象。月面晨昏线附近静电悬浮扬尘现象最剧烈，形成一条从月球北极延伸至南极的狭长薄膜状月尘风暴，并随着晨昏线的移动而移动［19－20］。

1.2.2 影响

a）静电悬浮扬尘长期漂浮、沉降并附着堆积在各种功能材料表面，导致光学系统成像质量下降，光伏电池输出功率降低，热控系统散热能力减弱，活动关节磨损加剧，以及测控数传系统中X频段定向天线的轴向增益降低等。NASA安装在Apollo 15登月舱上的月尘探测装置显示，月尘覆盖导致太阳能电池在第一年内输出功率下降了16%［21］。

b）晨昏线附近弥漫的大量月尘会直接影响光学相机、航天员的视场与能见度。

1.3 车轮滚动扬尘特征及影响

月球车在月面行进时，大量月尘粘附于车轮底面并随车轮向后转动而沿切向抛出。文献［22］对某一特定月球车车轮进行离散元仿真分析，当车轮以速度0.5，1.0，1.5，2.0m／s行驶时月尘颗粒可扬起的最大高度相应为0.01，0.14，0.29，0.40m。

1.3.1 特征

月球车行进速度越快，车轮滚动扬尘现象越明显，扬尘高度越高；车轮滚动扬尘颗粒多集中在车轮后方。

1.3.2 影响

a）车轮滚动扬尘可直接附着并渗透进入包括车轮驱动关节在内的车身较低处各种活动部件，引起磨损加剧乃至卡死。

b）车轮滚动扬尘可直接粘附于热控散热表面，降低其散热性能引发系统过热。

c）车轮滚动扬尘可对车载相机、太阳敏感器、对地定向天线等设备造成影响。

d）车轮滚动扬尘可对附近的航天员、月球机器人、太阳电池阵、月球增压舱等造成直接影响。如月尘粘附于航天服可重复拆装密封接口而降低其气密性；若航天员吸入细微月尘则其呼吸系统、循环系统和免疫系统易受到损害。

2 月尘防护策略

为减轻月尘对月面航天器及航天员的影响和伤害，结合月尘扬起、传输、沉降附着以及造成破坏的全过程，本文提出月尘防护技术研究策略：从减少月尘扬起，阻断月尘传输，减弱月尘沉降到抑制月尘附着，以及在上述措施不能满足需求时采取月尘清除措施，进行防尘－除尘结合的全面月尘防护。

2.1 减少月尘扬起

a）优选扬尘少的空间进行月面活动。如利用绕月卫星预先了解各候选着陆点月壤厚度、松散度特征，优选月壤较薄且紧致的区域着陆以减少羽流扬尘；选择在月球南极撞击坑中的永久阴影区建立天文光学观测站，可不受晨昏线附近月尘暴的影响。

b）优选扬尘少的时段进行月面活动。如着陆器应避免在月尘暴频繁的晨昏时段登陆月面，亦应尽量避免在晨昏时进行各种月面出舱活动。

c）改造月表环境，抑制月尘激扬。如将月面着陆场或常走路线压实或固化，可有效减少人为活动引起的月尘［23］。

2.2 阻断月尘传输

在待保护目标周围设置月尘隔离装置，部分或全部地阻断月尘的传输过程，根据隔离装置形态不同可分为如下不同类型。

a）防尘密封圈：为实现包含轴承在内的多种活动部件的防尘密封，利用紧箍弹簧持续施加径向力的聚四氟乙烯填料密封圈（如图3（a）所示）具有密封可靠、密封接触面小和摩擦阻力小等特点，安装了这种密封圈的活动关节防尘试验装置（如图3（b）所示），可满足嫦娥三号巡视器活动关节的防尘密封需求。

图3 防尘密封圈和防尘试验装置Fig.3 Lip seal and test equipment for dust mitigation

b）防尘罩：为实现包含电池散热面、光学系统的多种月尘敏感设备防尘密封，在其周围设置工作时开启、其余时间关闭的防尘罩以缩短在月尘中暴露的时间。配备于光学系统中的防尘罩在光学系统不工作或人为扰动扬起灰尘时，远程遥控自动盖住镜面而在工作时自动打开［24］。此外，设置防尘罩还利于缓解月球白天极高温度的影响。

c）防尘板：为阻挡大量月尘传输至待保护区域而设置静态防尘板，改变月尘运动方向以缓解月尘侵蚀。阿波罗月球车中设有防尘板，可降低车轮扬起月尘的高度，从而有效限制月尘影响范围［25］。

d）防尘坝：在探测器着陆点与周边设施间设置利用固化月壤材料制成的防尘坝，改变羽流扬尘运动方向，缓解月尘影响［26］。

2.3 减弱月尘沉降

通过增大功能表面倾斜度或在其表面施加抵抗月尘沉降的作用场，以减弱月尘沉降。

a）增大倾斜角度：增大功能表面倾斜度以减小水平投影面积，根据功能表面倾角是否可调分为静态法和动态法两类。前者在约束条件允许的情况下将功能表面的倾斜度设计为最大，以减弱月尘沉降。如应将电池散热表面尽可能地设计为倾斜。后者定期或在不工作时将功能表面旋转到最大倾斜角度乃至垂直向下的方向，以减少月尘沉降。如可将某些光学镜头设计成不工作时自动转至垂直向下的方向［2、19］。

b）静电防护法：将一α粒子源（如219Po）置于热控表面附近，α粒子能使其附近的月尘带上正电荷，再将一带负电的吸附板放在热控表面附近，从而吸附那些带上正电的月尘，缓解月尘沉降。当月尘粒子落在带负电的吸附板上后，电荷被中和，月尘从板上滑落到月球表面［5］。

c）表面充电法：将功能表面带上特定的电荷，排斥同性电荷的月尘，吸引中性和异性电荷的月尘。因月表光照面月尘带正电，背日面月尘带负电，故仅需根据日照变换交替改变功能材料表面的带电特性，就能实现减弱月尘沉降的目的［6－7］。

2.4 抑制月尘附着

在功能表面作特殊处理以减小月尘在其表面的附着力，从而抑制月尘附着，并降低清除难度。

a）设置不粘表面：借鉴荷叶疏水原理，在功能表面上增加小于月尘特征尺寸的纹路，形成一纳米级的针床，可明显减小月尘颗粒与功能表面间的接触面积，减弱其间的附着力，从而抑制月尘的附着［8］。

b）设置导电镀膜：在功能表面镀一层超薄导电膜（如氧化铟锡膜）并接地，释放其表面月尘粒子的电荷，从而减小灰尘的静电附着力。该方法具有结构简单、重量轻、无功耗和不需维护等优点［9］。

2.5 清除月尘

防尘技术能缓解功能表面月尘堆积的数量，对受月尘影响很严重、对月尘附着很敏感或需长期运行的设备，在上述防尘措施不能满足任务需求时，则需进一步采取除尘措施及时清除过量月尘以维持设备性能。清除月尘的方法主要如下。

a）机械振动除尘：对附着有月尘的倾斜表面施加一定频率和振幅的振动以抖落月尘。根据振动特性不同，可有低频高幅振动除尘（采用凸轮机构、偏心机构等产生低频高幅振动）和高频低幅振动除尘（如压电陶瓷材料利用逆压电效应产生高频低幅振动）。优点是体积小、重量轻且易于布置等。

b）电帘除尘：由连接到多相（或单相）交流电源上的平行透明电极组成电帘，通电后形成移动的交变强电场，月尘颗粒在强电场的极化下，被电场力举起并沿垂直于电极轴线的方向运动实现除尘［10－11］。电帘除尘装置无需活动部件，除尘效率较高（80%～90%）。该方法最早由TATOM等在1967年提出，适于太阳电池板、太空服和散热器等多种功能表面［27］。

c）刷子清扫：利用刷子克服灰尘与功能表面间的附着力而清除月尘［4］。但由于月尘颗粒常带静电，具有较大的吸附力，细微月尘尤其是纤维深层的月尘难以被刷子清除干净。此外，月尘颗粒十分坚硬和尖锐，清扫过程可能会刮损功能表面。

d）尼龙刷、磁力刷结合除尘：尼龙刷可清除较粗的月尘颗粒，磁力刷通过对铁元素的作用能清除月尘中较细的颗粒，两者有较强的互补性［12］。

3 结束语

本文根据月尘扬起、传输、沉降和附着过程，提出月尘防护技术研究策略：减少月尘扬起，阻断月尘传输，减弱月尘沉降和抑制月尘附着，以及必要时采取月尘清除措施，并据此分类归纳防尘除尘的方法与技术，可为月尘防护技术的开发提供启示和参考。在平坦、硬质月面着陆时，引擎羽流扬尘影响较小；在复杂地形环境及松软月表着陆时，需重点考虑羽流扬尘在狭小空间内的反射，羽流吹蚀坑破坏着陆器的平衡，以及羽流扬尘对周边设施的污染等影响。在短期探月任务中，静电悬浮扬尘密度小而影响较小，应尽量避免或减少晨昏时段的月面活动；在长期月面活动（如建立月面长期太阳能电站、天文观测站等）中，则需考虑静电悬浮扬尘的长期沉积，并采取实用有效的防尘措施，必要时采取除尘措施。车速较低（如嫦娥三号月面巡视器的最大速度200m／h）时，车轮滚动扬尘的影响较小；车速较高（如未来可重复使用的载人月球车）时，则需全面考虑扬尘对活动部件、热控系统、科学载荷及航天员的影响，并开发必要的防尘、除尘技术。

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