月球静电效应及防护研究

孙永卫，武占成，李宇明

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

月球静电效应及防护研究

孙永卫，武占成，李宇明

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

月球表面由于空间环境和月球特性极易造成强烈的静电起电现象，当登月探测器或航天员到达月球表面时，在与月壤摩擦的过程中也会产生静电。登月探测装备的月球静电环境效应危害极大，带静电荷月尘可能进入甚至覆盖登月探测器所载仪器设备，作用于登月探测器的通讯系统、光学系统、电源系统、热控系统、甚至航天员。由于月球与地球的巨大环境差异而无法应用地球上静电防护的成熟技术。研究了月尘的静电学特性，带静电月尘对航天装备产生的影响，月球静电消除技术等新的技术发展。

月尘；登月探测器；静电防护

“嫦娥工程”二期工程将完成登月探测器的降落，三期工程将完成月球表面采样并返回。届时，登月探测器将携带探测仪器开展探测区月貌和物质调查，进行月基空间环境和空间天气探测，深化对月壤、月壳和月球形成和演化的认识，氦－3、钛铁矿月球资源探测等一系列研究工作，并为月球探测后续工程提供数据支持，这些研究工程面临的重大挑战之一就是月尘的影响。月球表面覆盖了一层月壤，月壤包含了各种月球岩石和矿物碎屑，并记录了月表遭受撞击和太阳活动历史，是研究月球资源、物质组成与形成演化的主要信息来源，是登月探测的重要研究内容之一。月壤由大量细微颗粒形成了几米厚的浮土层，是岩石和月球地壳在陨星冲击作用下的分裂产物，主要由硅化或玻璃化碎块与断片组成，直径100μm以下的称为月尘。月尘平均直径为20μm，但多数小于5μm。40亿年来，月球没有遭受过任何侵蚀，月尘具有尖锐的棱角，破坏性极强。月尘具有较高的比表面积和绝缘性，由于空间环境作用容易带静电，带静电月尘还能相互作用产生静电漂浮，同时又具有很强的吸附能力。月球表面静电以及带静电月尘对登月设备的影响十分严重，月尘由于静电作用而漂浮阻挡探测视线、吸附覆盖探测装备表面、甚至进入月球探测器所载仪器设备，作用于登月探测器的光学系统、电源系统、热控系统、甚至航天员系统，造成视觉模糊、读数错误、密封失效、材料磨损、热控系统、电源系统效率减低、航天员吸入和过敏等问题。例如“测量者3号”（Surveyor 3）着陆器的一个反射镜被灰尘污染，相机滤光片的25%面积被月尘污染，造成通光量减少，图像对比度下降。如果登月探测器的太阳电池系统受到月尘吸附遮盖或由于带静电月尘作用导致静电放电，引起效能降低或失去功能，极有可能使探测任务失败。

1 月尘的静电学特性

月尘与地球表面尘土的一个显著区别是，月尘粒子一般带有静电。月尘的静电来自太阳紫外线与月表光电效应的相互作用，以及局部等离子区的相互作用。一是月球穿越地球的电磁层，通过阳光照射捕获光能产生静电；二是“太阳风暴”发生时，太阳因能量的增加而使自身活动加强，从而向空间释放出大量带电粒子所形成的高速粒子流，大量带电粒子、射线投放到月球上，月球表面静电荷的聚集量在太阳活动达到峰值时会达到最高；三是在登月探测器等航天装备在月球表面活动与月面摩擦产生静电。由于太阳紫外线与X射线导致的光电子电荷占优势，月球的白天充正电；因为等离子体电子电荷占优势，月球的夜晚充负电。

1968年美国宇航局的“测量者7号”（Surveyor 7）着陆器拍摄到了月球地平线在天黑后发出了一种奇异的光芒（见图1）。这是带静电的尘埃微粒漂浮在月球表面，太阳光经漂浮在地表的带电的月球尘埃散射后的发光，美国宇航局“月球勘探者号”（Lunar Prospector）发回的数据与这一现象吻合，月球勘探者号于1998－1999年围绕月球运转，在月球和地球磁尾时期相交叉期间，月球勘探者号记录了月球表面电压出现了重大变化。

图1 “测量者7号”拍摄到的月球静电释放和尘暴

美国戈达德太空飞行中心的提姆－斯塔布斯研究发现：地球的磁尾延伸得很远，甚至越过地球的轨道，这样一来，绕轨道而行的月球会每月一次（满月）穿过地球的磁尾，从而导致了从月球‘尘暴’到静电放电等一系列现象（见图2）。满月时，月球穿过由地球磁尾捕获的带电热粒子组成的等离子体。这些最轻且最能移动的粒子和电子散布在月球的表面，从而使月球带上负电荷。在月球的阳面，这种效应被日光抵消——光子撞击从月球表面反弹回来的电子，释放出负电荷。而在月球背面，电子越聚越多，导致电荷攀升到数千伏。美国加州大学伯克利分校的研究员Jasper Halekas对“月球探测者”探测器在1998－1999年期间传回的数据和月球登陆车拍摄的照片进行分析后发现月球表面的电荷电压高达4 500 V。这种带电荷的极端差异可能会使尘埃从月球带负电的阴面飞到光面，并且在太阳升起或落下的区域形成最为强烈的粒子流。月表导电率很低，因此月尘粒子可以保持其带电性。

图2 月球在月圆时将穿过地球的磁层

在月球上，除了太空环境易使月壤带电外，摩擦起电的环境也是严酷的。月球表面的干燥环境和低导电率使得月壤导电特性符合绝缘体。当登月探测器或航天员到达月球表面时，月壤与登月探测器、航天服使用的大部分物质（例如镀铝聚脂薄膜，二烯镀膜尼龙，涤纶，聚氨脂镀膜尼龙，经编织物，以及不锈钢）在与砂砾和尘土摩擦的过程中也会产生静电。月球探测器将安装摄像头、传感器、天线等多种探测、导航、通讯等大量电子设备，也将配备有机械装置，以便在月壤、月岩中勘探取样。由于月壤是绝缘的，没有通向地面的路径，月球探测器或航天员穿着的航天服表面就会堆积起大量的静电荷，正是这种带电特性，使带电月尘具有很强的吸附、摩擦作用，能够轻易的吸附在任何表面上，甚至进入或覆盖月球车所载仪器设备，无论是着陆器、巡视探测器还是宇航服，即使在铝表面或是在涂层表面，采用表面吹风、振动、擦刷，都无法有效去除表面的月尘。大量带电月尘聚集产生的吸附、遮盖作用以及高压静电可能作用于登月探测器电路系统、热控系统、太阳能供电系统，导致登月探测通讯失灵，放电击穿，遮盖太阳电池板等电子设备故障，形成一种不可逆转的损害。例如：月球由于没有大气，昼夜温差极大，探测器的热控系统如果受到月尘的影响，表面吸附的月尘增加对紫外线与可见光的吸收，使散热器性能退化。研究发现月尘对吸收比的影响是非线性的，11%的月尘覆盖面积，就可导致双倍的太阳能吸收比。

月尘由于带有静电而产生的吸附作用同样能对宇航服和人体健康造成危害。自“阿波罗”11号探月任务以来，宇航员普遍认为，月球尘埃是登陆月球表面所遇到的主要问题之一。1972－12－13日，“阿波罗”17号飞船宇航员尤金·塞尔南和哈里森·施密特在月面对陶拉斯－利特罗（Taurus－Littrow）山谷进行考察时，月尘在他们的宇航服上留下了明显的痕迹。宇航服表面布满了灰色尘埃，头盔的护目镜上也出现了无数划痕。在登月舱增压后，他们两人甚至难以脱下手套——尽管宇航服新增了保护性的翻盖，尘埃仍然钻进了机械接合部位。狭窄的登月舱内还是布满了这种细尘，两天前第一次行走结束后，施密特吸入了一些尘埃，出现了类似过敏的反应。塞尔南在登月任务结束后的汇报中，报告眼睛和喉咙有刺激感。美国宇航服制造商Hamilton Standard和ILC－Dover的工程师认为，由于这些尘埃，“阿波罗”任务所配备的宇航服在月球表面使用20多个小时后，就会使其穿着者面临重大危险。初步研究显示，宇航员吸入月球尘埃可能会造成包括铁中毒的健康危害，美国宇航局月球空中尘埃毒性咨询小组的成员库珀和泰勒已开展月球尘埃影响呼吸道系统的研究，并计划到2010年制定出接触月球尘埃的标准。

2 月球静电环境模拟及静电防护研究

月球大气层非常稀薄，对航天器的影响可以忽略。在月球的夜晚，大气密度只有大约2×10－5／cm3，白天则降到了10－4／cm3，这大约比地球大气的密度小12～14个数量级。月球表面大气的主要成是氖、氢、氦和氩。氖、氢及大部分氦主要来自于太阳风，10%的氦由月球本身的重核放射性衰变产生。由于月球没有大气层，月表温度变化由阳光直接决定，变化范围－150～130℃，这对登月探测器的热控系统的效率提出很高要求；月球自转一周27．322天，一个夜晚大约相当于地球上的14天，如在月夜进行探测研究，月球探测器对太阳能供电系统需求极大；登月探测器高精密度的的光学探测系统作为月球环境观测的主要装备必须始终保持良好的状态，这些都是最有可能受到带静电月尘影响的登月探测器装备。由于月壤中还没有发现有水的证据，接地系统对中和月球静电是不起作用的，地球上静电防护的成熟技术由于月球与地球的境差异而无法应用，月球探测器完全暴露在多种宇宙射线下，月球重力加速度为1．62 m／s2，只有地球的1／6，这些条件极大地限制了月球静电防护技术的发展，月球静电消除技术是一个全新的技术领域。

2004－01－14日，布什总统要求NASA做好2020年前后重返月球建立永久基地的准备，制定了月球探测及深空探测路线图。NASA一直非常关注静电、月尘对宇航员、登月探测器产生的影响，并进行了大量月球静电环境模拟和消除技术研究，作为计划实施的一部分，美国航空航天局格林研究中心研制了一台月尘模拟试验设备，设备包括月尘、真空、温度及太阳电磁辐照等主要环境因素。月尘模拟是设备最核心的部分，模拟月尘必须在试验设备内进行表面活化后才能进行试验。模拟月尘含大量的水蒸气和氧，首先要进行出气处理，为了防止模拟月尘出气时膨胀爆炸，要合理控制真空抽气速度，同时通过梳刷不断搅动月尘，便于月尘均匀放气，真空度要求达到10－6Pa，实验前还必须通过3次以上－150～200℃温度循环处理，直到残余气体分析器测量数据保持稳定。美国NASA马歇尔空间飞行中心两套高能综合环境系统CEETC2和CEETC3分别在1990年和1996年完成并投入使用。其中CEETC3综合环境模拟系统的真空抽气系统采用离子泵。使用了两台静电加速器来产生高能量的电子和质子，1台电子枪来产生1～50 ke V的电子。对于月尘微粒与有效载荷在真空环境中相互作用的观点，将通过以下方式检验：在一个温度可控的真空实验区中，用汞氙灯来产生近紫外辐照，氘灯来产生远紫外辐照以及电子／离子束模拟太阳风、离子体、月尘、月表以及巡视探测器表面的相互作用，模拟的输入条件来自实验室与月表的理论分析及观察。美国宇航局还在建造一个试验室，用来模拟由于太阳照射与等离子体的相互作用导致的电压变化，以及由此产生的静电相互作用，来了解怎样来控制表面的电压，以抵制或吸引月尘，从而减低或消除带静电月尘对登月航天装备的影响。法国ONERA研制的高能综合辐射环境模拟系统，设备真空度可达10－6Pa，电子能量220 ke V，单能质子辐照10～150 keV。装置辐射源包括一个Van de Graff电子加速器（100 keV至400 ke V）和一个电子枪（1至35 ke V）。美国NASA格伦中心针对静电问题在探路者号太空车进行了研究。他们在天线的底部增加了一些一英寸长、直径2．5μm，被磨尖的钨丝。针尖产生强大的场强，可将聚集在设备上的任何电荷被释放到稀薄的大气中。美国NASA肯尼迪太空中心，静电及表面物理实验室的首席科学家卡洛斯·卡莱（Carlos Calle）解释说“就像一个反向操作的微型避雷针一样”。美国加利福尼亚大学的兰迪斯对月球静电防护研究认为，利用月球上极其稀薄的空气作为公共电极，将一个细小的放射源，连接在每一件太空服和居住地上，低能α粒子会飞入稀薄的大气之中，撞击气体分子，并且电离它们，登月设备、航天员周围的气体就会成为导体，从而中和任何多余的电荷。NASA计划建造一个应用离子枪和激光技术来调节导电体表面的电压，这样可以在收集月尘样本时，自己清洁暴露在外的表面。将在环境模拟器中演示这种装置与导电表面的撞击给月尘的相互作用的带来的影响。这种自清洁装置的可行性这是一种基于电子或离子束的组合的装置，这种紧凑的装置用于等离子体月尘的清洁，其质量与功耗被限制在几千克与几瓦的级别上。应用电帘消除月尘技术也在积极地发展，为防止静电击穿，电帘由覆盖了聚酯薄膜的透明平行电极组成，将电极连接到多相或单项交流电源上，形成交变电场，沉积在电极的月尘在电场作用下被举起并沿着垂直于电极轴线的方向运动，从而达到清除月尘的目的，这个方法已经使用原型演示过，除尘效率80%～90%。这种方法对于交流电压、频率、电极间距、电极宽度等参数的选择还需作进一步研究。

2007年，NASA召开的月尘研讨会上讨论了有关月尘的4个议题：月尘的基础理论，月尘对机械系统的影响，月尘对医药／健康的影响，月尘对生命维持系统的影响。研究的内容涵盖了月球等离子区环境研究，现有的月球探测中有关月尘的数据研究，对现有的模拟月壤进行分析，看是否已经足以描述真实月尘的特性，根据阿波罗任务获得的知识，研究月尘的减少和消除技术，编写一份机械系统与组件受月尘影响的矩阵，设计一份机械装置在月尘环境中工作指南，研制正确的模拟月壤，设计、研制、测试、评估月尘消除装置，使用标准测试技术或经过改进的技术，研究机械系统对月尘的敏感性等内容。

3 结 语

开展月球静电环境模拟及月球静电效应研究的目的是服务于中国探月工程。就中国登月探测任务的长远发展而言，月尘的影响是一个不可忽视的问题，带静电月尘导致的月球表面环境效应极有可能会对未来的探月行动构成严重威胁，月球探测必须在充分研究月尘环境效应的基础上进行。从中国探月工程技术领域发展现状和趋势情况看，由于需求牵引，对月面环境的模拟及相关研究已经开始，带电月尘对登月探测器、航天员的影响已成一个必须尽早完成研究的热点课题。因此，开展月尘模拟环境，对月尘的特性进行深入研究，探索研究针对月球静电防护新技术、新方法，防止带静电月尘对登月设备和航天员产生危害，对探月工程的静电防护体系建设具有重要意义，可以为未来的月球探测计划打下良好的基础。

V520．1；V529．1

A

1008－1542（2011）12－0225－04

2011－06－20；责任编辑：王士忠

孙永卫（1968－），男，山东海阳人，副教授，主要从事静电理论与防护方面的研究。