月尘特性与模拟月尘研制现状

孙 浩，沈志刚，张晓静，麻树林

（北京航空航天大学航空科学与工程学院粉体技术研究开发重点实验室，北京 100191）

月尘特性与模拟月尘研制现状

孙 浩，沈志刚，张晓静，麻树林

（北京航空航天大学航空科学与工程学院粉体技术研究开发重点实验室，北京 100191）

月尘问题是人类探测月球过程中需要克服的关键问题之一，研究月尘特性和研制模拟月尘是了解月球环境、解决月尘问题的有效途径。受月球空间环境影响，月尘具有许多独特的性质。为此，总结和阐述了月尘的几何特性、化学特性、物理特性和力学特性。根据月尘的基本性质，各种类型的模拟月尘被研制出来，其中重点介绍了NASA研制的JSC月海系列和NULHT高地系列模拟月尘的制备方法和性质。高质量的模拟月尘可以应用于表面活化、荷电特性、漂浮特性、附着特性、防除尘技术、资源提取等多个研究领域，为进一步探索月球提供必要的技术储备。

月尘特性；模拟月尘；月球环境；研制

1 引言

在人类探月史上，月尘问题屡屡困扰航天任务的正常实施。据阿波罗任务报告记载［1-6］，陨石撞击、登月舱着陆、月球车行走、宇航员活动等都会引起月尘不同程度的“飞扬”，这些漂浮的月尘很容易粘附在航天服和各种设备表面，影响生命保障系统、热控系统、光学仪表、机械构件等的正常运作。曾踏上月球表面的阿波罗航天员在回忆他们所见到的月尘时，无不感慨月尘给登月任务实施带来的不便［7］。阿波罗16号航天员约翰·扬曾表示：“月尘是重返月球的头号问题”［8］。阿波罗17号航天员哈里森·施密特也曾提出“月尘是月面活动第一环境麻烦制造者”的论断［9］。

NASA在分析阿波罗登月计划所获得的成果、经验和教训过程中指出，月尘对月面探测活动的干扰是人类重返月球必须解决的重点问题之一［10］。为了加强对月尘的认识，NASA先后发射数颗专门用来观测和研究月球尘埃环境的卫星探测器，以获取大量月尘特性数据［11-14］。另一方面，科研人员利用阿波罗月尘样品研究月尘的性质也取得了丰硕的成果。特别是在月壤表征联合会（LSCC）等NASA附属机构几十年的共同努力下，月尘特性、模拟月尘制备、防除尘技术、原位资源利用（ISRU）等课题得以快速发展［15-17］。

月尘的特殊性质表现在多个方面，本文将其划分为几何特性、化学特性、物理特性以及力学特性四部分内容进行介绍。研究和了解月尘特性的一个重要目的是为了研制出贴近真实月尘的工程用模拟月尘，最终有效地防范其可能带来的危害，并用于指导月球资源的提取、月球基地的建设等。目前研制较为成功的模拟月尘包括NASA的JSC 和NU-LHT系列以及国产的CLDS-1。在分析国内外模拟月尘研制经验的基础上，本文最后展望了模拟月尘研制的重点和难点，希望能为我国模拟月尘的研制提供有价值的建议。

2 月尘特性

2.1 几何特性

几何特性是月尘最基本的属性之一，包含粒度分布和颗粒形貌二方面内容。月尘的几何特性影响月尘的化学活性、荷电特性、漂浮特性、附着特性等，因此认识月尘的几何特性十分重要。

2.1.1 粒度分布

根据研究侧重点的不同，月尘按粒度分为1 mm和20 μm两种［18-20］。

通过对美国阿波罗登月计划采集到的月壤样品进行筛分可初步得到粒径小于1 mm的月尘，其粒度均值在70 μm左右［21］，如图1（a）所示。对1 mm月尘样品进行湿法筛分，可以进一步得到粒径小于20 μm的月尘，其中有约90%的颗粒小于2 μm，中值粒径在0.1～0.4 μm之间，如图1（b）所示。从图中可以看出无论1 mm月尘还是20 μm月尘，不同登月点的月尘粒度分布略有差异，一般表现为月海月尘颗粒较细而高地月尘颗粒略粗。

图1 阿波罗计划取回的月球样品在筛分至月尘级别后的粒度分布图［22-23］Fig.1 The PSD of Lunar dust sieved from Apollo lunar samples［22-23］

2.1.2 颗粒形貌

大多数月尘颗粒表面粗糙、呈不规则形状，少数极细月尘颗粒近似椭球形甚至球形。月尘颗粒的表面因具有大量的气泡、隆起和褶皱等结构，因而比表面积较大，如图2。利用扫描电子显微镜（SEM），可以定量给出包含颗粒细长比、外形复杂度以及气泡含量在内的多种颗粒二维形貌特征［20，24］。统计结果显示，随着月尘粒径的减小，颗粒细长比逐渐增大，外形复杂度不断下降，但表面粗糙度呈现增加趋势［22，25-27］。

图2 不同形貌的20 μm月尘颗粒SEM暗场像［20］Fig.2 Various surface and shape features of 20 μm lunar dust particles via SEM［20］

2.2 化学特性

在月球表面，1 mm月尘的化学性质与月壤相近，而20 μm月尘在矿物组成、化学成分、表面化学活性方面与月壤迥异［28-29］。与几何特性一样，月尘的化学特性同时也是影响月尘其他特性的重要因素。

2.2.1 矿物组成

月尘是细粒月壤，因而月尘主要由非晶质玻璃、斜长石、辉石、橄榄石、钛铁矿、镁铁矿、尖晶石等组成，这些组分通过相互结合，形成不同类型的月尘颗粒［30］。其中胶结质颗粒比较特殊，它是由20%～90%的玻璃与其他岩石碎片、矿物碎屑胶结而成的一种聚集体颗粒，约占月尘总体的30% ～70%［31-32］，见图3（a）。月球物质的组成成分与粒度大小有关，平均来讲20 μm月尘相比1 mm月尘含有更丰富的斜长石、胶结质和纯玻璃成分［33］。而在不同登月地点，同等粒度下月尘的组成成分也不尽相同，高地月尘含有更多的斜长石、胶结质和玻璃，而月海月尘则富集着辉石和橄榄石等深色矿物［34］。

2.2.2 化学成分

月尘中蕴含有地球所有已发现的天然元素，其中KREEP成分（稀土元素REE与钾K、磷P元素合称）含量较普通月壤高［16，29，35-37］。Na和K在月尘中的储量远小于地球尘，且月球上的Fe元素都是以单质Fe0或Fe2+氧化物的形式存在。纳米尺度的Fe0可以影响月尘化学活性、光学特性、磁学特性以及荷电特性等［38-40］，见图3（b）。

月尘化学成分同样具有多样性：1 mm月尘与20 μm月尘不同，月海月尘有别于高地月尘。相同采样点，颗粒粒度愈大，FeO、MgO含量愈高，而相应CaO、Al2O3含量较低。同等粒度下，月海月尘FeO、MgO和Sc元素含量较多，而高地月尘含CaO、Al2O3、Na2O更多，如图4所示。

图3 月尘胶结质颗粒Fig.3 Lunar agglutinate particle

图4 月尘化学成分的影响因素Fig.4 Factors influencing the lunar dust chemistry

2.2.3 表面化学活性

月尘有一股“火药味”，这种现象与月尘具有强烈的表面活性有关，而这种活性可能会对人体和材料造成不良影响［42］。生物毒性是月尘几何特性和化学活性综合作用下的人体表象，阿波罗航天员曾因月尘接触眼睛、喉咙黏膜和皮肤等导致发炎和过敏症状［28］。与地球尘相似的是，愈细小的月尘愈容易进入人体内部，并通过机械作用造成人体器官的急性或慢性损伤。比地球尘更糟糕的是，由于月球空间中不存在气体、有机物的附着，月尘颗粒表面非常“干净”，这使得颗粒表面的纳米铁颗粒、悬挂分子键、缺陷等直接暴露在外，在一定条件下生成可导致人体细胞氧化损伤的羟基自由基，对人体造成潜在的危害［28，43-44］。另一方面，形状不规则的月尘颗粒比表面积比较大，更会加剧这种危害性［20，45］。因此，真实月尘具有很强化学活性的原因是多方面的。

2.3 物理特性

月尘物理特性包括电、磁、光、热四方面内容，主要由月尘几何特性和化学特性所决定。月球的许多天文现象和月尘问题正是基于月尘所具有的独特的物理性质［46］，研究并掌握它们有助于认识月球环境和防范月尘干扰。

2.3.1 电学特性

月尘的导电率和介电损耗很低，很容易携带和储存电荷。阿波罗月面实验表明月面电阻率高达109～1014Ω·m，平均介电常数2.5。而导电率受环境影响较大，高温、紫外辐射可引起月尘导电率不同程度的提高［32，47-48］。月尘主要有二种荷电方式。月球向光面受紫外辐照影响较大，光电效应致月尘带正电，并产生围绕月球向光面的光电子鞘层［49］。月球背光面太阳风占主导作用，布朗运动活跃的电子很快被中性月尘俘获，月尘由此带上了负电，太阳风阳离子鞘层随之产生。进一步研究表明，影响月尘电性和电荷量的因素主要有成分、粒度、辐射强度、入射光子或电子能量、光电子产率等，它们共同决定月尘的荷电能力［50］。

2.3.2 磁学特性

月球不存在像地球磁场一样的全球性磁场，但这并不意味着月尘不具有磁性。由于含有纳米α铁颗粒，月尘表现出超顺磁的性质，磁化率很高，因而属于强磁性物质［10］。阿波罗月面实验曾检测到粒径小于10 μm的月尘能够被磁铁吸引起来，充分说明磁场的存在可以大大增强月尘的附着能力。地面实验还发现，撤去磁场后的月尘几乎无剩磁，表明月尘剩余磁化强度及矫顽力都比较低，属于软磁性物质。月尘的这种性质可以被用来辅助开发防除尘技术。

2.3.3 光学特性

月尘的光学性质主要是通过遥感观测以及样品分析得到的［15，51］。结果表明，尽管月尘中的10～20 μm部分在光学性质上与月面物质总体最为接近，然而就整体而言，月尘的存在显著影响月面光谱性质，具体表现在三个方面：第一，月尘会引起反射光谱向长波方向移动，导致某些对辐照敏感的光学镜头传回偏红的图像［39，51］；第二，月尘会削弱月面反射光谱强度，造成整体反射率降低；第三，月尘的存在还会影响到月面反射光谱在某些特征吸收波段的衰减［51-52］。月尘对月面光谱的这些细微影响被认为与纳米铁颗粒的存在有关。

2.3.4 热学特性

月球表土的热容量、热导率都比较低，易于附着在热控涂层表面的月尘也不例外。阿波罗舱外实验（EVA）表明，月尘附着并不会影响辐射面的辐射能力，但会单方面增加可见光和紫外线的吸收量。月尘就像一层“棉被”一样，破坏了设备洁净时热辐射与热吸收的平衡。月尘温度快速升高造成热控面散热不力，可能影响电源系统和许多实验装置的正常运转。由于热导率低，月面5 m以下空间的温差非常小，相较于月面300℃的巨大温差而言更适宜人类生存［53］。有关将未来人类月球基地修筑在地下的评估工作已经启动［54］，也许那里才是人类最理想的月球居所。

2.4 力学特性

月尘的力学特性也可称作机械特性，与月壤不同的是，月尘力学特性聚焦在漂浮特性和附着特性二个方面，它们是月尘诸多特性中最综合也是最贴近实用的部分。月尘的漂浮与附着常常紧密相连，它们都是月面探测不可避免的自然现象。

2.4.1 飘浮特性

美国调查者号探测器曾屡次观察到飘浮于月面附近的月尘能够散射太阳光，在特定条件下发生所谓“月面辉光”现象［55-56］。苏联发射的月球探测器，也曾发现漂浮于高空（距月面约100 km处）的少量更加细小的月球尘埃，能够引起另一种发光现象，即“高空光带”现象。

常见有二种机制导致月球尘埃漂浮现象，一种是持续的静电漂浮，另一种是短暂的受激漂浮。静电漂浮是指沉积在月面的携带大量电荷的月尘在电场力的作用下摆脱引力和内聚力的束缚而悬浮起来的现象［57］。此后一些颗粒重新落回月面，而另一些则突破德拜区间（λD）的约束，上升至高空，做类似于弹道轨迹的运动［58］，描述这一过程的理论被称为“喷泉模型”，如图5所示。Colwell等人通过漂浮实验和数值模拟证明了“喷泉模型”的合理性［59］。Collier则更为细致的分析了月尘的局部运动模式，并提出了详细的计算模型［60］。由于月球晨昏线附近的电势梯度大，月尘运动相对密集剧烈［61］，因此辉光现象一般只发生在晨昏线附近。此外，喷泉模型同样也解释了高空存在零星粒径在0.1 μm左右的微粒的原因［62］。月尘的另一种漂浮机制是受激漂浮，即（微）流星体撞击、人为活动等机械作用触发的漂浮现象。与静电漂浮不同的是，受激漂浮主要是靠月尘颗粒的垂直初速度挣脱月球表面［63］。可以预见，当二种漂浮机制同时同地产生且作用叠加时，理论上可以最大化月尘的漂浮能力，造成局部空间中月尘浓度升高、散布范围增大的结果。而这种尘暴环境可能对宇航员和仪器设备产生不利影响。

图5 月尘漂浮运动示意图［58］Fig.5 Illustration of lunar dust motion［58］

2.4.2 附着特性

月尘附着问题是人类遇到的有关月尘的最多也是最棘手的问题之一。据阿波罗任务报告记载，月尘能够附着在所有裸露在月面的物体上，同样也可被航天员带入登月舱内［23］。月尘颗粒细小、质轻且携带大量电荷，在空间干燥洁净的环境中具有很强的范德华力和库伦力吸附能力，月尘的这种强附着特性也间接增强了其对航天材料的磨损破坏性。月尘的附着能力与月尘基本特性相关联，比如愈细小的月尘愈容易发生附着，这与非晶质玻璃颗粒容易携带电荷，其库伦作用显著有关［64］。月尘的附着机理比较复杂，尽管已经取得了一些认识，但人们对于月尘附着特性的了解仍然十分有限，大多数倾向于从地球尘中找寻答案［65-68］。

3 模拟月尘研制现状

月尘分为1 mm与20 μm二种级别，而根据采样点位置的不同又可以划分为月海和高地二种，因而对于模拟月尘研制来讲一般分为四个方向：1 mm月海模拟月尘、1 mm高地模拟月尘、20 μm月海模拟月尘、20 μm高地模拟月尘。在各型模拟月尘研制过程中，主要是参考了阿波罗14、阿波罗16二处登月点月尘的粒度分布和平均成分，因而模拟月尘的种类和型号相对单一，迄今为止只有NASA研制的JSC与NU-LHT二个系列以及中科院研制的CLDS-1，共计6个型号的模拟月尘，如表1所示。从选材方式来看，模拟月尘主要分为全岩样品研制和矿物混合配制二种方式，其中全岩样品研制适合模拟月海月尘，矿物混合配制常见于高地模拟月尘的配制。

表1 国内外模拟月尘型号Table 1 Extant types of lunar dust simulant

模拟月尘中应当包含胶结质成分，这样模拟月尘的特性才能正确体现，相较于真实月尘而言，模拟月尘才具有真实度。目前，模拟月尘胶结质的研制主要有不完全熔融、熔融混合、溶胶凝胶等制备路线。经过制备得到的胶结质颗粒被添加到模拟月尘中，从而使模拟月尘更加接近真实月尘。

3.1 1 mm模拟月尘

1mm模拟月尘制备过程主要包括成分配比、粉碎、筛分、粒度级配等。

3.1.1 JSC-1/1A

JSC-1是美国第一种1 mm模拟月尘，由NASA约翰逊空间中心负责研制生产。它以阿波罗14163号月尘样品为参照标准，模拟低钛月海月尘。JSC-1模拟月尘的初始物质是火山渣，含有天然火山玻璃成分［69-70］。粉碎过程使用了冲击磨设备，将上述初始物质研细至多种粒度级别，通过一系列的级配处理，最终得到符合标准粒度分布的JSC-1模拟月尘，如图6所示。JSC-1粉末的粒径被控制在1 mm以下，并同时保证了良好的粒度分布，中值粒径在70 μm左右。JSC-1的晶相主要包括斜长石、辉石、橄榄石、钛铁矿等，非晶质玻璃相含量约占50%。除Fe元素外，它的化学成分也十分接近14163号月尘样品［70-71］，如表2所示。

图6 JSC-1模拟月尘粒度分布［70］Fig.6 PSD of lunar dust simulant JSC-1［70］

JSC-1的生产规模曾达到13.6 t，但现在已经消耗殆尽，由JSC-1A取而代之［72］。作为JSC-1的替代型号，JSC-1A具有更多更优良的性质。

JSC-1A由NASA马歇尔空间飞行中心和ORBITEC公司联合研制，如图7所示。JSC-1A继承了JSC-1从选材到生产的整个过程，但JSC-1A 比JSC-1更接近真实月尘，原因在于首次添加了人造胶结质颗粒和纳米铁。在月球空间环境影响下，真实月尘含有胶结质和纳米铁。ORBITEC公司以JSC-1A为初始物质［73］，在氢气环境下，利用激光局部加热的方法制备出与真实月尘胶结质相似的不完全熔融颗粒物，并且掺杂有微纳米级铁珠。除了ORBITEC公司的方法外，BAE系统公司的S.Sen等人利用等离子体技术［31］，通过熔融混合的方法也成功制备出含纳米铁的模拟月尘胶结质颗粒。JSC-1A最终产物的中值粒径在99～ 105μm之间，玻璃相和斜长石比重高达86.4%，化学成分与真实月尘接近，见表2。该型模拟月尘的研制成功预计将为NASA月球“原位资源利用ISRU计划”提供支持［74］。

图7 JSC-1A模拟月尘［75］Fig.7 Lunar dust simulant JSC-1A［75］

表2 JSC-1与JSC-1A模拟月尘的化学成分［78］Table 2 Chemical composition of lunar dust simulants JSC-1 and JSC-1A［78］

3.1.2 NU-LHT-1M/2M

为了研究不同地形处月尘对月球探测的影响，NASA马歇尔空间飞行中心与美国地质勘探局USGS开始联合研发高地类型的模拟月尘NULHT系列，并以阿波罗16号月尘样品平均组成为参照标准［76］。根据粒度的不同划分为粗粒（1 cm月壤）、中等粒度（1 mm模拟月尘）和细粒（20 μm模拟月尘）三个级别［77］。其中，NU-LHT-1M和NU-LHT-2M就属于1 mm模拟月尘，如图8所示。

图8 NU-LHT 1 mm模拟月尘Fig.8 NU-LHT 1 mm lunar dust simulants

在初始物质的选择上，NU-LHT-1M与以往各类月球模拟物全岩样品的研制方式不同，它是由多种岩石混合而成，主要包含：苏长岩、斜（方）辉橄榄岩、斜方辉石、钙长石以及一些采石废料。通过对每种岩石进行成分表征和一系列计算工序，可以配比出平均成分接近真实高地月尘的初始物质。这种块状混合物经机械粉碎，可以筛分出颗粒粒径小于1 mm的粉末。全部由岩石粉碎得到的这种粉末是不含天然玻璃成分的，与真实月尘存在一定差距。为此，NASA委托ZAP公司利用改造的等离子体不完全熔融技术制备胶结质颗粒，并利用真空等离子体熔化反应釜（ISSP）制备纯玻璃颗粒，最终达到提高模拟月尘真实度的目的［76］。NU-LHT系列第一代产品NU-LHT-1M含80%的晶体物质（橄榄石、斜长石、辉石），16%的胶结质以及4%的纯玻璃，玻璃相含量仍偏低［76］。此后，NASA与USGS进一步研发出NULHT-1M的改进型号即NU-LHT-2M，不仅将胶结质比重增加至30%，而且还酌量加入多种人工合成的单矿物，这意味着NU-LHT-2M与阿波罗16号高地月尘样品更为相似，其化学成分见表3。NU-LHT-2M作为这一系列的第二代产品已在许多研究领域得到应用［79］。

3.2 20 μm模拟月尘

20 μm模拟月尘的研制过程更为复杂，除了对粉碎方式要求较高外，对筛分后组成成分特别是玻璃相比例的要求也非常严苛，纳米铁的研制也变得更为必要。

表3 NU-LHT-1M与NU-LHT-2M模拟月尘的化学成分［79-81］Table 3 Chemical composition of lunar dust simulants NU-LHT-1M and NU-LHT-2M［79-81］

3.2.1 JSC-1Avf

通过筛分JSC-1A可以进一步得到JSC-1AF和JSC-1Avf二种粒度更细的模拟月尘，其中JSC-1Avf属于20 μm月海模拟月尘［19，82］。为了保证粒度分布的合理性，NASA在筛分20 μm月尘时使用了湿法筛分技术，避免了细小颗粒因为飞扬造成的质量损失。如图9所示，JSC-1Avf中值粒径范围在0.6～0.7 μm之间，小于13 μm的颗粒占总体的90%。JSC-1Avf胶结质和纳米铁的制备沿用了JSC-1A的方法，但是胶结质颗粒在20 μm模拟月尘中的粒度更小，同时比重也更大［19］。包含胶结质颗粒和纳米铁的JSC-1Avf被广泛应用于月尘表面化学活性、磁学特性、光学特性、漂浮特性和附着特性研究等领域［28，43，83］。

图9 JSC-1Avf模拟月尘粒度分布［19］Fig.9 PSD of lunar dust simulant JSC-1Avf［19］

3.2.2 CLDS-1

CLRS-1是由中国科学院地球化学研究所与国家天文台合作研制的低钛月海模拟月壤，初始物质为吉林辉南金川火山灰，制备过程与CAS-1模拟月壤类似。CLDS-1模拟月尘是基于CLRS-1模拟月壤而制备的20 μm模拟月尘，其加工过程使用了磁法分选和行星式球磨破碎技术［84］。由于该产物不含纳米铁，Tang等人［85］利用微波加热技术和磁控溅射技术成功制备出了纳米铁颗粒。CLDS-1的粒度分布如图10所示。CLDS-1模拟月尘主要由玻璃、斜长石、橄榄石、少量的辉石和软铁矿组成，其中玻璃含量在50%以上，其次斜长石占20%～30%，橄榄石含量约为8%。CLDS-1与标准参照14163的化学成分如表4所示。由于CLDS-1中不含胶结质这一月尘重要组成，因此可能在磨损、荷电、漂浮和附着特性方面表现不足。

图10 CLDS-1模拟月尘粒度分布［86］Fig.10 PSD of lunar dust simulant CLDS-1［86］

表4 CLDS-1模拟月尘的化学成分［29，86］Table 4 Chemical composition of lunar dust simulants CLDS-1［29，86］

3.2.3 NU-LHT-1D

NU-LHT-1D是第一种高地类型20 μm级别的模拟月尘，隶属于NU-LHT系列。通过湿法筛分技术，选出NU-LHT-1M颗粒粒径在36 μm以下的部分作为基础材料［77］。再根据真实月尘组成成分的比例关系，将上述ZAP公司研制的胶结质等玻璃相粉末添加到上述不含玻璃相的材料中，最终得到NU-LHT-1D。由于含有较多斜长石和玻璃相，NU-LHT-1D为乳白色，与月球高地高反照率一致。

图11 NU-LHT-1D模拟月尘［75］Fig.11 Lunar dust simulant NU-LHT-1D［75］

4 结论

研究月尘特性具有多方面的意义。首先，掌握月尘特性是抵御月尘威胁，减少设备故障和航天员体力损耗，提高探月任务效率的基础；第二，月尘是空间风化作用的结果，了解月尘特性可以间接认识地球和太阳的演化过程，推断早期地球的大气和地壳构成等；第三，认识月尘特性可以更好的指导模拟月尘的研制，间接服务于地面工程试验项目；第四，月面资源开发利用前景广阔，认识月尘特性可以帮助开发月球资源和建立永久基地［87-88］。不仅月球上有尘埃，所有岩石类星体比如火星表面都存在着粉末状的微尘，有些漂浮在空中，有些则沉积在表面。由此可见，研制模拟月尘具有深远的意义。

本文系统介绍了月尘所具有的各种独特性质，揭示了月尘许多危害和月尘现象的原因。月球所处的空间环境造就了这种性质独特的尘埃颗粒。以月尘基本特性为参照研制的模拟月尘，具有与真实月尘相似的粒度分布、颗粒形貌、矿物组成和化学成分，这些特性是月尘其他特性的基础。模拟月尘目前集中于1 mm月海型、高地型和20 μm月海型、高地型的研制，含胶结质和纳米铁的高真实度模拟月尘也在同步研制当中。

关于月尘特性和模拟月尘的研究涉及众多交叉学科，虽然目前已经取得了一些成果，但仍有很多有价值的研究需要开展。在尚未取得真实月尘样品的背景下，月尘的一些特性可以通过模拟月尘来研究。研究的重点集中在：模拟月尘粒度级配、模拟月尘成分配比、不同粉碎方式和筛分对于月尘成分的影响、模拟月尘胶结质和纳米铁的制备、模拟月尘收集与储存、模拟月尘活化、模拟月尘荷电实验、月尘附着机理与实验研究、月尘漂浮运动的数值模拟等。从长远角度看，有关月尘的研究还应包括：系列化模拟月尘与量产、防除尘技术研究、资源提取与转化以及月尘参与的月球永久基地建设等方面。相信随着未来月球探测活动的不断开展，人们对于月尘的认识会更加深入，许多现存的疑问和猜测将迎刃而解。与此同时，种类丰富且真实度较高的模拟月尘将陆续问世，模拟月尘应用范围不断拓展，这都将推进月球探测进入新的阶段。

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［1］ Apollo 11 Mission Report［R］.NASA Headquarters，1969.

［2］ Apollo 12 Mission Report［R］.NASA Headquarters，1970.

［3］ Apollo 14 Mission Report［R］.NASA Headquarters，1971.

［4］ Apollo 15 Mission Report［R］.NASA Headquarters，1971.

［5］ Apollo 16 Mission Report［R］.NASA Headquarters，1972.

［6］ Apollo 17 Mission Report［R］.NASA Headquarters，1973.

［7］ Lyndon B.Apollo Program Summary Report［R］.Houston，Texas：NASA Johnson Space Center/JSC-09423，1975.

［8］ Gaier J R.The Effects of Lunar Dust on EVA Systems During the Apollo Missions［R］.NASA Glenn Research Center/ TM—2005-213610/REV1，2007.

［9］ Asaravala A.What a Little Moon Dust Can Do［Z］.2005.

［10］ Taylor L A，Schmitt H H，Carrier W D，et al.The lunar dust problem：from liability to asset［C］//1st Space Exploration Conference：Continuing the Voyage of Discovery.AIAA. 2005：184.

［11］ Grun E，Horanyi M，Sternovsky Z.The lunar dust environment［J］.Planetary and Space Science，2011，59（14SI）：1672-1680.

［12］ Delory G T.Electrical phenomena on the Moon and Mars ［C］//Proc.ESA Annual Meeting on Electrostatics，Paper A1.2010.

［13］ Horanyi M，Sternovsky Z，Gruen E，et al.The Lunar Dust EXperiment（LDEX）on the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer（LADEE）Mission［Z］.The Woodlands，Texas：2009.

［14］ Elphic R C，Colaprete A，Horanyi M，et al.First results from NASA's lunar atmosphere and dust environment explorer （LADEE）［J］.2013，53：10.

［15］ Pieters C，Shkuratov Y，Kaydash V，et al.Lunar soil characterization consortium analyses：pyroxene and maturity estimates derived from clementine image data［J］.Icarus，2006，184（1）：83-101.

［16］ Taylor L A，Pieters C，Keller L P，et al.The effects of space weathering on Apollo 17 Mare soils：petrographic and chemical characterization［J］.Meteoritics&Planetary Science，2001，36（2）：285-299.

［17］ Taylor L A，Taylor D.Unique Properties of Lunar Soil Lead to Unexpected ISRU Discoveries［Z］.2007.

［18］ 李蔓，童靖宇，沈志刚，等.模拟月尘制备及其物理和力学性质研究［J］.航天器环境工程，2012（05）：532-535.

Li Man，Tong Jingyu，Shen Zhigang，et al.Preparation and mechanical properties of lunar dust simulant［J］.Spacecraft Environment Engineering，2012（05）：532-535.（in Chinese）

［19］ Park J，Liu Y，Kihm K D，et al.Characterization of lunar dust for toxicological studies i：particle size distribution［J］. Journal of Aerospace Engineering，2008，21（4）：266-271.

［20］ Liu Y，Park J，Schnare D，et al.Characterization of lunar dust for toxicological studies II：texture and shape characteristics［J］.Journal of Aerospace Engineering，2008，21（4）：272-279.

［21］ Carrier，W David III.Lunar soil grain size distribution［J］. The Moon，1973，6（3-4）：250-263.

［22］ Liu Y，Taylor L A.Lunar Dust：Chemistry and Physical Properties and Implications for Toxicity［Z］.2008.

［23］ 张森森，王世杰，李雄耀，等.月尘的性质及危害评述［J］.地球科学（中国地质大学学报）.2013（02）：339-350.

Zhang Sensen，Wang Shijie，Li Xiongyao，et al.Properties and harmfulness of lunar dust：A review［J］.Earth Science （Journal of China University of Geosciences），2013（02）：339-350.（in Chinese）

［24］ Görz H，White E W，Roy R，et al.Particle size and shape distributions of lunar fines by CESEMI［C］//Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.1971，2：2021.

［25］ Mahmood A，Mitchell J K，W.David Carrier I.Particle Shapes of Three Lunar Soil Samples［Z］.NASA，1974.

［26］ Park J S，Liu Y，Kihm K D，et al.Micro-Morphology and Toxicological Effects of Lunar Dust［Z］.League City，Texas：2006.

［27］ Liu Y，Park J，Hill E，et al.Morphology and Physical Characteristics of Apollo 17 Dust Particles［Z］.2006.

［28］ Linnarsson D，Carpenter J，Fubini B，et al.Toxicity of Lunar Dust［J］.Planetary and Space Science，2012，74（1SI）：57-71.

［29］ Laul J C，Papike J J.The lunar regolith-comparative chemistry of the Apollo sites［C］//Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.1980，11：1307-1340.

［30］ 欧阳自远.月球科学概论［M］.北京：中国宇航出版社，2005：157-159.

Ou，Yangziyuan.Introduction to Lunar Science［M］.Beijing：China Astronautic Publishing House，2005：157-159. （in Chinese）

［31］ Sen S，Butts D，Ray C S，et al.Production of high fidelity lunar agglutinate simulant［J］.Advances in Space Research，2011，47：1912-1921.

［32］ Heiken G H，Vaniman D T，French B M.Lunar Sourcebook：a User's Guide to the Moon［M］.Cambridge University Press，1991：296-302.

［33］ Papike J J，Simon S B，Laul J C.The lunar regolith：chemistry，mineralogy，and petrology［J］.Reviews of Geophysics， 1982，20（4）：761-826.

［34］ Taylor L A，Cahill J T，Patchen A，et al.Mineralogical and Chemical Characterization of Lunar Highland Regolith：Lessons Learned From Mare Soils［Z］.Houston，Texas：2001.

［35］ Compston W，Chappell B W，Arriens P A，et al.The chemistry and age of Apollo 11 lunar material［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta Supplement，1970，1：1007.

［36］ Frondel C，Klein Jr C，Ito J，et al.Mineralogical and chemical studies of Apollo 11 lunar fines and selected rocks［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta Supplement，1970，1：445.

［37］ Frondel C，Klein Jr C，Ito J.Mineralogical and chemical data on Apollo 12 lunar fines［C］//Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.1971，2：719.

［38］ Housley R M，Grant R W，Paton N E.Origin and characteristics of excess Fe metal in lunar glass welded aggregates ［C］//Lunar and Planetary Science Conference Proceedings. 1973，4：2737.

［39］ Taylor L A，Pieters C M，Keller L P，et al.Lunar mare soils：space weathering and the major effects of surface-correlated nanophase Fe［J］.Journal of Geophysical Research-Planets，2001，106（E11）：27985-27999.

［40］ Basu A，Nanophase Fe0in lunar soils［J］.Journal of Earth System Science，2005，114（03）：375-380.

［41］ McKay D S，Blacic J D.Workshop on production and uses of simulated lunar materials［C］//Production and Uses of Simulated Lunar Materials.1991，1.

［42］ Cain J R.Lunar Dust：The hazard and astronaut exposure risks ［J］.Earth Moon and Planets，2010，107（1）：107-125.

［43］ Wallace W T，Phillips C J，Jeevarajan A S，et al.Nanophase iron-enhanced chemical reactivity of ground lunar soil［J］. Earth and Planetary Science Letters，2010，295（3-4）：571-577.

［44］ Wallace W T，Taylor L A，Jeevarajan A S.Understanding the reactivity of lunar dust for future lunar missions［J］.2009.

［45］ Liu Y，Schnare D，Park J S，et al.Shape analyses of lunar dust particles for astronaut toxicological studies［C］//Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.2007，38：1383.

［46］ Stubbs T J，Vondrak R R，Farrell W M.Impact of Dust On Lunar Exploration［Z］.Kauai，Hawaii，USA：20055.

［47］ Taylor S R.Review of lunar sourcebook：A user's guide to the moon，by Heiken D.Vaniman，and B.M.French［J］. Icarus.1993，103（1）：159-160.

［48］ Schwerer F C，Nagata T，Fisher R M.Electrical conductivity of lunar surface rocks and chondritic meteorites［J］.Earth，Moon and Planets，1971，2（4）：408-422.

［49］ Abbas M M，Tankosic D，Craven P D，et al.Lunar dust charging by photoelectric emissions［J］.Planetary and Space Science，2007，55（7-8）：953-965.

［50］ Abbas M M，Tankosic D，Craven P D，et al.Lunar dust grain charging by electron impact：complex role of secondary electron emissions in space environments［J］.Astrophysical Journal，2010，718（2）：795-809.

［51］ Pieters C M，Fischer E M，Rode O，et al.Optical effects of space weathering：the role of the finest fraction［J］.Journal of Geophysical Research：Planets，1993，98（E11）：20817-20824.

［52］ 郑永春，欧阳自远，王世杰，等.月壤的物理和机械性质［J］.矿物岩石，2004（4）：14-19.

Zheng Yongchun，Ou，Yangziyuan，Wang Shijie，et al. Physical and mechanical properties of lunar regolith［J］.Journal of Mineralogy and Petrology，2004（4）：14-19.（in Chi-nese）

［53］ Gromov V.Physical and mechanical properties of lunar and planetary soils［J］.Astrophysics and Space Science.1999，236：121-142.

［54］ 邓连印，郭继峰，崔乃刚.月球基地工程研究进展及展望［J］.导弹与航天运载技术，2009（2）：25-30.

Deng Lianyin，Guo Jifeng，Cui Naigang.Progress and prospects of engineering for lunar bases［J］.Missile and Space Vehicle，2009（2）：25-30.（in Chinese）

［55］ Grard R J L，Criswell D R.Horizon-Glow and the Motion of Lunar Dust［M］.Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space，Grard R J L，Springer Netherlands，1973：545-556.

［56］ Rennilson J J，Criswell D R.Surveyor observations of lunar horizon-glow［J］.The Moon，1974，10（2）：121-142.

［57］ Colwell J E，Robertson S，Horanyi M.Dusty plasma dynamics near surfaces in space［R］.NAG3-2136，1998.

［58］ Stubbs T J，Vondrak R R，Farrell W M.A dynamic fountain model for lunar dust［J］.Advances in Space Research，2006，37（1）：59-66.

［59］ Colwell J E，Robertson S R，Horanyi M，et al.Lunar dust levitation［J］.Journal of Aerospace Engineering，2009，22 （1）：2-9.

［60］ Collier M R，Farrell W M，Stubbs T J.The lunar dust pendulum［J］.Advances in Space Research，2013，52（2）：251-261.

［61］ O'Brien B J.Review of measurements of dust movements on the moon during Apollo［J］.Planetary and Space Science，2011，59（14SI）：1708-1726.

［62］ McCoy J E，Criswell D R.Evidence for a high altitude distribution of lunar dust［C］//Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.1974，5：2991-3005.

［63］ Katzan C M，Edwards J L.Lunar dust transport and potential interactions with power system components［R］.NASA Contractor Report 4404，1991.

［64］ Berkebile S，Street K W，Gaier J R.Adhesion between Volcanic Glass and Spacecraft Materials in an Airless Body Environment［Z］.Honolulu，Hawaii：2011.

［65］ Felicetti M A，Piantino F，Coury J R，et al.Influence of removal time and particle size on the particle substrate adhesion force［J］.Brazilian Journal of Chemical Engineering，2008，25（1）：71-82.

［66］ Mizes H，Ott M，Eklund E，et al.Small particle adhesion：measurement and control［J］.Colloids and Surfaces a：Physicochemical and Engineering Aspects，2000，165（1-3）：11-23.

［67］ Salazar-Banda G R，Felicetti M A，Gonçalves J A S，et al. Determination of the adhesion force between particles and a flat surface，using the centrifuge technique［J］.Powder Technology，2007，173（2）：107-117.

［68］ Podczeck F，Newton J M，James M B.Adhesion and friction between powders and polymer or aluminium surfaces determined by a centrifuge technique［J］.Powder Technology，1995，83（3）：201-209.

［69］ 郑永春，王世杰，刘建忠，等.模拟月壤研制的初步设想［J］.空间科学学报，2005（01）：70-75.

Zheng Yongchun，Wang Shijie，Liu Jianzhong，et al.A review and prospect for lunar soil simulants［J］.Journal of Space Science，2005（01）：70-75.（in Chinese）

［70］ McKay D S，Carter J L，Boles W W，et al.JSC-1：A new lunar soil simulant［J］.Engineering，construction，and operations in space IV，1994，2：857-866.

［71］ Liu Y，Taylor L A.Characterization of lunar dust and a synopsis of available lunar simulants［J］.Planetary and Space Science，2011，59（14SI）：1769-1783.

［72］ Rickman D，Mclemore C，Fikes J.Characterization Summary of JSC-1A Bulk Lunar Mare Regolith Simulant［Z］.NASA，2007.

［73］ Gustafson R J，Gustafson M A，White B C.Process to Create Simulated Lunar Other Publications Agglutinate Particles［P］. 12/017，681.

［74］ Gustafson R，White B，Gustafson M，et al.Development of High-Fidelity Lunar Regolith Simulants with Agglutinates ［Z］.Huntsville，AL：Orbitec，2007.

［75］ Mclemore C.The Need for Lunar Simulants［Z］.Houston，Texas：MSFC，NASA，2009.

［76］ Stoeser D，Wilson S，Rickman D.Design and specifications for the highland regolith prototype simulants NU-LHT-1M and -2M［R］.NASA/TM—2010-216438，2010.

［77］ Stoeser D，Wilson S，Weinstein M，et al.The LHT（Lunar Highlands Type）regolith simulant series［C］//National Geological Society of America Conference.2008.

［78］ Orbitec.JSC-1A Production and Distribution Updates［Z］. Madison，WI：Orbitec，2007.

［79］ Material Safety Data Sheet：NU-LHT-2M［Z］.Denver，CO：U.S.Geological Survey，Denver Federal Center，2008.

［80］ Stoeser D，Wilson S.NU-LHT-1M：Pilot Highlands Soil Simulant［Z］.Denver，CO：U.S.Geological Survey.

［81］ Schrader C，Rickman D，Mclemore C，et al.Extant and Extinct Lunar Regolith Simulants Modal Analyses of NU-LHT-1M and 2M，OB-1，JSC-1，JSC-1A and 1AF，FJS-1，and MLS-1［Z］.Montreal，Quebec：BAE Systems，MSFC NASA，USGS，Intellection Ltd.，2008.

［82］ Wallace W T，Taylor L A，Liu Y，et al.Lunar dust and lunar simulant activation and monitoring［J］.Meteoritics&Planetary Science，2009，44（7）：961-970.

［83］ Liu Y，Taylor L A，Thompson J R，et al.Unique properties of lunar impact glass：nanophase metallic Fe synthesis［J］. American Mineralogist，2007，92（8-9）：1420-1427.

［84］ 张森森，李雄耀，冯俊明，等.行星式球磨破碎CLRS-1模拟月壤的粒度分布特征［J］.矿物岩石地球化学通报，2014（1）：65-70.

Zhang Sensen，Li Xiongyao，Feng Junming，et al.Particle size distribution characteristics of CLRS-1 lunar soil simulant processed by aplanetary ball mill［J］.Bulletin of Mineralogy，Petrology and Geochemistry，2014（1）：65-70.（in Chinese）

［85］ Tang H，WangS，LiX.Experimentalsimulationof nanophase iron production in lunar space weathering［C］// Lunar and Planetary Science Conference Proceedings.2010，41：1041.

［86］ 张森森，王世杰，李雄耀.CLDS-1模拟月尘的基本特征［C］//第十届全国月球科学与比较行星学陨石学与天体化学学术研讨会会议论文集，2012.

Zhang Sensen，Wang Shijie，Li Xiongyao.Characterization of Lunar Dust Simulant CLDS-1［C］//The 10th Chinese Conference of Lunar Science，Comparative Planetology，Meteorites and Cosmochemistry，2012.（in Chinese）

［87］ Taylor L A，Meek T T.Microwave sintering of lunar soil：properties，theory，and practice［J］.Journal of Aerospace Engineering，2005，18（3）：188-196.

［88］ Crawford I A，Anand M，Cockell C S，et al.Back to the Moon：the scientific rationale for resuming lunar surface exploration［J］.Planetary and Space Science，2012，74（1SI）：3-14.

Properties of Lunar Dust and Research Status of Its Simulants

SUN Hao，SHEN Zhigang，ZHANG Xiaojing，MA Shulin
（Beijing Key Lab.for Powder Technology Research and Development，School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Lunar dust problem is one of the key problems need to be solved for the future lunar exploration projects.Researching on the properties of lunar dust and its simulants can help to understand lunar dusty environment as well as to solve those particle-induced problems.Affected by the complicated space environment，fine powder on the moon displays unique characters including the geometrical feature，the chemical property，the physical property，and the mechanical behavior.Based on its fundamental properties，various types of lunar dust simulants have been prepared.This paper mainly introduced the NASA's JSC mare and the NU-LHT highland lunar dust simulants.High quality lunar dust simulants can be applied to several research fields，such as surface activation，charging，floating，adhesion，dust prevention or removal techniques，resource extraction，etc.All these would provide technical support and promote the future lunar exploration to some extent.

lunar dust properties；lunar dust simulants；lunar environment；development

P184

A

1674-5825（2015）06-0642-11

2015-04-27；

2015-10-09

载人航天预先研究项目（060402）

孙 浩（1989-），男，博士研究生，研究方向为微纳米材料制备与应用技术、空间环境及其防护。E-mail：hello_sunhao@aliyun.com