月尘累积特性测量技术研究与应用

邹昕邓湘金王鷁顾征陈丽平

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

（2兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

月尘累积特性测量技术研究与应用

邹昕1邓湘金1王鷁2顾征1陈丽平1

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

（2兰州空间技术物理研究所，兰州 730000）

月尘是月球环境对月球探测器影响中的一个重要因素。文章针对月表的自然环境和月尘累积特性分布机理，开展对月尘累积特性的测量技术研究，提出了采用黏性石英晶体微量天平（SQCM）和太阳电池短路电流两种测量方法，分别测量月表自然悬浮月尘的累积特性和着陆月表时扬起的月尘量，并在此基础上设计了月尘测量系统。该测量系统包括SQCM探头、太阳电池探头和电控箱，地面标定试验结果验证了其设计的可行性。此测量系统成功应用于嫦娥三号月球探测任务中，并实现了月尘累积特性的在轨原位测量。

月球探测器；月尘；累积特性测量；黏性石英晶体微量天平；太阳电池

1 引言

覆盖在月表的月尘主要是由流星体撞击形成的。在月球的低重力（地球的1/6）和近乎真空的条件下，月尘很容易因静电或航天器着陆及起飞、航天员行走、月球车行驶而悬浮在空中。月尘具有带静电和黏性的特点，因而更容易粘附于月球探测器表面产生污染，影响月球探测仪器的功能。月尘产生的负面效应包括阻塞舱外活动部件的闭锁装置和仪器盖，隔离表面的热传递，引起光学性能、太阳吸收率和红外发射率的降低，以及影响太阳电池和散热器的工作等［1-4］。

国内外对月尘累积特性的研究都集中在理论建模和仿真计算上，获得了一些分析结果，但从未开展过月尘累积特性的在轨实测。如NASA的阿波罗-11飞船携带1台月球粉尘探测器（LDD），探测到太阳电池阵由于月尘累积出现输出功率减小的现象，之后在地面进行建模分析，推算出月尘累积特性［5-6］。1996年，NASA的“火星探路者”（Mars Pathfinder）着陆火星，是人类首次开展地外天体尘埃环境特性探测工作。其“旅居者”（Sojourner）火星车上搭载的火星太阳电池验证试验装置（MAE），利用太阳电池在火星尘埃环境中的电流输出效率数据，分析了尘埃遮蔽与输出电流的关系［7-8］。2004年，ESA的“罗塞塔”（Rosetta）彗星探测器，携带颗粒碰撞分析及灰尘累积质量测量仪（GIADA），装有5个不同角度的石英晶体微量天平（QCM）探头，用于测量不同视场的亚微米级的粒子累积质量和不同方向的粒子质量流［9-10］。ESA基于QCM技术开展了星际尘埃环境的探测工作，但因使用环境和测量对象不同，不能直接应用于月尘探测。

本文针对月表的自然环境和月尘累积特性分布机理，提出应用黏性石英晶体微量天平（SQCM）方法开展月表自然悬浮月尘累积特性的测量，再采用太阳电池短路电流方法开展着陆月表时扬起月尘累积质量的测量；利用上述两种方法设计了月尘测量系统，并验证了其可行性。

2 月尘累积特性测量方法

2.1 SQCM方法

QCM测量作为微量分子污染物监测手段，已得到广泛应用［11］。此方法具有以下特点：①可监测微小质量的分子沉积和粒子沾染；②高灵敏度，能精确反映微小颗粒分子在单位时间、单位面积上的沉积质量；③测量仪器的体积和质量小，功耗低，适于空间应用。不过，由于月球的低重力和近乎真空的环境等影响，自然悬浮的月尘下降速度小，月尘与电极表面的结合力达不到分子结合力的强度，不会改变晶振固有振荡频率，不满足石英晶体的测量原理，从而无法采用QCM方法实现测量。为此，本文提出SQCM方法，如图1所示，在石英晶体电极表面涂覆一层黏性薄膜材料，增加电极表面与月尘的结合力，月尘沉积在电极表面上，导致其谐振频率降低，通过频率变化与月尘质量间的关系来测量月尘累积特性。

图1 SQCM测量原理示意Eig.1 Schematic sketch of SQCM

QCM测量物质质量时，石英晶体内的行波在晶体表面之间反射，形成驻波，其谐振频率的基频为

式中：f为石英晶体的谐振频率；v为石英晶体内行波的传播速度；h为晶体厚度。

当晶体上沉积物为均匀、刚性膜时，在一定范围内，其质量增加与厚度的增加成正比，即满足Sauerbrey方程，因此有

式中：Δf为晶体的频率变化值；ρC为石英晶体的密度；M为沉积物质量；s为晶体面积。

当晶体被涂上黏性薄膜测量月尘时，在一定范围内，其质量增加与厚度的增加仍成正比，晶体的频率变化和月尘累积质量mC之间的关系可表示为

式中：Sf为质量敏感系数，不能由理论计算得到，是SQCM探头标定的核心所在。

2.2 太阳电池短路电流方法

着陆器着陆月表时扬起的月尘与月表自然悬浮月尘的累积特性不同，而且受月表环境大温差等因素影响，因此无法采用SQCM方法测量。而太阳电池环境适应性强，且已用于在轨测量火星尘埃环境，为此，本文提出采用太阳电池短路电流方法探测着陆月表时扬起的月尘累积质量。

太阳电池短路电流方法主要基于微小颗粒在太阳电池表面累积后，产生遮挡太阳光线效应，引起其光电输出功率变化这一特点，通过外接一个精密电阻，测量输出电流的变化，间接推算累积微小颗粒的质量。太阳电池传感器结构简单，体积和质量小，功耗低，性能可靠，量程较大，不需要提供额外的温控，可长时间在月表环境中工作。缺点是间接推算，测量精度相对较低，不过在此可以接受。

月尘覆盖在太阳电池表面，对太阳光形成遮挡，使其接收到的光强降低，导致电流输出性能下降。假定着陆扬起的月尘具备以下特征：①形状尺寸一致；②密度均为ρD；③对光的吸收率均为γ；④累积的月尘均匀分布在太阳电池表面。经推导，太阳电池累积月尘的光线相对透过率为

式中：τ1为入射光强；τ2为透射光强；mS为累积在太阳电池的月尘质量；d为月尘直径；A为太阳电池面积。

由式（4）可以看到，累积月尘的光线相对透过率与其质量之间存在负指数关系。对于符合一定尺寸和密度统计分布的月尘来说，可以找到一个近似描述累积月尘造成的光线透过率下降的系数α，使其相对透过率基本符合以下关系。

太阳电池阵的短路电流ISC等于光电转换电流，与入射光强成正比，且在同一太阳入射角下，受温度影响较小，可以忽略不计。月尘覆盖在太阳电池表面，引起入射光强的降低，导致ISC减小。在入射光强一定的情况下，ISC正比于太阳电池上累积月尘的光线相对透过率。因此，太阳电池短路电流ISC与月尘累积质量mS之间也存在负指数关系，可表示为

依据以上关系，可获得短路电流随月尘累积质量衰减的曲线，从而用来测量月尘的累积质量。

3 月尘测量系统设计

月尘测量系统采用SQCM和太阳电池短路电流两种测量方法，充分发挥SQCM测量精度高，以及太阳电池量程宽和环境适应性好的优点，达到测量月尘累积特性的探测目标。月尘测量系统由SQCM探头、太阳电池探头和电控箱3个部分组成。SQCM探头用于测量月表自然悬浮月尘累积质量，太阳电池探头用于测量着陆器着陆月表时扬起的月尘累积质量，电控箱负责对2个测量探头供电、控制和数据管理。月尘测量系统的原理框图如图2所示。

图2 月尘测量系统原理框图Eig.2 Schematic diagram of lunar dust measuring system

3.1 SQCM探头

SQCM探头（见图3）主要由SQCM、晶振电路、防尘盖打开机构、位置传感器和电路接口组成。其中，SQCM包括测量石英晶体、参考晶体、支撑结构、黏性薄膜和测温元件等，核心部件是石英晶体。黏性材料制成的薄膜涂敷于石英晶体的电极表面，粘附沉积到表面的月尘，使其与石英晶体一体振动。满足月表环境的黏性材料的选择和制备技术非常关键。经过黏性薄膜结合力分析，选用真空性能稳定的Apiezon H高真空脂作为黏性薄膜的材料，采用溶胶凝胶的方法制备黏性薄膜。黏性薄膜进行了热真空高低温出气试验，其质损（TML）＜5‰，可凝挥发物（CVCM）＜0.1%，在进行了粘贴性测试后仍满足测量的要求。

图3 SQCM探头结构和装配示意Eig.3 Structure and assembly sketch of SQCM probe

3.2 太阳电池探头

太阳电池探头（见图4）由砷化镓太阳电池片、安装支架和电路接口组成。选用30 mm×40 mm砷化镓太阳电池片（输出电流的变化范围为0～190 mA）作为太阳电池探头的传感器，对太阳电池片的铝片进行绝缘处理，安装在太阳电池探头的Kapton薄膜上表面，加玻璃盖片。在月表环境中，有诸多方面因素引起太阳电池光电输出功率变化，如高能电子、质子和紫外辐照。玻璃盖片经过地面辐照处理，对高能电子、质子有一定防护作用，能过滤掉大部分太阳紫外辐照，使得所测的太阳电池输出电流的衰减主要由月尘累积引起。

图4 太阳电池探头结构示意Eig.4 Structure sketch of solar cell probe

3.3 电控箱

电控箱（见图5）由3块电路板、相关控制软件和电路接口组成。3块电路板包括：电源模块构成的电源板；电流采集和转换模块与频率采集模块构成的模数转换板；控制模块和通信模块构成的控制板。该电控箱包含一个内嵌软件，负责数据采集、处理、存储、通信和工作状态控制。

图5 电控箱原理框图Eig.5 Schematic diagram of electric cabinet

4 地面标定试验

地面标定试验的作用在于：①是保证测量的精度；②在轨测量数据的反演，分析得出月尘影响数据。

4.1 试验装置、项目和方法

地面模拟试验装置如图6所示。地面标定试验项目和方法如表1所示。

图6 地面模拟试验装置示意Eig.6 Sketch of test ground simulation test facility

表1 地面标定试验的项目和方法Table 1 Items and methods of ground calibration test

4.2 试验结果

在大量地面试验分析的基础上，得到SQCM探头频率变化与月尘累积质量的测试数据，通过大量温度变化试验并进行拟合后，获得SQCM探头频率与月尘累积质量的关系曲线，以及温度引起频率漂移的关系曲线，见图7和图8。

由图7可知，频率变化为20 835 Hz，对应的月尘累积质量为0.13 mg/cm2，因此可得到SQCM探头的最大量程为1.290×10-4g/cm2，此外，质量敏感系数Sf（Hz·cm2/g）为斜率5.643 5×10-9的倒数，在空载试验中，最大频率变化为48 Hz，可得到SQCM探头的最小分辨率为2.706×10-7g/cm2。由图8可知，不同次的试验得到的试验数据一致性较好，可以按照该频率漂移与温度关系去修正在轨测量数据。

将若干不同月尘累积质量的玻璃盖片覆盖到太阳电池上，分别测量太阳电池的短路电流。同时，测量太阳电池探头在同一月尘累积质量下，不同太阳入射角时的太阳电池短路电流，通过对测试数据进行非线性拟合，获取垂直入射角下太阳电池探头短路电流与月尘累积质量的关系曲线，以及一定月尘累积质量下太阳入射角引起短路电流偏差的关系曲线，见图9和图10。

图7 SQCM探头频率与月尘累积质量的关系曲线Eig.7 Relation curve of frequency between dust accumulation mass for SQCM probe

图8 温度引起频率漂移的关系曲线Eig.8 Relation curve of frequency drift by temperature

图10 一定月尘累积质量下太阳入射角引起短路电流偏差的关系曲线Eig.10 Relation curve of short-circuit current deviation by solar incident angle in a given dust accumulation mass

由图9可知，太阳电池表面空载时，短路电流为0.198 6 A；月尘累积质量为8.42×10-5g/cm2时，短路电流为0.194 1 A，减小0.004 5 A；月尘累积质量为5.72×10-3g/cm2时，短路电流为0.054 8 A，减小0.143 8 A。由图10可以得到，当太阳入射角小于50°时，太阳电池短路电流几乎没有偏差，即太阳电池短路电流与太阳入射角满足余弦关系；当太阳入射角大于50°时，随着入射角的增大，太阳电池短路电流偏差越大，按照此太阳电池短路电流偏差与太阳入射角关系去修正在轨测量数据。

试验结果表明，采用SQCM和太阳电池短路电流两种测量方法，可以分别探测月表自然悬浮月尘累积质量和着陆月表时扬起的月尘累积质量。

5 结束语

本文基于月尘累积特性的测量技术，提出了SQCM和太阳电池短路电流两种测量方法，设计了月尘测量系统，并用地面标定试验验证了此测量系统的可行性。该月尘测量系统于2013年12月2日随嫦娥三号探测器发射成功，并在探测器地月转移段第2次中途轨道修正后第1次开机工作，完成在轨标定，获取了太阳电池探头短路电流的初始参考值。在轨遥测数据显示，月尘测量系统在轨工作良好，状态稳定。12月15日，月尘测量系统正式在轨开机工作，太阳电池探头首次开展着陆器着陆月表时扬起月尘的测量，并向地面传回第1批探测数据。经数据反演和分析，太阳电池探头测量到的扬起月尘累积质量比“阿波罗”飞船公布的月尘累积质量（1×10-3g/cm2）小，与预计结果一致。2月16日，SQCM探头防尘盖打开，正式开始为期1年的月表自然悬浮月尘累积质量的在轨原位测量任务。经数据反演和分析，SQCM探头测量到的月尘累积质量在测量范围内（2.706×10-7～1.290×10-4g/cm2），并且随着测量时间的延长逐渐增加。月尘测量系统获得的1年月尘累积质量实测结果，与美国根据“阿波罗”飞船测量数据结合地面试验得出的分析结果一致性较好，从而验证了测量技术的可行性。

本文研究的测量技术，还可应用于后续的载人登月月尘测量，以及未来的火星、行星际尘埃环境及空间微小尘埃探测，也可为我国后续探月设备的月尘防护提供设计依据。基于此测量技术，按照任务需求对月尘静电带电特性等方面进行扩展测量，可为人类进一步了解月尘提供技术支持。

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［1］Taylor L A，Mc Kay D S，Carrier W D III，et al.The nature of lunar soil：considerations for stimulants［R］.Colorado：Space Resources Roundtable VI，2004

［2］Gaier J R.The effects of lunar dust on EVA systems during the Apollo missions，NASA/TM-2005-213610［R］.Washington D.C.：NASA，2005

［3］Ronald C A.The effects of lunar dust on advanced EVA systems：lesions from Apollo［R］.Kauapi，Hawaii：HICSS，2005

［4］姚日剑，王先荣，王鷁.月球粉尘的研究现状［J］.航天器环境工程，2008，25（6）：512-515 Yao Rijian，Wang Xianrong，Wang Yi.A review on lunar dust researches［J］.Spacecraft Environment Engineering，2008，25（6）：512-515（in Chinese）

［5］T J Stubbs，R R Vondrak，W M Earrell.Impact of lunar dust on the exploration initiative，NASA 20050176031［R］.Washington D.C.：NASA，2005

［6］Katzan C M，Edwards J L.Lunar dust transport and potential interactions with power system components，NASA-LeRC CR-4404［R］.Washington D.C.：NASA，1991

［7］Geoffrey A Landis，Phillip P Jenkins.Dust on Mars：materials adherence experiment results from Mars Pathfinder［C］//Proceedings of the 26th IEEE Photovoltaie Specialism Conference.New York：IEEE，1997：865-869

［8］Landis G A.Dust obscuration of Mars solar array［J］.Acta Astronautica，1996，38（11）：885-891

［9］Roques E，Moncuquet M.A detection method for small kuiper belt obiects［J］.The Search for Stellar Occuhations，2000，147（2）：530-544

［10］Esposito E，Colangeli L，Corte V D，et al.Physical aspect of an“impact sensor”for the detection of cometary dust momentum onboard the“Rosetta”space mission［J］.Advances in Space Research，2002，29（8）：1159-1163

［11］Susmel S，O Sullivan C K，Guilbault G G.Human cytomegalovirus detection by a quartz crystal microbalance immunosensor［J］.Enzyme Microb Technol，2000，27（9）：639-645

（编辑：夏光）

Research and Application of Measurement Technology for Lunar Dust Accumulation Characteristic

ZOU Xin1DENG Xiangjin1WANG Yi2GU Zheng1CHEN Liping1
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou 730000，China）

The lunar dust is an indispensable factor of lunar environment impact to lunar explorer.Eor the natural environment of lunar surface and distribution mechanism of lunar dust accumulation characteristic，the measurement technology of lunar dust accumulation characteristic is researched.The two measurement methods of SQCM（sticky quartz crystal microbalance）and solar cell short current are presented，which detect the lunar dust accumulation naturally suspended on the lunar surface and the lunar dust caused by the lunar lander landing respectively.Based on the measurement technology，the lunar dust measuring system is developed.This measurement system includes SQCM probe，solar cell probe and electric cabinet.The feasibility is verified by the results of ground calibration test of the system.The measurement system is successfully applied to Chang'e-3 lunar exploration mission.And the on-orbit in situ measurement of lunar dust accumulation characteristic is achieved.

lunar explorer；lunar dust；accumulation characteristic measurement；sticky quartz crystal microbalance；solar cell

V476.3

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.004

2014-10-31；

2015-01-09

国家重大科技专项工程

邹昕，女，工程师，从事航天器总体设计及有效载荷总体设计工作。Email：zouxin501@163.com。