月塵累積特性測量技術(shù)研究與應(yīng)用

鄒昕鄧湘金王鷁顧征陳麗平

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

（2蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

月塵累積特性測量技術(shù)研究與應(yīng)用

鄒昕1鄧湘金1王鷁2顧征1陳麗平1

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

（2蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

月塵是月球環(huán)境對月球探測器影響中的一個重要因素。文章針對月表的自然環(huán)境和月塵累積特性分布機理，開展對月塵累積特性的測量技術(shù)研究，提出了采用黏性石英晶體微量天平（SQCM）和太陽電池短路電流兩種測量方法，分別測量月表自然懸浮月塵的累積特性和著陸月表時揚起的月塵量，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了月塵測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)包括SQCM探頭、太陽電池探頭和電控箱，地面標(biāo)定試驗結(jié)果驗證了其設(shè)計的可行性。此測量系統(tǒng)成功應(yīng)用于嫦娥三號月球探測任務(wù)中，并實現(xiàn)了月塵累積特性的在軌原位測量。

月球探測器；月塵；累積特性測量；黏性石英晶體微量天平；太陽電池

1 引言

覆蓋在月表的月塵主要是由流星體撞擊形成的。在月球的低重力（地球的1/6）和近乎真空的條件下，月塵很容易因靜電或航天器著陸及起飛、航天員行走、月球車行駛而懸浮在空中。月塵具有帶靜電和黏性的特點，因而更容易粘附于月球探測器表面產(chǎn)生污染，影響月球探測儀器的功能。月塵產(chǎn)生的負面效應(yīng)包括阻塞艙外活動部件的閉鎖裝置和儀器蓋，隔離表面的熱傳遞，引起光學(xué)性能、太陽吸收率和紅外發(fā)射率的降低，以及影響太陽電池和散熱器的工作等［1-4］。

國內(nèi)外對月塵累積特性的研究都集中在理論建模和仿真計算上，獲得了一些分析結(jié)果，但從未開展過月塵累積特性的在軌實測。如NASA的阿波羅-11飛船攜帶1臺月球粉塵探測器（LDD），探測到太陽電池陣由于月塵累積出現(xiàn)輸出功率減小的現(xiàn)象，之后在地面進行建模分析，推算出月塵累積特性［5-6］。1996年，NASA的“火星探路者”（Mars Pathfinder）著陸火星，是人類首次開展地外天體塵埃環(huán)境特性探測工作。其“旅居者”（Sojourner）火星車上搭載的火星太陽電池驗證試驗裝置（MAE），利用太陽電池在火星塵埃環(huán)境中的電流輸出效率數(shù)據(jù)，分析了塵埃遮蔽與輸出電流的關(guān)系［7-8］。2004年，ESA的“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測器，攜帶顆粒碰撞分析及灰塵累積質(zhì)量測量儀（GIADA），裝有5個不同角度的石英晶體微量天平（QCM）探頭，用于測量不同視場的亞微米級的粒子累積質(zhì)量和不同方向的粒子質(zhì)量流［9-10］。ESA基于QCM技術(shù)開展了星際塵埃環(huán)境的探測工作，但因使用環(huán)境和測量對象不同，不能直接應(yīng)用于月塵探測。

本文針對月表的自然環(huán)境和月塵累積特性分布機理，提出應(yīng)用黏性石英晶體微量天平（SQCM）方法開展月表自然懸浮月塵累積特性的測量，再采用太陽電池短路電流方法開展著陸月表時揚起月塵累積質(zhì)量的測量；利用上述兩種方法設(shè)計了月塵測量系統(tǒng)，并驗證了其可行性。

2 月塵累積特性測量方法

2.1 SQCM方法

QCM測量作為微量分子污染物監(jiān)測手段，已得到廣泛應(yīng)用［11］。此方法具有以下特點：①可監(jiān)測微小質(zhì)量的分子沉積和粒子沾染；②高靈敏度，能精確反映微小顆粒分子在單位時間、單位面積上的沉積質(zhì)量；③測量儀器的體積和質(zhì)量小，功耗低，適于空間應(yīng)用。不過，由于月球的低重力和近乎真空的環(huán)境等影響，自然懸浮的月塵下降速度小，月塵與電極表面的結(jié)合力達不到分子結(jié)合力的強度，不會改變晶振固有振蕩頻率，不滿足石英晶體的測量原理，從而無法采用QCM方法實現(xiàn)測量。為此，本文提出SQCM方法，如圖1所示，在石英晶體電極表面涂覆一層黏性薄膜材料，增加電極表面與月塵的結(jié)合力，月塵沉積在電極表面上，導(dǎo)致其諧振頻率降低，通過頻率變化與月塵質(zhì)量間的關(guān)系來測量月塵累積特性。

圖1 SQCM測量原理示意Eig.1 Schematic sketch of SQCM

QCM測量物質(zhì)質(zhì)量時，石英晶體內(nèi)的行波在晶體表面之間反射，形成駐波，其諧振頻率的基頻為

式中：f為石英晶體的諧振頻率；v為石英晶體內(nèi)行波的傳播速度；h為晶體厚度。

當(dāng)晶體上沉積物為均勻、剛性膜時，在一定范圍內(nèi)，其質(zhì)量增加與厚度的增加成正比，即滿足Sauerbrey方程，因此有

式中：Δf為晶體的頻率變化值；ρC為石英晶體的密度；M為沉積物質(zhì)量；s為晶體面積。

當(dāng)晶體被涂上黏性薄膜測量月塵時，在一定范圍內(nèi)，其質(zhì)量增加與厚度的增加仍成正比，晶體的頻率變化和月塵累積質(zhì)量mC之間的關(guān)系可表示為

式中：Sf為質(zhì)量敏感系數(shù)，不能由理論計算得到，是SQCM探頭標(biāo)定的核心所在。

2.2 太陽電池短路電流方法

著陸器著陸月表時揚起的月塵與月表自然懸浮月塵的累積特性不同，而且受月表環(huán)境大溫差等因素影響，因此無法采用SQCM方法測量。而太陽電池環(huán)境適應(yīng)性強，且已用于在軌測量火星塵埃環(huán)境，為此，本文提出采用太陽電池短路電流方法探測著陸月表時揚起的月塵累積質(zhì)量。

太陽電池短路電流方法主要基于微小顆粒在太陽電池表面累積后，產(chǎn)生遮擋太陽光線效應(yīng)，引起其光電輸出功率變化這一特點，通過外接一個精密電阻，測量輸出電流的變化，間接推算累積微小顆粒的質(zhì)量。太陽電池傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積和質(zhì)量小，功耗低，性能可靠，量程較大，不需要提供額外的溫控，可長時間在月表環(huán)境中工作。缺點是間接推算，測量精度相對較低，不過在此可以接受。

月塵覆蓋在太陽電池表面，對太陽光形成遮擋，使其接收到的光強降低，導(dǎo)致電流輸出性能下降。假定著陸揚起的月塵具備以下特征：①形狀尺寸一致；②密度均為ρD；③對光的吸收率均為γ；④累積的月塵均勻分布在太陽電池表面。經(jīng)推導(dǎo)，太陽電池累積月塵的光線相對透過率為

式中：τ1為入射光強；τ2為透射光強；mS為累積在太陽電池的月塵質(zhì)量；d為月塵直徑；A為太陽電池面積。

由式（4）可以看到，累積月塵的光線相對透過率與其質(zhì)量之間存在負指數(shù)關(guān)系。對于符合一定尺寸和密度統(tǒng)計分布的月塵來說，可以找到一個近似描述累積月塵造成的光線透過率下降的系數(shù)α，使其相對透過率基本符合以下關(guān)系。

太陽電池陣的短路電流ISC等于光電轉(zhuǎn)換電流，與入射光強成正比，且在同一太陽入射角下，受溫度影響較小，可以忽略不計。月塵覆蓋在太陽電池表面，引起入射光強的降低，導(dǎo)致ISC減小。在入射光強一定的情況下，ISC正比于太陽電池上累積月塵的光線相對透過率。因此，太陽電池短路電流ISC與月塵累積質(zhì)量mS之間也存在負指數(shù)關(guān)系，可表示為

依據(jù)以上關(guān)系，可獲得短路電流隨月塵累積質(zhì)量衰減的曲線，從而用來測量月塵的累積質(zhì)量。

3 月塵測量系統(tǒng)設(shè)計

月塵測量系統(tǒng)采用SQCM和太陽電池短路電流兩種測量方法，充分發(fā)揮SQCM測量精度高，以及太陽電池量程寬和環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點，達到測量月塵累積特性的探測目標(biāo)。月塵測量系統(tǒng)由SQCM探頭、太陽電池探頭和電控箱3個部分組成。SQCM探頭用于測量月表自然懸浮月塵累積質(zhì)量，太陽電池探頭用于測量著陸器著陸月表時揚起的月塵累積質(zhì)量，電控箱負責(zé)對2個測量探頭供電、控制和數(shù)據(jù)管理。月塵測量系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 月塵測量系統(tǒng)原理框圖Eig.2 Schematic diagram of lunar dust measuring system

3.1 SQCM探頭

SQCM探頭（見圖3）主要由SQCM、晶振電路、防塵蓋打開機構(gòu)、位置傳感器和電路接口組成。其中，SQCM包括測量石英晶體、參考晶體、支撐結(jié)構(gòu)、黏性薄膜和測溫元件等，核心部件是石英晶體。黏性材料制成的薄膜涂敷于石英晶體的電極表面，粘附沉積到表面的月塵，使其與石英晶體一體振動。滿足月表環(huán)境的黏性材料的選擇和制備技術(shù)非常關(guān)鍵。經(jīng)過黏性薄膜結(jié)合力分析，選用真空性能穩(wěn)定的Apiezon H高真空脂作為黏性薄膜的材料，采用溶膠凝膠的方法制備黏性薄膜。黏性薄膜進行了熱真空高低溫出氣試驗，其質(zhì)損（TML）＜5‰，可凝揮發(fā)物（CVCM）＜0.1%，在進行了粘貼性測試后仍滿足測量的要求。

圖3 SQCM探頭結(jié)構(gòu)和裝配示意Eig.3 Structure and assembly sketch of SQCM probe

3.2 太陽電池探頭

太陽電池探頭（見圖4）由砷化鎵太陽電池片、安裝支架和電路接口組成。選用30 mm×40 mm砷化鎵太陽電池片（輸出電流的變化范圍為0～190 mA）作為太陽電池探頭的傳感器，對太陽電池片的鋁片進行絕緣處理，安裝在太陽電池探頭的Kapton薄膜上表面，加玻璃蓋片。在月表環(huán)境中，有諸多方面因素引起太陽電池光電輸出功率變化，如高能電子、質(zhì)子和紫外輻照。玻璃蓋片經(jīng)過地面輻照處理，對高能電子、質(zhì)子有一定防護作用，能過濾掉大部分太陽紫外輻照，使得所測的太陽電池輸出電流的衰減主要由月塵累積引起。

圖4 太陽電池探頭結(jié)構(gòu)示意Eig.4 Structure sketch of solar cell probe

3.3 電控箱

電控箱（見圖5）由3塊電路板、相關(guān)控制軟件和電路接口組成。3塊電路板包括：電源模塊構(gòu)成的電源板；電流采集和轉(zhuǎn)換模塊與頻率采集模塊構(gòu)成的模數(shù)轉(zhuǎn)換板；控制模塊和通信模塊構(gòu)成的控制板。該電控箱包含一個內(nèi)嵌軟件，負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、通信和工作狀態(tài)控制。

圖5 電控箱原理框圖Eig.5 Schematic diagram of electric cabinet

4 地面標(biāo)定試驗

地面標(biāo)定試驗的作用在于：①是保證測量的精度；②在軌測量數(shù)據(jù)的反演，分析得出月塵影響數(shù)據(jù)。

4.1 試驗裝置、項目和方法

地面模擬試驗裝置如圖6所示。地面標(biāo)定試驗項目和方法如表1所示。

圖6 地面模擬試驗裝置示意Eig.6 Sketch of test ground simulation test facility

表1 地面標(biāo)定試驗的項目和方法Table 1 Items and methods of ground calibration test

4.2 試驗結(jié)果

在大量地面試驗分析的基礎(chǔ)上，得到SQCM探頭頻率變化與月塵累積質(zhì)量的測試數(shù)據(jù)，通過大量溫度變化試驗并進行擬合后，獲得SQCM探頭頻率與月塵累積質(zhì)量的關(guān)系曲線，以及溫度引起頻率漂移的關(guān)系曲線，見圖7和圖8。

由圖7可知，頻率變化為20 835 Hz，對應(yīng)的月塵累積質(zhì)量為0.13 mg/cm2，因此可得到SQCM探頭的最大量程為1.290×10-4g/cm2，此外，質(zhì)量敏感系數(shù)Sf（Hz·cm2/g）為斜率5.643 5×10-9的倒數(shù)，在空載試驗中，最大頻率變化為48 Hz，可得到SQCM探頭的最小分辨率為2.706×10-7g/cm2。由圖8可知，不同次的試驗得到的試驗數(shù)據(jù)一致性較好，可以按照該頻率漂移與溫度關(guān)系去修正在軌測量數(shù)據(jù)。

將若干不同月塵累積質(zhì)量的玻璃蓋片覆蓋到太陽電池上，分別測量太陽電池的短路電流。同時，測量太陽電池探頭在同一月塵累積質(zhì)量下，不同太陽入射角時的太陽電池短路電流，通過對測試數(shù)據(jù)進行非線性擬合，獲取垂直入射角下太陽電池探頭短路電流與月塵累積質(zhì)量的關(guān)系曲線，以及一定月塵累積質(zhì)量下太陽入射角引起短路電流偏差的關(guān)系曲線，見圖9和圖10。

圖7 SQCM探頭頻率與月塵累積質(zhì)量的關(guān)系曲線Eig.7 Relation curve of frequency between dust accumulation mass for SQCM probe

圖8 溫度引起頻率漂移的關(guān)系曲線Eig.8 Relation curve of frequency drift by temperature

圖10 一定月塵累積質(zhì)量下太陽入射角引起短路電流偏差的關(guān)系曲線Eig.10 Relation curve of short-circuit current deviation by solar incident angle in a given dust accumulation mass

由圖9可知，太陽電池表面空載時，短路電流為0.198 6 A；月塵累積質(zhì)量為8.42×10-5g/cm2時，短路電流為0.194 1 A，減小0.004 5 A；月塵累積質(zhì)量為5.72×10-3g/cm2時，短路電流為0.054 8 A，減小0.143 8 A。由圖10可以得到，當(dāng)太陽入射角小于50°時，太陽電池短路電流幾乎沒有偏差，即太陽電池短路電流與太陽入射角滿足余弦關(guān)系；當(dāng)太陽入射角大于50°時，隨著入射角的增大，太陽電池短路電流偏差越大，按照此太陽電池短路電流偏差與太陽入射角關(guān)系去修正在軌測量數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果表明，采用SQCM和太陽電池短路電流兩種測量方法，可以分別探測月表自然懸浮月塵累積質(zhì)量和著陸月表時揚起的月塵累積質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文基于月塵累積特性的測量技術(shù)，提出了SQCM和太陽電池短路電流兩種測量方法，設(shè)計了月塵測量系統(tǒng)，并用地面標(biāo)定試驗驗證了此測量系統(tǒng)的可行性。該月塵測量系統(tǒng)于2013年12月2日隨嫦娥三號探測器發(fā)射成功，并在探測器地月轉(zhuǎn)移段第2次中途軌道修正后第1次開機工作，完成在軌標(biāo)定，獲取了太陽電池探頭短路電流的初始參考值。在軌遙測數(shù)據(jù)顯示，月塵測量系統(tǒng)在軌工作良好，狀態(tài)穩(wěn)定。12月15日，月塵測量系統(tǒng)正式在軌開機工作，太陽電池探頭首次開展著陸器著陸月表時揚起月塵的測量，并向地面?zhèn)骰氐?批探測數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)反演和分析，太陽電池探頭測量到的揚起月塵累積質(zhì)量比“阿波羅”飛船公布的月塵累積質(zhì)量（1×10-3g/cm2）小，與預(yù)計結(jié)果一致。2月16日，SQCM探頭防塵蓋打開，正式開始為期1年的月表自然懸浮月塵累積質(zhì)量的在軌原位測量任務(wù)。經(jīng)數(shù)據(jù)反演和分析，SQCM探頭測量到的月塵累積質(zhì)量在測量范圍內(nèi)（2.706×10-7～1.290×10-4g/cm2），并且隨著測量時間的延長逐漸增加。月塵測量系統(tǒng)獲得的1年月塵累積質(zhì)量實測結(jié)果，與美國根據(jù)“阿波羅”飛船測量數(shù)據(jù)結(jié)合地面試驗得出的分析結(jié)果一致性較好，從而驗證了測量技術(shù)的可行性。

本文研究的測量技術(shù)，還可應(yīng)用于后續(xù)的載人登月月塵測量，以及未來的火星、行星際塵埃環(huán)境及空間微小塵埃探測，也可為我國后續(xù)探月設(shè)備的月塵防護提供設(shè)計依據(jù)?；诖藴y量技術(shù)，按照任務(wù)需求對月塵靜電帶電特性等方面進行擴展測量，可為人類進一步了解月塵提供技術(shù)支持。

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（編輯：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

國家重大科技專項工程

鄒昕，女，工程師，從事航天器總體設(shè)計及有效載荷總體設(shè)計工作。Email：zouxin501@163.com。