月塵測量：從嫦娥三號到嫦娥五號

王 鹢 ，孔風連，莊建宏 ，王永軍，2，顏則東 ，苗育君，周 震 ，柳 青

（1.蘭州空間技術物理研究所；2.真空技術與物理重點實驗室；3.空間材料行為及評價重點實驗室，蘭州 730000）

月塵是月球表面最重要的空間環(huán)境因素。月塵容易在太陽輻照、空間帶電粒子和碰撞摩擦的作用下帶上電荷，并在電場的作用下懸浮和遷移。月塵對探測器敏感表面和宇航員健康安全存在潛在危害，關系著科學探測目標的實現(xiàn)和任務的成敗。探測月塵，一方面要獲得月塵累積量的時空分布，另一方面要探測它的帶電特性，從而全面了解月塵的運動遷移機制，同時也為后續(xù)探月任務的月塵防護提供輸入。中國在嫦娥三號任務中，對著陸激起的和自然環(huán)境下的月塵累積量進行了測量。研究人員通過兩次月食前后的月塵累積量對比，并未發(fā)現(xiàn)明顯的累積量“晨昏線”增強現(xiàn)象（Li D.et al，GRL，2020），向著最終揭示月球的“地平線”發(fā)光現(xiàn)象的成因邁出了重要的一步。

在嫦娥五號任務中，蘭州空間技術物理研究所研制了一種月塵帶電分布測量儀，如圖1所示。該測量儀由兩套相同的測量探頭組成，每套探頭又分別由一組阻滯勢分析儀和一臺石英晶體微質量天平組成，如圖2所示（Zhuang J.et al，SNA，2021）。其中一個探頭柵網(wǎng)工作時不加電壓，為參考探頭；另一個可以施加掃描電壓，為測量探頭。測量探頭柵網(wǎng)施加一定電壓時，只有荷質比滿足一定條件的月塵顆粒才能通過。對于參考探頭，月塵顆粒無論是否帶電，都可以無阻礙地通過。柵網(wǎng)的下方是一個涂有黏性薄膜的石英晶體微量天平。當石英晶體電極表面附著一定質量后，其振動頻率會發(fā)生改變，通過測量頻率的改變量即可獲得附著的月塵顆粒的質量。黏性薄膜的作用是增加顆粒與晶體的結合力，使其和晶體可以發(fā)生同頻共振。地面試驗表明，其質量靈敏度達到了納克級。實際測量時，通過設置不同的“門檻”（掃描電壓），再根據(jù)相應電壓下兩個探頭沉積的質量差，得到不同荷質比月塵所占的質量分數(shù)。

圖1 嫦娥五號月塵帶電測量儀實物照片

圖2 嫦娥五號月塵帶電測量儀原理圖

日前，嫦娥五號月塵帶電測量儀已全面完成月面測量工作。首次獲取的月塵帶電原位探測數(shù)據(jù)，可以為后續(xù)載人探月任務的月塵防護提供依據(jù)，同時，為揭示月塵的充放電機制和運動規(guī)律打下基礎，取得重要的科學發(fā)現(xiàn)。后續(xù)我國還將開展月球極區(qū)的月塵探測。

關鍵詞：月塵；帶電測量儀；石英晶體微量天平；荷質比；嫦娥三號；嫦娥五號

Key words：lunar dust；charge measuring sensor；quartz crystal microbalance；charge-to-mass ratio；Chang’E-3；Chang’E-5

中圖分類號：V476.3 文獻標志碼：A 文章編號：1006?7086（2021）01?0101?01

DOI：10.3969∕j.issn.1006?7086.2021.01.017