月尘对热控系统的退化影响

张 涛 邵兴国 向艳超

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

月球表面环境不同于一般卫星所处的太空环境,这个更加恶劣的环境无疑是对各种仪器设备热控设计提出的严峻挑战。其中非常值得注意的是,根据阿波罗飞船的飞行记录,表明月球表面的月壤和月尘会严重影响月面探测器热控系统的使用功能,是月面探测器系统设计所面临的主要难题之一[1-2]。为了确保阿波罗登月计划的顺利实施,美国在20 世纪五六十年代针对月尘环境的成因、环境效应以及防护方法等进行了研究。近年来,随着新一轮探月热潮的到来,这方面的研究再次成为关注的焦点[3-6]。

我国月球探测计划的长远目标是建立月球基地,开发和利用月球上各种丰富资源。随着我国一期工程嫦娥一号卫星飞行任务的圆满完成,二期工程“落月”研究已经全面启动,为了确保月面探测器能可靠地工作,因此开展对月尘环境及其对月面探测器热控系统影响的研究势在必行。

2 月尘环境概述

2.1 月尘的形成及特性

月球表面覆盖的尘土主要是月球形成过程中由陨石体反复撞击产生的颗粒,由于在流星体和微流星体等的长期撞击作用下,月球表面覆盖着厚厚一层未粘接的微小粒子,其平均直径为40～130μm。由于月球的低重力(是地球的1/6)和近乎真空的条件,这些细小微粒很容易被自然或人为活动扰动而悬浮在空中,这些悬浮的粒子就是月球尘埃,简称为月尘。月尘在月面的分布很广,其在各处的厚度也不同,薄的地方只有几厘米,厚的地方有5～6m。月尘主要由晶质颗粒与较大的火成岩碎块、玻璃质碎片(包括大量的玻璃球粒)及微量金属颗粒组成,月尘大致的化学元素组成如图1 中所示,其中Si、Fe、Ca、A l、O 这些元素的含量占到90%[7]。

月尘的特点与地球上粉尘相比具有相同之处,例如:由于腐蚀和研磨效应、机械的阻塞、密封和结合的损伤等所引起的机械运动方面的问题,以及影响受污表面特性的热损耗。同时月球粉尘具有自身的特点:由于暴露在高能带电粒子和微流星的辐射环境下,形成了月尘粒子小、尖和带电的特点,月尘粒子的形态如图2 所示[8-9]。

图1 月尘中各化学成分含量Fig.1 Lunar dust composition

图2 月尘颗粒Fig.2 Lunar dust particles

由于月尘粒子的小、尖、带静电的特性,使得月尘颗粒很容易会附着在与其接触的各类表面上[10],包括月面探测器的光学镜头表面、辐射板以及太阳能电池基板等,再加之月球的真空和低重力环境,月尘很难自行脱落。附着于电子器件表面的月尘如果不及时清除,会进一步诱发部件过热、机构卡死、密封失效、材料磨损、成像模糊、散光等一系列问题[1 1]。

此外,月尘粒子的质量、硬度、形态、大小、热传导率、电荷和颜色与地球上的粉尘都有很多明显的不同。月尘的特性概括如表1 中所示。

表1月尘特性Table 1 Lunar dust characteristics

2.2 月尘的扩散

月尘对探测器热控辐射面产生影响的前提是月尘必需附着于辐射表面上,因此对于月尘扩散机理的研究也显得同样重要。月球上没有大气,月尘的运动与地球陆地上有明显的不同。由于没有风的影响,除非有人为的(走路、降落)和自然的(微流星撞击)的作用才会激起月尘的运动。月尘一旦被激起,由于月球的高真空和低重力环境导致月尘颗粒会在空中长时间运动,甚至连最小的月尘颗粒都会符合抛物线轨迹进行运动。事实证明月尘容易被激起并会传播相当远的距离。

概括起来激起月尘扩散的因素主要有两种:自然因素和人为因素[12]。

2.2.1 自然扬尘事件

自然扬尘事件主要包括流星体撞击和电磁移动现象。

典型的流星体撞击月表时会激起100～1 000倍于它们质量的月尘。单个流星撞击过程大部分动能在破碎过程中被消耗,少量颗粒因吸收能量而融化,熔融物与周围的碎屑相互作用而形成玻璃,冷却过程结束后,各种质地的颗粒会被玻璃焊接起来,形成粘合集块,粘合集块很快会再次破碎,这种“二次喷发”的数量取决于来袭流星的大小、速度和撞击角度。经统计,一年时间里月球表面每平方米会受到平均95 次1 毫微克或更大流星体的撞击[13]。

激起月尘的第二个自然事件是在月球晨昏线附近的静电作用。根据现在流行的理论,细小的月尘颗粒有较高的比表面积和绝缘性,又在月球的高温、强辐射环境和各种接触、摩擦等作用下,所以易于带电。月尘在光电效应、太阳风辐照作用下带电之后,可长时间漂浮并移动。在月球的白天,月尘主要是因为太阳紫外辐射带电。而在夜晚是由于太阳风的等离子辐射而使漂过月球晨昏线的月尘带电。带电的粒子扬起并进入阴暗面,有些光电子已经沉积下来。其结果是随着月球晨昏线的移动,静电把月球表面“搅动”了一番。这个事实得到了阿波罗17 号飞船宇宙尘埃试验的证实[14-15]。

2.2.2 人为扬尘事件

以上的两种自然的活动都不受人为因素的制约。相比之下人的活动扬起的月尘更加剧烈,航天员走路以45°踢起的月尘可以达到4m 高8m 远。月球车(rooster tail)的设计在最高速度3.56m/s 匀速情况下月尘能扬出20m 远。

人的活动(造成月尘扬起的活动)是在很宽的速度幅度内的,从走路这样的低速运动到火箭发射和着陆这样的高速运动。绝大部分月球上的微粒的运动只与它得到的初速度相关。表2 是一些典型人类活动的速度和月尘在此速度下达到的水平方向和垂直方向的最远值。

表2 人为激起月尘的活动举例Table 2 Anthropogenic transport mechanisms

3 月尘对热控系统的影响

3.1 阿波罗月球车的研究

阿波罗飞船登月中,月尘对月球车(Lunar Roving Vehicle,LRV)上电池散热面的退化影响是热控面临的最为严峻的问题之一[16]。电池散热面所使用的是石英材质的二次表面镜,月尘拥有较高的红外辐射率(0.93),故对辐射面的辐射能力没什么影响,但同时月尘也拥有相对较高的太阳吸收率(0.76),所以当辐射器上落下了一定量的月尘后就会因过多吸收太阳辐射造成额外热负荷。

月球车上的电池组散热面在设计时已经考虑了月尘的影响,电池组散热面安放于车体的前端,出舱活动(EVA)期间散热面有月尘防护罩保护,在两次出舱间隔期间打开防护罩进行散热。同时,考虑到保护罩并不能完全阻挡月尘对散热面的污染,航天员还会利用尼龙刷对散热面上沾染的月尘进行清扫。在阿波罗-15 飞船探月过程中,月球车在第一次出舱活动(EVA-1)和第二次出舱活动(EVA-2)间隔期间,电池散热面能很好的对电池进行降温。但当月尘在辐射面上积累到一定程度后,在EVA-2和EVA-3 的间隔期间辐射散热器基本就不能对电池起到散热作用了,电池组的温度上升到了47 ℃,已接近了其最高工作温度上限51 ℃[17]。同样在阿波罗-16 飞船探月时,月球车在EVA-1 与EVA-2间隔期间电池的预期降温为28 ℃,而实际只降了11 ℃,然后在EVA-2 期间达到了电池的温度上限。而在EVA-2 和EVA-3 间隔期间的降温过程更是只降了2 ℃,于是在EVA-3 期间电池温度很快就超过了其上限,如图3 所示[18]。阿波罗-7 飞船探月时其电池的情况也与阿波罗-16 飞船时基本相同[19]。

图3 月球车工作期间电池温度的变化情况Fig.3 Temperature excursions in lunar rover bat teries

同样由于辐射器排热能力在月尘的作用下产生退化,阿波罗-12 登月舱上5 个温度测点的温度比预期值高38 ℃。而阿波罗-12 上携带的用于实验的阿波罗月面实验箱(A LSEP)在月面工作时,同样经历了比预期要高很多的温度。实验箱中的月面磁力计的设计最高温度为65 ℃,由于月尘对热控表面污染的影响,在太阳高度角从55°到140°过程中(大约经历了6.6 个地球日)温度超过上限达到79 ℃。同样,被动地震仪的预期最高温度61 ℃,也由于月尘的覆盖使得温度达到89 ℃。月面实验箱(ALSEP)的超温现象说明,类似实验箱这种小型、散热面贴近地面且与着陆地点较近的设备,月尘污染将是一个非常致命的问题。

3.2 勘测者-3 的热控面研究

获取空间环境对热控面影响的信息最好的方法就是通过真实的飞行试验获得,1969年的阿波罗-12 登月任务中,航天员对在月面经历了2.5年的勘测者-3(Surveyor-Ⅲ)探测器进行采样返回,以获得月面环境对各热控表面的影响参数[20-22]。

由于阿波罗-12 登月舱在距离勘测者-3 大约155m 的位置着陆,使得勘测者-3 表面附着了大量月尘,如图4 中所示的勘测者-3 相机镜头上覆盖了一层连续的月尘。同时由于紫外辐射和太阳质子等的老化作用,勘测者-3 样品上的热控白漆变为了棕褐色。

图4 勘测者-3 相机镜头上的月尘Fig.4 Lunar dust covered on Surveyor-Ⅲcamera mirror

通过对样品的测试发现,勘测者-3 摄像机上的无机热控白漆,由于月尘的污染其太阳吸收率从原来的αs=0.14 变为αs=0.61,这就意味着在相同的太阳辐射条件下其吸收的太阳热量变为原来的4倍。同样的,光亮铝表面也由于月尘的污染使得太阳吸收率大幅的增加,对返回样品两个不同部位的光亮铝表面太阳吸收率测试结果如表3 中所示。

表3 勘测者-3 样品上光亮铝表面的太阳吸收率Table 3 Solar absorptance of the Surveyor-Ⅲpolished aluminum

3.3 地面试验研究

对月尘影响的研究,早在20 世纪五六十年代,为了确保阿波罗登月计划的顺利实施,美国就针对月壤、月尘环境的成因、环境效应以及地面模拟方法等进行了研究。

NASA 的马歇尔航天飞行中心(Marshall Space Flight Center,MSFC)曾经在1967年赞助诺思罗普空间实验室(Northrop Space Laboratory)对月尘对温控表面的影响、月尘的防止和除去等方面进行了研究[23-26]。使用过滤后的玄武岩尘来模仿月尘,研究了月尘对温控表面的影响。研究表明月尘的尺寸分布和总重量不是造成太阳光线吸收的主要因素,可以不考虑,但尺寸大的月尘容易清除,残留的污染物尺寸一般小于2μm。月尘的红外发射率和辐射器表面相近,对辐射器的辐射能力影响不大,但其吸收率较高,使得辐射器对可见光及紫外线的吸收增加,使得辐射器温度升高,并且月尘对辐射器吸收率的影响是非线性的,11%的月尘覆盖就可造成吸收率翻倍[27]。另外,Keihm 和Langseth[28]通过阿波罗-17 进行的实验测得月球表面月壤的有效导热系数为1.5×10-3W/(m ·K),月尘覆盖于辐射表面将形成一层热阻,这也使得热量散发受阻,增加了温控负担。因此,月尘落在辐射器表面上将引起极为严重的温控问题。

诺思罗普空间实验室同时对8 种不同的辐射器表面除尘方法进行了研究,包括尼龙刷、静电帘、静电表面、喷流护罩、喷流表面、旋转表面、旋转护罩以及振动表面。其中振动表面、喷流护罩还有尼龙刷三种方案最值得考虑并进行了使用这三种措施时辐射器表面温度测试的实验,实验表明在这些措施中,喷流表面效果最好,其后是尼龙刷,其后是喷流护罩,最后是振动表面,但是所有方法中没有一个是效果较为明显的。考虑到尼龙刷系统重量最小,在阿波罗-15、16、17 飞船上均采用了此种方法进行月尘的清除,但如前所述并没有获得预期的成效,较细微的月尘由于静电等因素难以通过尼龙刷清除,月球车在一定工作时间后,仍然由于月尘的堆积造成散热不足,导致电池系统温度过高。显然,月面上月尘对热控面的影响比在地面上所考虑和模拟的要严重的多,尤其对于最为细微的那部分月尘颗粒,通过刷子的方法根本难以去除。由于额外的太阳热载荷是与散热面被月尘覆盖的份额成比例的,这些细微的月尘很快就会将散热面全部覆盖使得太阳热载荷增大,散热面失效。因此,对月球环境的模拟必须非常全面和准确才能比较真实地反映出月尘对散热面的影响,不仅仅是通过真空试验就能确定的,更好的方法是在去往月球的航行中为宇航员和仪器设备的绝热系统的性能做各种测试,而地面实验的重点要锁定在模拟真实的被月尘覆盖后的绝热退化效果。

近年来, 在 NASA 格伦研究中心(Glenn Rearch Center,GRC)正在研制能较为准确模拟月尘环境的月尘实验罐(Lunar Dust Adhesion Bell Jar,LDA B),以研究月尘沾染到像热控辐射面这样的敏感表面上时所造成的影响。月尘实验罐(LDAB)能够在真空下对月尘或月壤进行模拟,实验罐中的残留气体通过一个物质分光计进行控制,并能够通过不断的热循环形成一个氢/氦等离子体环境。开始测试时,模拟月尘将被筛选到样品上并通过一个显微相机或一个微天平确定尘土的覆盖情况,包覆着所要测试表面的样品使用疝弧灯加热和冷壁面环境散热,这样通过样品动态的温度情况就可确定出月尘对测试表面红外发射率及太阳吸收率的影响。月尘实验罐(LDAB)的特征图如图5 所示,集成了这些性能的月尘实验罐可在地球上较好地对月尘影响进行模拟。

图5 月尘实验罐(LDAB)特征示意图Fig.5 Sketch of Lunar Dust Adhesion Bell Jar

4 防/除尘方法

阿波罗登月的经验指出,在月面想长时间保持热控效率是很困难的。被月尘污染后热控材料表面的表面特性会受到严重的影响,并且当时所使用的清除月尘的方法也被证实没有什么明显的效果。因此,研究新的防/除尘策略以保证热控系统长期高效的工作是非常有必要的。

一般而言有三类方法可用来保证热控系统的长期工作:1)利用月尘的高发射率,直接将系统设计为能够忍受月尘的污染;2)设计热控表面使得月尘的堆积污染最小化;3)开发出能高效地从热控表面将月尘清除的措施。

对于第一种直接忍受月尘污染的方法,虽然看似简单,但在实际中却难以获得真正的运用。如前所述月尘拥有较高的太阳吸收率和较低的导热系数,通过计算可以知道,一个发射率为ε=0.85、辐射热量设计值为100W/m2的散热面, 在覆盖了1mm 厚月尘后其稳态温度将上升至75 ℃,这个温度对于多数设备器件而言都是难以承受的。因此,实际应用中应该是以防尘和除尘为主,并结合一定高温忍受能力的一个综合方法。

一种正在被研究的被动防尘方法是借鉴自然界荷叶不被水附着的原理[29],在散热面上增加细小的纹路,这些纹路的尺寸比月尘颗粒的特征尺寸还要细小,当月尘与这种散热面接触时就相当于与一个纳米级的“针床”接触而不是与一个平面接触,这大大减小了月尘颗粒与散热面之间的接触面积,从而减弱了它们之间的附着力,达到防尘的目的。

另一种被动防尘的方法不是针对热控表面,而是从散热面周围的环境入手。T aylor 等人[30]发现月尘中所含有的纳米级铁颗粒能够吸收微波辐射,于是Taylor 等人提出使用一定能量的微波辐射将需保护表面(如散热面)附近的月尘颗粒进行烧结,从而达到防止月尘污染表面的作用。虽然微波烧结并不能去除所有的月尘颗粒,但也能较大程度地减轻月尘对热控表面的污染和影响。

静电防护法也是一种有效的被动防尘方法。其原理是将一个α粒子源,例如219Po 放在热控表面附近,α粒子在真空中有较长的射程,其聚集在月尘上会使得月尘带上正电荷。再将一个带负电的吸附板放置于热控表面附近,它可以吸附那些带上正电的月尘,从而使热控表面免受月尘污染。当月尘粒子落在带负电的吸附板上后,电荷被中和,月尘从板子滑落到月球表面。类似地,也可以使用β 粒子源和带正电的吸附板。使用β 粒子源可以更好地利用月尘在紫外线作用下容易带正电的性质。

研究人员同时也在考虑着许多有效的除尘方法。如薄膜保护层法,它是在热控表面覆盖多层极薄并且对热辐射透明的保护膜。当保护膜被灰尘污染后,将表面一层的保护膜撕去,露出新的保护膜。这种方法可以使热控面长期保持一个极高的清洁度,但是实际中完全对散热面热辐射性能不产生影响的保护膜材料是不存在的,并且保护膜控制机构会使原有的系统更为复杂化,可靠度降低。

Taylor 等人[31]提出一种尼龙刷和磁力刷相结合的除尘方法。尼龙刷可去除较大的月尘颗粒,而磁力刷通过对月尘中铁元素的作用可去除月尘中较细小的颗粒,两者结合达到有效除尘的目的。

5 结束语

由于月尘具有高吸收率、低导热以及高吸附性等特性,将会对月面探测造成非常严重的热控问题。本文对一些关于月尘的成因、特性和对热控表面的影响方面的文献进行了初步调研和整理,对月尘影响的方式,模拟试验的方法以及除尘抑尘的构思进行了介绍。可为探月仪器设备的热控面进行热设计、热分析时提供参考。

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