“嫦娥三号”探测器月尘环境分析及试验要求

任德鹏，张 熇

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

“嫦娥三号”探测器月尘环境分析及试验要求

任德鹏，张 熇

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

“嫦娥三号”是我国首个成功实施地外天体表面就位探测的航天器，在其研制过程中充分考虑了月面环境对探测器的影响，开展了针对性设计及地面验证工作。文章综述了探测器针对月尘环境方面的设计因素，总结了月面月尘激扬的因素及其相关数值分析工作，对月尘验证试验的设计及条件制定进行了说明。相关结果或工作思路可为后续月面探测器及火星表面探测器的研制提供参考。

月尘；数值分析；试验要求

0 引言

月尘一般是指覆盖在月球外表面平均颗粒直径约70 µm的月壤微粒，它是月面重要的环境因素之一，能够影响月面探测器的正常工作，造成设备失效甚至任务失败[1-2]，因此月面探测器的研制需要考虑月尘对探测器的影响。

探月工程的实施带动了我国对月球环境的研究，国内众多科研机构也先后开展了月尘的影响分析及试验，获得了不同月尘沉积作用下热控散热面及太阳电池阵性能的影响数据[3-5]；白羽等研究了月尘对巡视器车轮的磨损影响[6]。但这些试验旨在测试不同设备对月尘环境的适应性，无法明确“嫦娥三号”任务过程中月尘的影响量，也难以据此开展针对性设计工作。

在“嫦娥三号”的研制过程中，针对月尘环境开展了较完整的研究，针对不同环节进行了数值分析并制定了相应的试验要求，本文对这部分的工作进行总结。

1 月尘激扬因素

月尘颗粒的质量微小，在外力条件下容易脱离月面，只有脱离月面的月尘才可能对探测器产生影响，因此研究月尘的影响作用首先需要分析月尘的激扬因素。

导致月尘激扬的机制可分为自然因素和人为因素[7]。1）自然因素主要是微流星的撞击作用及月面静电作用。研究表明，微流星撞击至月面可激起100～1000倍于其质量的月尘[8]，但该现象属于小概率事件，因此“嫦娥三号”探测器研制过程中不考虑微流星撞击作用。根据“阿波罗号”航天员的描述，在登月期间曾观察到月面晨昏交界处出现月尘激扬现象，后来人们猜测可能是由于空间辐射使月尘带电导致的，国内也有专项研究报道[9]。“嫦娥三号”考虑了探测器与月面的电位差并设计了接地通道，且器表无外露高压设备，月尘带电不影响探测器正常工作，因此“嫦娥三号”研制过程中也不考虑其带电作用。2）人为因素包括软着陆过程中变推力发动机燃气流对月面的扰动作用、着陆缓冲机构对月面的冲击扰动作用，以及巡视探测器行驶过程中车轮对月壤的扰动作用：探测器距月面约2.88 m高度时关闭发动机，其燃气流出口速度超过3000 m/s，燃气流直接垂直作用至月球表面，导致月尘激扬；发动机关机后探测器自由落体下降，缓冲机构足垫触地时探测器的垂直速度接近4 m/s，冲击作用也会导致月尘激扬；着陆后，巡视探测器将在月面开展独立的移动探测，探测器月面移动过程中的车轮转动也可能导致月尘激扬。探测器月尘环境的适应性设计需要对这3种因素进行定量分析。

2 月尘激扬分析

针对探测器导致的扬尘作用开展了理论分析和试验研究工作，分别如下。

2.1 发动机燃气流扬尘

将月尘颗粒运动按拟流体进行处理，计算颗粒脉动能守恒方程，采用双流体模型实现发动机与月尘颗粒的气固两相耦合计算。主要控制方程为

式中：ε为相体积分率；ρ为介质密度；v为流动速度。

燃气流和月尘颗粒的动量守恒方程分别为：

式中：p为相分压；g为月面重力加速度；β为燃气流与月尘颗粒相间阻力系数；τ为相应力张量；下标g表示燃气流，s表示月尘颗粒。

月尘颗粒脉动能方程为

式中：θ为颗粒温度；γs为月尘颗粒碰撞能量耗散率；κs为月尘颗粒相热传导系数。

考虑软着陆过程中探测器与月面不同相对位置，选取50 m×35 m的二维计算区域，获得了着陆过程中发动机燃气流流场及激扬月尘浓度、速度分布结果。

图1～图3显示了着陆过程中探测器发动机燃气流速度矢量及月面月尘颗粒浓度分布情况。可见，探测器距月面25 m以上高度时，燃气流作用至月面后，受边界影响气流沿月表四周扩散，此时在探测器降落的正下方几乎不会出现激扬的月尘；随着探测器接近月面，气流方向开始发生变化，气流脱离月面向上流场呈“V”字分布，此时受燃气流的作用月尘被激扬，颗粒浓度增大，但最高浓度区域位于探测器的外围；当距月面1 m高度时，探测器周围开始出现月尘颗粒，探测器侧面区域内月尘颗粒浓度大于其底部。

图1 探测器距月面25 m时发动机燃气流与月表月尘分布计算结果Fig.1 The calculation result of engine gas flow and lunar dust while the probe is 25 m above the lunar surface

图2 探测器距月面9 m时发动机燃气流与月表月尘分布计算结果Fig.2 The calculation result of engine gas flow and lunar dust while the probe is 9 m above the lunar surface

图3 探测器距月面1 m时发动机燃气流与月表月尘分布计算结果Fig.3 The calculation result of engine gas flow and lunar dust while the probe is 1 m above the lunar surface

2.2 着陆冲击扬尘

采用相似试验分析及颗粒动力学分析 2种方法对着陆冲击扬尘问题进行研究。

2.2.1 相似试验分析

加工了一件探测器的相似性试验模型，如图4所示。

图4 探测器试验模型Fig.4 Test model of the probe

在真空试验罐中铺设平均粒径 70 µm的模拟月壤，将试验模型置于模拟月壤上方，系统抽真空至满足真空度要求后，投放试验模型使其冲击模拟月壤，激起月尘的运动（见图5）。

图5 探测器试验模型冲击模拟月壤Fig.5 Picture of simulating lunar soil impacted by the probe model

试验测得了模型足垫接触模拟月壤的速度和月尘的最大激扬速度及高度，引入弗洛德数（惯性量和重力项的比对参数）并采用相似准则，反演得到真实探测器着陆冲击对月面月尘的激扬高度为0.2～0.3 m之间。

2.2.2 颗粒动力学分析

[10]中采用Hertz理论和JKR理论分析月尘颗粒的受力及运动，针对月面环境特点（忽略月面气体对月尘颗粒的作用力、考虑月面重力加速度），分别建立了颗粒碰撞和黏附力计算模型、颗粒间法向力及切向力计算模型，考虑了颗粒间相对滚动及扭动摩擦作用修正了颗粒的转动模型。将颗粒动力学模型与缓冲足垫对月尘冲击过程耦合计算，实现了着陆冲击月尘激扬的理论计算。

图6为冲击过程部分计算结果，表明探测器着陆冲击导致月尘扬尘高度范围为0.111～0.308 m。该结果与相似性物理试验结果接近。

图6 足垫冲击对月尘激扬作用结果Fig.6 Result of foot pad soaring lunar dust

2.3 车轮滚转扬尘

通过分析颗粒的受力，建立颗粒动力学模型，分析巡视器行驶过程中的扬尘作用，如图7所示。

图7 巡视器车轮与月壤相互作用计算模型Fig.7 Calculation model of the interactions between the rover wheel and lunar dust

计算表明，月尘颗粒在黏附力作用下吸附至车轮表面并随其转动。在特定角度下粒径较大的颗粒团受到的重力大于黏附力，从而自轮体表面垂直脱落；小颗粒或松散的月尘能够始终黏附在车轮表面完成一周的运动。但由于车轮转速小，离心力作用不突出，不会导致月尘的激扬。

2.4 小结

着陆冲击导致月尘激扬高度不足0.3 m，而巡视探测器移动过程中不会产生扬尘作用，因此探测器主要针对燃气流的扬尘作用开展设计。

3 试验环节设计及条件制定

“嫦娥三号”探测器的月尘防护设计包括：将散热面布置在探测器顶端，软着陆过程收拢太阳电池阵以保护太阳电池及散热面等。此外，采用真实单机设备进行了月尘影响验证试验[11]。

3.1 吹尘验证试验

针对软着陆过程探测器发动机燃气流激起的月尘环境而开展的验证试验，环境特点是月尘以一定速度冲刷探测器表面，试验对象多为机构类设备及光学设备。

根据数值计算结果制定试验条件，要求模拟月尘浓度为300 g/m3，月尘运动速度为2 m/s，试验时间不小于30 s。研制了一套密封试验箱，试验设备置于箱内，通过送风机将模拟月尘吹至试验箱内，使其浓度和速度满足要求。试验设备可在箱内旋转以保证各侧面均能暴露于模拟月尘气流中，期间要求试验设备加电工作以验证其工作性能。

3.2 降尘验证试验

针对探测器着陆后激扬月尘沉降环境开展的验证试验，其特点是月尘均匀回降至探测器表面。试验对象主要为太阳电池阵、热控材料等。

根据分析结果确定月尘最大沉降量为20 g/m2，试验前将试验设备（或材料）按探测器的安装关系进行固定，模拟月尘在试验对象正上方缓慢均匀洒落，然后测试设备（或材料）的性能变化。

3.3 穿尘验证试验

“嫦娥三号”探测器配置了伽马关机敏感器，依靠测量被月面反射的伽马射线强度实现探测器距月面高度的反演。软着陆过程中探测器下方激起的月尘可能影响其工作性能，因此需要开展地面的模拟验证试验。

根据伽马关机敏感器工作原理，为便于试验的实施，采用了等效法进行试验，即：根据数值计算，得到探测器底面至月面范围内发动机燃气流激起月尘颗粒浓度为10-4量级，即月尘颗粒团的等效密度为0.3 kg/m3，选取与该等效密度接近的材料放置在伽马关机敏感器下方，测试对其性能的影响。

3.4 埋尘验证试验

针对巡视探测器移动过程中的月尘环境开展的验证试验，虽然行驶过程中车轮不会激扬月尘，但车轮本身直接接触月面，为验证驱动机构的密封防尘性能，要求巡视器车轮埋在模拟月壤中加电转动并测试其性能。

4 试验有效性分析

“嫦娥三号”探测器研制过程中按照上述要求完成了验证试验，自2013年12月2日发射以来，至今没有出现月尘导致的异常问题及故障。探测器上搭载了1台月尘测量仪[12]，在2013年12月15日探测器完成月面软着陆后开机工作，对软着陆过程中的月尘激扬量进行了测量，经数据反演，月尘累计量小于 1×10-3g/cm2，该结果是地面降尘试验要求的1/2。

5 总结及展望

1）探测器研制中没有考虑自然扬尘的影响，开展的分析工作均不考虑月尘的带电作用，忽略该因素对探测器设计的影响作用。

2）由探测器自身导致的月尘激扬因素中，发动机燃气流的影响最大、着陆冲击次之、巡视探测器移动最弱。

3）根据月尘激扬分析结果制定了地面验证试验的项目和具体要求，试验内容全面，探测器实际工作正常，地面试验结果有效。

4）本文在发动机燃气流扬尘分析中采用双流体模拟，该模型对低颗粒浓度的处理尚不完善，后续可结合离散颗粒模型开发新的计算方法或开展地面试验对双流体模型进行修正，以提高其准确度和适应性。

5）颗粒动力学分析中无法对探测器影响区的月尘颗粒进行一一建模，因此在着陆冲击扬尘分析中主要采用了相似试验分析为主、数值分析验证为辅的方法，如何提高颗粒的计算统计量、提高运算速度仍是颗粒动力学数值分析的工作方向之一。

参考文献（References)

[1]VONDRAK T J, FARRELL R R, FARRELL W M.Impact of lunar dust on the exploration initiative[C]//36thLunar and Planetary Science Conference.League City: 2005, XXXVI 2277

[2]JAMES R G.The effects of lunar dust on EVA systems during the Apollo missions: NASA/TM—2005-213610/ REV1[R]

[3]张涛, 邵兴国, 向艳超.月尘对热控系统的退化影响[J].航天器工程, 2010, 19(5): 82-88 ZHANG T, SHAO X G, XIANG Y C.Degradation effects of the lunar dust on thermal control system[J].Spacecraft Engineering, 2010, 19(5): 82-88

[4]庄建宏, 王先荣, 冯杰.月尘对太阳电池的遮挡效应研究[J].航天器环境工程, 2010, 27(4): 409-411 ZHUANG J H, WANG X R, FENG J.Overlapping effect of lunar dust sediment on solar cell[J].Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(4): 409-411

[5]孙永卫, 曹鹤飞, 原青云.月尘对太阳电池阵开路电压影响研究[J].太阳能学报, 2015, 36(3): 551-555 SUN Y W, CAO H F, YUAN Q Y.Effect of lunar dust to open circuit voltage of solar cell array[J].Acta Enerciae Solaris Sinica, 2015, 36(3): 551-555

[6]白羽, 郝宁, 王志浩, 等.模拟月尘对巡视器车轮轮轴材料的磨损试验研究[J].航天器环境工程, 2013, 30(5): 493-498 BAI Y, HAO N, WANG Z H, et al.Abrasion tese on wheel and axle materials of lunar rover under the influence of simulation lunar duse[J].Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(5): 493-498

[7]REISS J R, SHAFFER J R.Lunar transportation facilities and operations study: Final report for NASA contract NASlO-11567[R].NASA Kennedy Space CTR, 1991

[8]曾令斌, 邱宝贵, 肖杰, 等.月面扬尘特性与月尘防护技术研究[J].上海航天, 2015, 32(1): 58-62 ZENG L B, QIU B G, XIAO J, et al.Study on characteristics of lunar dusting and dust mitigation technologies[J].Aerospace Shanghai, 2015, 32(1): 58-62

[9]许滨, 原青云, 孙永卫, 等.月尘环境材料带电地面模拟试验系统研究[J].军械工程学院学报, 2014, 26(1): 36-39 XU B , YUAN Q Y, SUN Y W, et al.Study on ground simulation test system of material charging under lunar dust environment[J].Journal of Ordnance Engineering College, 2014, 26(1): 36-39

[10]李水清, MARSHALL J S, RATNER A, et al.气固稀相流中颗粒沉积和集聚的分子动力学模型[J].工程热物理学报, 2007, 28(6): 1035-1038 Li S Q, MARSHALL J S, RATNER A, et al.Molecular dynamics simulation of particle deposition and agglomeration in two-phase dilute flow[J].Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(6): 1035-1038

[11]贾阳, 申振荣, 庞彧, 等.月面巡视探测器地面试验方法与技术综述[J].航天器环境工程, 2014, 31(5): 464-469 JIA Y, SHEN Z R, PANG Y, et al.A review of field test methods and technologies for lunar rover[J].Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(5): 464-469

[12]邹昕, 邓湘金, 王鷁, 等.月尘累积特性测量技术研究与应用[J].航天器工程, 2015, 24(3): 22-27 ZOU X, DENG X J, WANG Y, et al.Research and application of measurement technology for lunar dust accumulation characteristic[J].Spacecraft Engineering, 2015, 24(3): 22-27

（编辑：王 洋）

Lunar dust environment analysis and test requirement for Chang’e-3 probe

REN Depeng, ZHANG He
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Chang’e-3 is the first successful extraterrestrial in-situ probe launched by China.The lunar surface environment and its influence on the probe were fully considered in the development process, and specific designs and ground tests were carried out.This paper reviews the design factors of the probe regarding the lunar dust, summarizes the cause of the soared lunar dust and the related numerical analysis, and discussed the design and the determination of test conditions of lunar dust validation tests.Results and strategies provide a reference for the development of future lunar and Martian surface probes.

lunar dust; numerical analysis; test requirement

V476.3; V416.5

：A

：1673-1379(2016)05-0521-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.011

任德鹏（1976—），男，高级工程师，主要从事月球探测器的总体设计工作。E-mail: rdpsd@163.com。

2016-03-09；

：2016-09-23

国家重大科技专项工程