深空粉尘环境探测技术综述

王 豪，孙承月，琚丹丹，赵 瑜，吴宜勇

（哈尔滨工业大学 空间环境与物质科学研究院，哈尔滨150001）

0 引言

在外层空间广泛分布着从几千个原子组成的分子团簇至颗粒尺寸0.1 mm 的颗粒物，被称为空间粉尘[1]。按照空间粉尘的来源可以分为星系际粉尘、星际粉尘、行星际粉尘以及环行星粉尘[2]4种类型。太阳系内的空间粉尘来源包括彗星粉尘[3]、小行星粉尘[4]、来自于柯伊伯带的粉尘以及太阳系的行星际粉尘。按照估计，每年有40 000 t 空间粉尘到达地球表面[5]。空间粉尘主要组成材料包含SiC、石墨、Al2O3、多环芳香烃、冰以及多种矿物材料（例如硅酸盐、橄榄石、尖晶石），其成分组成取决于粉尘的来源和观测区域[6-9]。

空间粉尘环境是空间环境的重要组成部分，能够作为研究微观世界至宏观世界起源演化的有效载体，是一门跨学科的研究领域，需要以物理、天文、化学、数学分形、矿物学以及生物学等学科作为研究基础进行扩展。对于空间粉尘环境的探测感知是打开研究宇宙起源、恒星/行星动态演化以及生命起源的重要技术手段。另一方面，相对于空间碎片及微流星来说，空间粉尘在整个空间分布上有较高的通量，并且速度也更高，对空间人类活动尤其是深空飞行器具有潜在的威胁[10-12]。空间粉尘超高速撞击产生的次生效应会对在轨及深空飞行器的有效载荷产生影响，威胁空间任务的有效执行。因此，针对环绕地球的空间粉尘分布和主要深空任务粉尘环境的探测，能够为提高长寿命空间环境监测以及深空探测的可靠性提供数据积累和设计依据。

早期的尘埃探测是作为普查性探测子任务开展，例如：1967—1968年发射的Pioneer 8及Pioneer 9搭载的宇宙尘埃探测器（Cosmic Dust Detector,CDD）；“阿波罗号”登月期间在月球表面设置的月尘抛射和陨石测试仪器（Lunar Ejecta and Meteorites Experiment,LEAM）；金星探测任务Vega 1、Vega 2搭载的尘埃探测器及尘埃质谱仪；对日观测的Helios任务中搭载的微流星分析仪（Micrometeoroid Analyzer）等。自20世纪90年代初至今，空间尘埃探测仪器经历了较快发展：从单纯记录撞击次数到对粉尘进行质谱测量再到粉尘捕获返回，实现了多模式多方法的组合探测。这为深入了解和洞察空间粉尘分布、星体尘埃环境形成原因及影响因素，以及太阳系星体形成理论探索提供了有利条件。随着科学目标牵引的重点天体探测在国际合作的基础上逐渐成为深空探测的主流，一大批以空间粉尘为重点探测目标的空间探测器投入运行并获得了可观的探测结果。受Giotto[13]、Ulysses[14]、Galileo[15]和Stardust[16]项目的激发，尤其是最近结束探测寿命的Cassini探测器[17-19]，越来越多的空间粉尘探测国际合作也在酝酿和开展中。

本文总结了目前开展的主要空间粉尘环境探测项目及探测器技术实现手段，并以撞击效应探测为切入点分析了以光学、应力及声波、电学测量、原位捕获与返回检测等技术手段为主的空间粉尘探测技术，旨在从单一探测技术手段局限性出发讨论复合型探测器开发设计的运用前景，并指出扩展探测器实现技术的发展要求和方向。

1 目前已开展的空间粉尘环境探测

随着空间探测能力的提升以及对空间环境认识需求的提高，针对空间粉尘环境和星体尘埃环境的探测活动也丰富起来。表1是已搭载开展空间粉尘环境探测的主要航天器及其探测能力。早期搭载的粉尘探测器如Pioneer 8和Pioneer 9搭载的宇宙尘埃探测器（CDD）均以压电传感器为基本探测手段，在空间长期运行过程中开展运行轨道的粉尘撞击探测；随着技术的提高，粉尘探测逐渐以多种探测手段复合为基础进行，例如Galileo、Gassini 等。

2 典型深空粉尘环境探测器

2.1 Galileo上的粉尘探测器

Galileo搭载的粉尘探测器（见图1）[15]旨在直接观察行星际空间和木星系统中质量介于10-19～10-9kg、速度介于1～70 km/s的行星际和环行星尘埃，研究其物理和动力学特性与对日距离、对木星和木星卫星距离的关系，同时研究粉尘颗粒同“伽利略”探测器及木星磁层的相互作用。Galileo搭载的粉尘探测器能够单次测量单个粉尘的质量、速度、飞行方向和电荷量，是一种功能复合型高精度探测器。该探测器质量仅为4.2 kg，功率消耗仅5.4 W。在正常航天器追踪模式下数据传输速率为24 bit/s。自1989年12月29日仪器开机至1990年5月18日为止记录了168次粉尘撞击，对于其中81次撞击事件给出了粉尘质量和撞击速度。相比于之前开展的空间粉尘环境探测，Galileo探测器的粉尘质量探测精度提高了100万倍，为后续空间粉尘探测打开了高精度的窗口。

表1 开展空间粉尘探测的若干典型航天器及其探测能力Table1 Some typical spacecraft and their capabilities for space dust detection

图1 Galileo搭载的粉尘探测器[15]Fig.1 Dust detector onboard Galileo

2.2 Cassini上的宇宙尘埃分析仪

Cassini 探测器搭载的宇宙尘埃分析仪（Cosmic Dust Analyzer,CDA）（见图2）在航天器在轨运行阶段进行尘埃颗粒的原位测量，能够探测尘埃的带电电荷、速度、粒径以及来源方向；并能通过高速运动的尘埃撞击电离后在电场作用下飞行至探测器所用的时间进行尘埃成分分析。Cassini探测器搭载的撞击电离探测器、化学分析仪、高频探测器、时间飞行质谱仪以及PVDF撞击探测器能够分析质量范围10-15～10-9g、速度范围1～100 km/s，带电量1 fC～1 pC，化学元素m/δm=20～50 的单个粒子[16]。虽然Cassini 探测器取得了显著的科研成果，但是对于空间粉尘探测区间仍有探测空白区间，例如：颗粒直径和分析质量未能覆盖纳米级颗粒（扩展至10-21g），化学元素未能分析更高质量数的元素（扩展至330 amu，m/δm＞200），地面数据标定过程欠缺对非金属和有机物的系统研究等。这也是目前空间粉尘探测所面临的普遍问题，如何解决降低有效载荷质量和提高探测精度的矛盾是未来开发高精度探测器亟需解决的问题。

图2 Cassini 搭载的宇宙尘埃分析仪Fig.2 Cassini equipped Cosmic dust analyzer

2.3 Stardust 上的彗星和星际尘埃分析仪

Stardust 任务针对81P/Wild 2彗星开展探测观察并收集尘埃返回[17]。Stardust 搭载的粉尘探测仪器为彗星和星际尘埃分析仪（Cometary and Interstellar Dust Analyzer，CIDA）（见图3(a)）以及粉尘通量检 测 仪（Dust Flux Monitor Instrument，DFMI），同时Stardust 搭载的尘埃收集器（Stardust Sample Collection）（见图3(b)）还进行了尘埃收集返回[16]。CIDA 是一种质谱仪，对尘埃颗粒与银板撞击产生的等离子体进行高压分离，通过离子在仪器中的飞行时间来区分离子的质量从而进行质谱分析。该类型的探测器同样在Giotto 针对Halley 彗星、Vega 1和Vega 2的尘埃探测中实践过。

图3 Stardust 搭载的彗星和星际尘埃分析仪CIDA 以及气凝胶尘埃收集器[16]Fig.3 Stardust equipped interstellar dust analyzer CIDA(a)and aerogel dust collector (b)

在Stardust 的探测防护罩前方配置的DFMI利用极化塑料传感器对尘埃撞击事件进行记录并分析粉尘通量。尘埃收集器则是利用气凝胶对入射尘埃进行收集，并通过返回舱在绕经地球轨道后收回。Stardust 的尘埃收集器第一次获得了深空小行星尘埃的实体样本，打开了对小行星起源和组成演化研究的新视野。

2.4 Rosetta 尘埃撞击分析仪和累积测试仪

欧空局Rosetta 任务搭载的粉尘撞击监测仪（Dust Impact Monitor,DIM）是利用Rosetta 着陆器在着陆Philae 慧核过程中对粉尘环境进行监测的一套系统[18]。DIM包含三面压电传感器组件，用于记录尘埃在3 个方向上的通量。同时Rosetta 搭载的尘埃撞击分析仪和累积测试仪（Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator，GIADA）（见图4）[20]在绕飞67P/CG 过程中对慧发的分析测量采用了光学尘埃分析（Grain Detection System，GDS）以及撞击传感器（Impact Sensor，IS）测量，同时利用微天平针对累积尘埃质量进行了持续测量。

图4 Rosetta 任务搭载的尘埃撞击分析仪和累积测试仪GIADA[18]Fig.4 The dust impact analyzer and cumulative tester GIADA used in the Rosetta mission

3 空间粉尘探测主要技术手段

从典型深空粉尘环境探测可以看到，针对速度高、通量分布不均、成分复杂的空间粉尘环境综合探测需要采取多种探测技术复合来实现。随着空间粉尘环境探测对象的增加和探索范围的扩展，粉尘探测技术的深化不断驱动着空间粉尘撞击效应研究的深入和扩展。

空间服役的轨道原位粉尘探测器一般利用高速撞击产生的撞击效应来测量粉尘参数（质量和速度）；同时结合地面粉尘模拟装置对粉尘探测器复件进行可知粉尘参数检测标定，来实现对空间粉尘环境检测并进行探测数据的对比复核。

粉尘探测器在测量高速撞击效应时主要测量发光、声学信号、撞击电离过程信号。空间粉尘速度一般在10～40 km/s，高速特征对于粉尘的无损检测构成较大技术挑战；而利用可返回的探测器部分则可采用低密度气凝胶对空间粉尘进行捕获，待返回地面后再进行实验室研究。

早期在轨探测器利用压电探测器和声学探测器对粉尘的速度和来源方向进行测量[19-22]，但是压电探测器的探测范围（1～100μm 量级）有限和声学探测器对背景噪声的分辨率较差。而电学检测的探测器能够将探测精度提升至nm 颗粒的参数测量，降低探测器重量，同时测量多种参数，更具应用潜力。

3.1 光学探测技术

光学测量一方面以光学成像、光强变化为基础进行粉尘粒径和通量测量。在对月尘尘埃环境的模型建立中主要以光学成像对月表尘埃环境进行了建模；而光强变化则是搭载原位测量的主要技术手段，例如GIADA 通过收集尘埃经过光幕散射的光信号来测量尘埃的速度，通过散射光强的大小来计算尘埃粒径等。

另一方面，撞击过程中粉尘携带的动能转化为粉尘的内能和靶材的内能从而产生大量的热，粉尘和部分靶材气化并释放出撞击闪光[23-24]。用光电倍增管测量撞击发光现象能够通过公式P=kmαvβ（其中：P为发光强度；k为材料系数；α和β分别为质量系数和速度系数）来分析撞击粉尘的速度和质量。图5为测量的典型撞击发光信号[25]。

图5 典型撞击发光测量信号[25]Fig.5 Typical impact luminescence measurement signal

该类型的撞击探测器需要在地面进行标定，确定质量系数和速度系数以用于在轨的数据分析。Eichorn[26]通过加速C、Fe粉尘至0.5～35 km/s撞击Au、W 和Rh 靶材得到α为1、β为4.1；光谱分析表明撞击发射物质的温度在2500～5000 K 之间。通过在地面模拟获得发光强度同高速粉尘速度和质量的相关规律，是利用空间粉尘撞击发光进行粉尘探测的技术基础。

3.2 应力及声波探测技术

撞击测量以撞击传感器为基础，利用超声、压电以及光纤等技术手段将撞击过程转化为电信号，并开展尘埃颗粒物理性状同撞击信号关系研究，来反演尘埃的速度、质量、粒径及密度等参数。撞击过程中产生的应力波和声波是压电类传感器PVDF和超声传感器的探测对象，撞击过程中靶的振动和位移是光纤传感器探测对象。该类型的探测技术能够原位测量，探测信息与尘埃性状相关性高是开展探测工作的主要方式。图6为Student Dust Counter搭载的PVDF粉尘撞击探测器及其典型信号[27]。图7 为光纤测量声学振动类型探测器及其典型信号[28]。

图6 Student Dust Counter 搭载的PVDF粉尘撞击探测器及其典型信号[27]Fig.6 PVDF dust impact detector on the Student Dust Counter and its typical signal

图7 光纤测量声学振动类型探测器及其典型信号[28]Fig.7 Optical fiber measurement acoustic vibration type detector and its typical signal

3.3 电学测量探测技术

电学测量是针对空间带电粉尘颗粒的测量方式，主要是利用带电尘埃颗粒通过多组附带屏蔽的金属网，测量由于带电尘埃引起的感应电荷变化，分析尘埃的速度、带电量并反推尘埃质量和密度等信息。这一类的测量方式多复合其他测量手段来进行。另外，超高速粉尘撞击靶材瞬间温度可以达到10 000 K 的高温[29]，撞击过程中产生的能量转化能够在汽化过程中使粉尘及靶材发生电离，产生电离离子和等离子体[30-32]。随着汽化过程结束，电离离子或者等离子体在压力作用下自由扩展至空间，形成可以探测的信号以用于分析和研究空间粉尘。一般来说汽化的离子和等离子体中的离子能够在外加电场的作用下在设计的电荷收集板上形成电量累积，通过测量飞行时间能够对离子的质量数进行测量从而获得粉尘的化学组成信息，Cassini 探测器上携带的飞行时间质谱仪就是此类型的探测器。

另一方面，类似于发光信号的测量，电离及等离子体电荷测量也可以利用公式Q=kmαvβ表示（其中Q为电荷量）来分析撞击粉尘的速度和质量。Dietzel 等[33]通过C和Fe 粒子撞击Au 和W 靶材，得到α接近为1，而β在3.5左右。同样也能够通过地面模拟获得电荷量同粉尘速度及质量的相关规律从而用于在轨原位粉尘探测。

质谱测量是利用撞击过程产生的电离离子在电场作用下到达探测器时间差异来分析离子类型，获知尘埃颗粒的成分。这类基于飞行时间（Time-Of-Flight,TOF）的测量在多次粉尘探测任务活动中运用并获得了较好的成果。图8为飞行时间质谱测量型探测器的原理及典型信号[15]。

图8 飞行时间质谱测量型探测器的原理[15]Fig.8 Principle of a time-of-flight massspectrometer

除了以上能够在轨测量或收集返回分析的技术方法外，利用高速粉尘撞击过程中产生的次生效应，如发光、等离子体以及射频微波信号，也能对高速粉尘的速度、质量进行分析。而这一类的分析方法则需要在地面模拟中建立次生效应的强度同粉尘高速撞击速度以及质量的定量关系，这也是高速粉尘探测器设计的依据和地面模拟标定的技术路径。在轨运行的高速粉尘探测器通常采用高度集成多种探测技术和多种探测器相结合的方式来实现服役任务。

3.4 原位捕获与返回检测

不同于在轨原位探测空间粉尘环境，另一种常用的手段是利用轻质材料对高速粉尘进行在轨捕获，返回地面回收后再进行粉尘的化学成分分析[34-35]。一般采用搭载暴露的SiO2气凝胶对不同轨道空间粉尘进行捕获，这样的过程在彗星抛射物捕获和太空站长期暴露实验中都有运用。Burchell[34]在地面试验和低地球轨道利用气凝胶对玻璃、橄榄石和Fe微尘进行了捕获测量，结果显示捕获能力并不是微尘颗粒、速度和化学成分的简单函数，并且在5 km/s速度下捕获微尘的质量仅为原始质量的30%～40%，只能算是部分捕获。当入射速度大于7 km/s，粉尘就很少能够减速停留在气凝胶，而是在气凝胶表面碎裂溅射。虽然低密度气凝胶能够实现粉尘的捕获，但是捕获后粉尘的无损提取和直接分析具有一定的难度。图9所示为高速粉尘在气凝胶中的捕获路径[34]。

图9 高速粉尘在气凝胶中的捕获路径[34]Fig.9 Capture path of high-speed dust in aerogel

4 未来空间粉尘探测技术发展

基于空间高速粉尘撞击效应来进行空间粉尘环境探测将是粉尘探测器研制的主要技术支撑。利用高速粉尘在撞击靶材过程中产生的发光、电离、撞击等离子体的探测技术以及粉尘的在轨捕获及返回分析是分析粉尘环境的重要手段。面对深空探测技术条件的限制，长寿命、低质量功耗、具有复合功能和大跨度测量能力的空间粉尘探测器设计是极具研究挑战的。

一方面，每一种效应测量都因为其背后的物理机制表现出技术极限，通过叠加复合多种探测模式来实现大跨度并合理配置则需要在地面模拟测试中积累大量数据并且摸清效应耦合规律；另一方面，除了发光和电荷测量技术以外，撞击过程中产生的其他次生效应也可以作为空间粉尘环境探测的技术手段。例如近期发现高速粉尘撞击过程中产生的射频微波信号可以用来分析高速粉尘特征参数。高速粉尘撞击产生的电离离子和等离子体在扩展过程中由于电子和离子运动速度的差异形成了变化的电场从而产生电磁波信号[35-37]，使空间粉尘探测器能够以测量射频微波的方式对高速粉尘参数进行测量。地面模拟高速粉尘撞击探测到的射频微波信号反映了撞击过程中电离离子和等离子体运动过程，从而可揭示撞击粉尘的物理特征。

航天器在空间环境中由于带电粒子作用会在表面充电而形成电场，撞击激发的电离离子和等离子体离子在电场作用下易于形成离子放电通道而产生诱导放电行为[35,38]；会造成电介质的击穿，产生持续的电弧放电，还会影响太阳能电池片之间的电路，造成短路或电池衬底击穿，降低有效电流[39]。在电场作用下，撞击产生的离子会在材料表面沉积，借助原子氧和紫外作用形成附着的污染层，影响航天器光学部件和热控涂层性能。利用电池电性能退化和光学热控性能下降同撞击通量的直接关系也可以开发表征高速粉尘环境的具体技术。

5 结束语

国际上已经开展了大量的在轨空间粉尘环境探测，然而国内因为航天载荷发展较晚、起点较低，同国外仍有一定差距。在高速粉尘撞击效应研究方面，虽已经取得了较多进展，但目前聚焦的大量撞击效应实验均是基于金属粉尘开展的，对于无机物、有机物及矿物类粉尘的撞击效应研究不够系统和全面；另外，对粉尘撞击产生的次生效应（污染、放电）研究缺乏深度，对高度集成化空间粉尘探测器的潜在威胁（污染导致的探测功能材料敏感性下降，放电导致的探测器高压击穿等）认识还不够深入；加之基于静电粉尘加速设备的限制，大量超高速撞击试验是在二级轻气炮上开展的，因此粉尘颗粒尺寸较大，对于微纳尺寸颗粒的撞击效应测量分析需要加强。这些地面模拟环境和在轨测量任务的缺乏是国内在未来空间粉尘探测领域需要加强追赶的具体内容。

在哈尔滨工业大学承担建设的国家重大科技基础设施项目“空间环境地面模拟设施”中，建立了具体针对空间高速粉尘环境的地面模拟装置。以空间高速粉尘环境超高速粉尘特点建设的3.5 MV 静电粉尘加速器具备能够将10 nm～10 μm 粉尘颗粒加速至最高100 km/s 的能力，同时搭建的高速粉尘筛选系统能够针对粉尘的质量、电荷量以及速度参数进行窗口筛选，在高速粉尘撞击效应测量方面配置的高精度撞击电荷测量和发光测量系统能够满足时间μs量级撞击事件的实时全过程信号采集。为了配合空间粉尘探测器的地面标定，高速粉尘地面模拟装置同时配置了三自由度样品台，可以全面开展高速粉尘撞击效应和探测器地面标定工作。该高速粉尘地面模拟系统计划2021年底投入试运行。