基于静电技术的模拟月尘加载电荷方法研究

王刘杰， 赵 维， 周双珍， 逯忠国， 王东阳

（中国航天员科研训练中心， 北京 100094）

1 引言

载人登月面临特殊的月尘环境，在月面活动中，月尘易吸附到接触表面，且不易彻底清除，对载人登月的航天员、舱外服、相关设备以及仪器仪表均有负面影响。 因此，登月设备研制必须考虑月尘的影响以及相关的除尘、防尘技术，并需进行充分的地面测试。

月尘易与物体表面吸附的重要因素是月尘带有一定量的电荷，带电因素包括自然因素和人为因素：月昼的太阳辐射引起的光电子发射，月夜期间太阳风注入电荷，航天员行走或设备与月面接触摩擦起电等。 在地面进行月尘环境模拟测试时需要模拟带电因素，模拟方法有物理模拟和等效模拟。 物理模拟指模拟真实的月面环境物理要素，再现月面月尘带电过程，即在真空环境中，用紫外辐射、电子枪等模拟太阳辐射、太阳风等因素使模拟月尘携带电荷，如Gaier 等与Craven等开展的月尘试验、张海彬等的辉石试验、薛丹研究月尘舱的加电方法均采用了物理模拟。 等效模拟指使用其他技术模拟月尘携带电荷的结果，如许滨等、孙永卫等采用高压电极接触传导带电，Kruzelecky 等采用电晕放电加电方法等。

电晕放电在电选矿、静电除尘等方面均有应用，加电途径是在电晕场中细颗粒物吸附电子、离子等带电粒子。 何家宁、张桂芳研究的电选矿矿粒与月尘在颗粒粒径、矿物组成、化学成分等方面有一定的相似性。 但国内尚未见电晕放电模拟月尘加电相关研究报道，因此有必要研究其方法可行性以及航天模拟试验所关注的电荷保持时间问题。

本文借鉴电选矿、静电除尘给颗粒物加电的技术，提出一种通过电晕放电使模拟月尘带电的方法，设计并搭建研究装置，并研究电晕电压对加电电荷量的影响以及湿度对电荷保持时间的影响。

2 装置研究

2.1 装置机理

电晕放电是气体放电的一种。 气体中的自由电子从电场中获得能量，和气体分子激烈碰撞，电子脱离气体分子，结果产生带阳电荷的气体离子，并增加了自由电子。

以针板式电晕放电为例，如图1 所示。 在针板式电极场中，针式电极曲率很大，随着电压的升高，在高电压作用下，针式电极周围空气被击穿，在周围产生电晕放电，产生各种带电粒子，即自由电子、正离子和负离子。 正离子沿电场方向向阴极移动，而电子和负离子沿电场反方向向阳极移动。 在达到击穿电压前，外加场强越强，电晕电流也越大，达到击穿电压后，如果再增加场强，电压不能够再升高，电晕电流会持续增大，电流到达一定值，将产生火花放电。

图1 电晕放电机理示意图Fig. 1 Schematic diagram of corona discharge mechanism

放电电极可以采用阴电极或阳电极。 阴电晕形成只是在很大的电子亲和力的气体或混和气体中存在可能，比如含氧气的空气、硫化物气体等。

位于电晕场中的颗粒物吸附带电粒子机制理论主要有2 种：电场荷电——离子在电场作用下沿电力线作有规则运动，与粒子碰撞使粒子荷电；扩散荷电——由于离子的不规则热运动而与粒子碰撞以致粒子荷电。 在电晕场中颗粒物可以很快（s 级）充满电，理论上颗粒物带电量最大值与颗粒物粒径和电场强度有关，不会无限增加。

根据剩余荷电分选有关理论，荷电量可由式（1）表示，是介电常数、半径、时间的函数，是电场强度的线性函数。

2.2 装置组成

设计的电晕装置分为真空系统、电晕放电系统、测量采集系统3 部分（图2）。 真空系统具备抽真空和真空保持能力，使电晕放电系统处于低气压环境中；电晕放电系统具有放电电压可调、放电电流可监测功能，可控制电晕放电过程；测量采集系统具备测量月尘加电后对地电位的变化功能，实时采集并存储于计算机中，便于数据分析。

图2 电晕装置系统组成Fig.2 System composition of corona device

电晕放电系统参考针板式电晕放电原理，采用针式阵列放电电极增加效率和均匀性。 在针式电极和接地极之间增加月尘层和金属基板，使带电粒子在向接地极移动过程中附着在月尘颗粒上。

测量采集系统中原有静电电位动态测试仪的输入和输出为模拟信号，在原硬件的输出端加装数据采集模块，使模拟信号转换为数字信号输出，以便采集的数据存储在计算机上。 模拟月尘采用吉林大学研制的模拟月尘，其以吉林省辉南县境内的火山灰为主要原料，组成矿物为橄榄石、辉石、长石，粒径平均约70 ～100 μm。 装置系统组成及实物照片见图3、图4。

图3 电晕装置示意图Fig.3 Schematic diagram of corona device

图4 电晕装置测试平台Fig.4 Test platform of corona device

2.3 电晕放电性能测试

静电发生器间隔1 kV 依次输出为－1 ～－20 kV ，直到产生电晕放电击穿，刚刚发生击穿放电时，测试电位值有数个尖峰周期，听到轻微的噼啪声。 根据上述物理现象，确定真空罐内电晕放电需要的电极电压。

经过测试，在一定气压环境下，电晕放电的电压值为一定区间范围，低于该范围则达不到电晕放电条件，高于该范围则发生电晕放电击穿，详见图5。 气压越高电晕放电电压范围越宽；气压越低发生电晕放电的电极电压越低，即气压越低越容易发生电晕放电，且发生电晕放电后，再稍增加电压即发生击穿放电／火花放电。

图5 电晕装置起电晕电压Fig.5 Corona initial induced voltage inside the device

3 模拟月尘加电研究

3.1 电荷量测量方法

如图6 所示，金属基板与接地板构成平板电容器。 当金属基板上铺月尘时，在月尘携带负电荷的作用下，与接地板相对的金属基板内侧感应出与月尘同性电荷。 设月尘电荷面密度，则金属基板与月尘之间的电场强度为，见式（2）。

图6 月尘电荷测量Fig.6 Electric charge measurement of lunar dust

其中，金属基板的面积为，则金属基板上感应电荷量为式（3）：

测得的金属基板电位即电容器的电位差，电位差与电荷量和电容的关系见式（4）。

测得金属基板电位值，则可表征月尘的电荷量。

3.2 电荷量影响因素

根据式（1）电荷量影响因素主要有粒径、加电时间、电场大小／电压等，本文探究电场大小／电压和加电时间的因素影响。

先测试电压对电荷量的影响。 在2 ～100 kPa气压下施加刚好电晕放电电压，以产生电晕放电，测试月尘电荷量。

再测试加电时间对电荷量的影响，施加时间分别为20，60，180 s，测试金属基板上净电荷的电位值。

3.3 电荷保持时间

电荷保持时间采用衰减时间表示。 月尘吸附电荷后衰减到起始量的1／e 所用时长表示为衰减时间。 本文通过拟合衰减曲线测定衰减时间。

实验室条件下，将湿度影响的研究设置为2组对比试验。

1）实验室条件下（测试时温度20 ℃、湿度30%RH）的时间常数。 在100 kPa 下，电极电压－18 kV电晕放电，施加60 s 后断电，真空罐抽气，气压抽低压为100，80，60，40，20，10 kPa 及2 kPa以下（实际气压以实际压力为准），分别测试电荷衰减时间。

2）干燥条件下不同气压对时间常数的影响。100 kPa 下加干燥剂1 d 以上，使罐内空气和月尘保持干燥（测试时温度20 ℃、湿度10%RH 以下）。 测试过程同1）。

4 结果与讨论

4.1 电荷量影响因素测试结果

不同气压、加电时间对电荷量的影响如图7所示。 气压主要影响电晕放电电压，根据图5 所示可以看出，在100 kPa 下电晕放电电压约为－20～－15 kV，在10 kPa 气压下电晕放电电压约为－6～－5 kV，最低测得在2 kPa 气压下电晕放电电压约为－3 kV。 即电晕放电的电极电压受气压限制，一定气压下，电极电压在一定范围均可激发电晕放电，气压越高，激发电晕放电的最低电极电压也越高，可激发电晕放电的电极电压范围也越宽。从图7 可以看出，气压越高（电晕放电电压越高），月尘吸附电荷量相对越多。 电晕放电时间超过20 s 后，随着加电时间增加，电位值增长较缓，即延长加电时间不能显著增加电荷量。

图7 不同气压、加电时间对电荷量的影响曲线Fig.7 The effects of pressure and charge time on e⁃lectric charge

电极电压与吸附电荷量的关系如图8 所示。从图中可以看出，吸附电荷量与电极电压成线性关系，与理论公式（1）一致。

图8 电极电压与吸附电荷量的关系曲线Fig. 8 Relation curve of electric charge and electrode voltage

电极电压是模拟月尘吸附电荷量的主要影响因素，由于气压环境和电极电压的关联性，气压环境和电极电压对月尘电荷量的影响是一致的。 电晕放电的电极电压越高（气压越高），则月尘吸附电荷量相对越多，二者呈现明显的线性关系，与理论基本一致。

4.2 电荷保持时间测试结果

测得的实验室条件下和干燥条件下电荷衰减拟合曲线见图9、图10，其他气压下曲线电荷衰减曲线拟合方程见表1、表2。 在10 ～100 kPa 范围内月尘电荷衰减受低压影响较小，在相同温度湿度下，不同气压下电荷衰减时间常数没有明显差别。 在实验室条件下10 ～100 kPa 下电荷衰减时间为36～41 s，在干燥条件下10 ～100 kPa 电荷衰减时间为61 ～65 s。 空气中湿度越小越干燥，则同样的电荷量衰减时间越长。 在实验室条件下电荷衰减常数平均为37.8 s，而干燥条件下电荷衰减常数平均为63.2 s。

表1 实验室条件下电荷衰减拟合曲线与衰减时间常数Table 1 Fitting decay curve and time of electric discharge under laboratory environment

表2 干燥条件下电荷衰减拟合曲线与衰减时间常数Table 2 Fitting decay curve and time of electric discharge under dry environment

图9 实验室条件下电荷衰减拟合曲线（100 kPa）Fig.9 Fitting decay curve under laboratory environ⁃ment（100 kPa）

图10 干燥条件下电荷衰减拟合曲线（100 kPa）Fig.10 Fitting decay curve under dry environment（100 kPa）

5 结论

基于静电技术的电晕放电机理，本文设计了电晕放电试验装置，将电荷测量转换为电位的测量，并设计了模数转换模块，可实时记录数据并分析。

1）电晕装置具备可抽真空、放电电压可调、可等效测量电荷量等功能。 实验测试了电晕装置在2～100 kPa 气压下电晕放电基本特性。

2）使用设计的电晕装置进行测试，验证了采用静电技术给模拟月尘加载电荷的可行性，即在电晕场中，月尘能够吸附电荷。 测试结果表明电晕放电电压越高月尘电荷量越大。

3）在10～100 kPa 范围内测试两种不同湿度下电荷保持时间。 发现月尘电荷衰减受气压影响较小，空气中湿度越小（越干燥）则电荷衰减时间越长。

今后可在两方面进一步深入研究：一是根据测试结果强化除湿，测试极端干燥下的电荷保持时间，获取更长的保持时间；二是进行拓展测试，如针对火星表面富二氧化碳、低压气体环境的火星尘试验，研究模拟环境中的火星尘加电效应等。