地月平动点尘埃动力学特性原位探测方法研究

姜利祥，焦子龙，郑慧奇，李 昊，彭 忠，翟睿琼，商圣飞，徐焱林，孙继鹏，张立华，王 鹏，刘鸣鹤

（1. 可靠性与环境工程技术重点实验室； 2. 北京卫星环境工程研究所；3. 航天东方红卫星有限公司：北京 100094）

0 引言

1961 年，波兰天文学家Kazimierz Kordylewski称发现地月三角平动点L4 和L5 点处存在尘埃云，该尘埃云遂以他的名字被命名为Kordylewski dust cloud（KDC）。尘埃云的起源和演化对于相关学科的科学研究具有重要意义，同时尘埃云环境对于未来在地月三角平动点长期运行的航天器也可能是潜在威胁，因此需要开展KDC 的空间探测。不同学者对KDC 进行了研究，但对KDC 是否真实存在尚无定论，目前学界的主流观点认为该尘埃云是动态变化的。

日本 20 世纪 90 年代研制的HITEN 卫星曾采用撞击电离式探测器对地月L4/L5 点进行绕飞探测。撞击电离式探测器可对运动速度超过1 km/s的尘埃颗粒进行探测，获得其速度和质量；同时由于卫星为自旋稳定，可借此粗略估计尘埃颗粒入射方向。但HITEN 卫星探测数据未能证实KDC 的存在，其原因可能是卫星距离L4/L5 点较远，已超出KDC 的范围，也可能是尘埃颗粒与探测器间的相对速度低于探测器的灵敏度阈值。这是迄今为止唯一一次尝试对KDC 进行原位探测。英国肯特大学的Moeed 和Zarnecki对KDC 的天基观测可行性进行分析指出，相对于地面观测，原位探测更佳。他们基于继承性分析了多种探测载荷方案，包括CCD 相机获得尘埃颗粒图像、偏振仪获得尘埃颗粒空间密度分布的光学探测方案，以及撞击电离式、压电麦克风式、压电动量式等电测量方案。德国斯图加特大学的Laufer 等提出一种全电推进微小卫星平台（仅200 kg 重）对KDC 进行探测，采用的尘埃探测载荷为压电式。

国内方面，航天东方红卫星有限公司提出了KDC探测任务，任务的主要科学目标包括：1）确认KDC的动态分布规律；2）测量尘埃颗粒的电量、质量、通量密度以及环境参数，为KDC 的动态分布和捕获机理研究提供线索。任务的工程目标包括：1）确认地月三角平动点的空间环境参数；2）试验地月三角平动点的无动力巡航技术；3）验证高低速尘埃混合原位分析技术。为完成上述任务目标，开展探测的轨道主要有2 段：第1 段为飞掠探测段，此时探测器飞掠地月L4 和L5 点，对KDC 可能存在的密度较大的区域进行穿越探测，与地月L4 和L5 两点的相对速度为1～3 km/s；第2 段为平动点遍历段，完成对地月L4 点的遍历，与L4 点的相对速度为300 m/s。本文针对该项探测任务，对获得平动点附近区域高速、低速尘埃特性参数的方法进行分析讨论。

1 空间尘埃探测方法概述

尘埃的星载原位探测方法有多种。基于光学方法的探测器可以非接触方式对尘埃进行探测：在距离较远时，可通过尘埃颗粒的红外辐射或者散射的太阳光采用光度计进行探测；当尘埃接近航天器时，由于太阳照射，其轨迹在星空背景下很容易分辨，可通过成像仪或者人造光帘进行探测。尘埃颗粒撞击不同敏感表面产生的物理现象也可用于尘埃探测。例如，尘埃颗粒撞击金属靶标形成等离子体，监测其电荷及脉冲可得到尘埃颗粒的质量和速度；通过飞行时间法对离子进行分离，可测量尘埃颗粒成分；撞击过程产生闪光，或撞击压电晶体产生压电效应脉冲信号以及压电薄膜的去极化效应，均可用于记录撞击事件；尘埃颗粒撞击电容式结构产生瞬间的放电脉冲，可用于得到尘埃参数；尘埃颗粒撞击靶标形成撞击凹坑或击穿靶标，对撞击坑形貌及残留物进行分析可得到尘埃尺寸、速度及成分等信息。另外，如果能够捕获尘埃颗粒，则可实现原位多参数分析或返回地面后进行分析，现有的捕获方法包括气溶胶、减速后捕捉等。

尘埃原位探测主要是利用尘埃颗粒撞击产生的物理效应（参见图1）进行观测，但当尘埃颗粒速度低于1 km/s 时，这些现象并不显著，因此低速尘埃颗粒的探测装置不能直接用作高速尘埃颗粒探测载荷，需要在结构、电子学部分等方面改进设计或重新设计。本文基于已有研究成果，提出采用栅网-靶标复合探测方法，对高速和低速尘埃颗粒同时进行探测。

图1 尘埃颗粒探测方法Fig. 1 Method for dust particles detection

2 栅网式低速颗粒探测方法

Duncan 等提出了栅网式低速尘埃颗粒探测方法。如图2 所示，栅网1、3、5、7、9、11 为屏蔽栅网；在栅网2 上施加-5 kV 电压，用于屏蔽太阳风的干扰；栅网4、6、8、12 为测量栅网；10 为偏转极板。通过优化设计栅网及电子学部分，该探测载荷可对低速和高速颗粒进行探测，获得其速度矢量、电荷及质量等参数；但由于电子学部分采样频率的限制，使得高速颗粒信号信噪比较低，因此更适合低速颗粒的探测。

图2 栅网式尘埃颗粒探测载荷结构示意Fig. 2 Structure of grid for detection of dust particle

当带有一定电荷的尘埃颗粒（质量、速度）飞过栅网1～12 时，在栅网4、6、8、12 上产生感生电荷，其电荷大小与飞经位置有关。利用栅网4 和栅网12 可测量颗粒沿轴的飞经坐标，利用栅网6、8 可测量颗粒沿轴的飞经坐标。

根据Ramo-Shockley 理论，当电荷以速度在电极组中移动时，在第个电极上产生的感应电流为

3 靶标式高速颗粒探测方法

鉴于栅网式探测载荷较适合低速颗粒探测，考虑在测量栅网12 的后面增加靶标，利用靶标与高速颗粒撞击产生的不同现象，实现高速颗粒的参数测量。本文基于现有研究，对气凝胶靶标、电阻丝靶标、金属板靶标、电容式靶标、薄膜靶标及光帘式靶标等进行分析比较。

3.1 气凝胶靶标

SiO气凝胶是一种多孔低密度纳米材料，其孔径、孔隙以及粒径为数十nm 量级，在隔热、隔音及催化等领域有较多应用。1931 年，美国斯坦福大学的Kistler 在世界上首次制备出SiO气凝胶。1987 年，Tsou 等提出采用气凝胶作为尘埃颗粒采集介质，随后，将该设想在STS-47、STS-57、STS-60、STS-64、STS-68 等多次航天飞机飞行任务中进行了试验。高速运动的尘埃颗粒撞击气凝胶后被不断减速，最终停留在气凝胶内部，形成胡萝卜状径迹。该径迹长度一般为尘埃颗粒直径的数百倍，气凝胶表面被撞击形成的孔洞尺寸一般与颗粒尺寸相当。因此，可采用显微照相系统对气凝胶表面进行周期性扫描来观测其受尘埃颗粒撞击情况，如图3 所示，将显微照相系统安装于二维移动机构上，放置于不遮挡气凝胶的位置；气凝胶在空间暴露一定时间后，采用显微照相系统对其表面进行扫描，并对扫描图像进行分析，得到颗粒撞击通量。需要说明的是，低速颗粒同样会滞留于气凝胶表面，因此扫描获得的撞击通量实际上是高速颗粒和低速颗粒撞击通量的总和。

图3 气凝胶靶标探测示意Fig. 3 Dust detector with aerogel as a target

气凝胶靶标可长期使用，且密度低、质量小，但只能对颗粒撞击通量进行测量；同时，尘埃颗粒在气凝胶表面的撞击凹坑直径仅为μm 量级，对显微照相系统要求较高；且为了不遮挡气凝胶表面，需占用一定空间放置照相系统及机构。

3.2 电阻丝靶标

日本九州工业大学研制的电阻丝型低成本空间微小碎片传感器如图4 所示，为PCB 结构，板边长90 mm，上有128 条铜线，功耗0.01 W，质量30 g，可探测碎片直径范围100～600 μm。

图4 电阻丝靶标Fig. 4 Dust detector with resistance string as a target

针对行星际微流星体特征尺寸及速度范围，设计研制线宽为10 μm 的陶瓷基板或其他基板的PCB。陶瓷基板包括AlO陶瓷基板和AlN 陶瓷基板，其热导率更高，且具有耐高压、耐高温、防腐蚀、介质损耗低等特性。基于AlO陶瓷的直接镀铜陶瓷基板（DPC）可实现10～50 μm 的线宽设计。

电阻丝靶标功耗低，但其电阻丝为一次性的，不可重复测量，在尘埃颗粒通量较大时工作时间及寿命较短，且超高速撞击产生的凹坑直径是尘埃颗粒直径的数倍，因此电阻丝靶标难以精准获得尘埃颗粒的尺寸。

3.3 金属电离式靶标

对于高速尘埃颗粒，探测灵敏度最高的方法是电离式探测。高速尘埃颗粒撞击后，尘埃颗粒及部分靶材料汽化，被加热至10K 的高温，电离形成等离子体云，其离子或电子电荷电量与尘埃颗粒的质量和撞击速度有关，电荷脉冲上升时间与撞击速度有关，

式中：、、均为经验常数，一般取值为=1.0，=3.0，=-1.0；和值由试验确定。

因此，电离式靶标的材料可以选用铜、钼、钽等，撞击产生的等离子体脉冲信号由栅网12 进行收集，并由电子学部分进行分析，可获得高速尘埃颗粒的质量、速度以及撞击通量参数。

日本HITEN 卫星所用金属电离式靶标探测器的电荷灵敏度范围为5×10～1×10C，根据式(5)计算出其可探测的尘埃颗粒质量和速度范围如图5所示。

图5 电离式探测的尘埃颗粒速度和质量范围Fig. 5 Detection of dust particles in ranges of velocity and mass by ionization detector

如果噪声低至2.2×10A·s（rms），则电离式探测器可检测的电荷为1.5×10A·s，是HITEN 卫星所用探测器探测极限的1/30，那么所探测颗粒的质量和速度范围可进一步拓展：根据前述标定数据计算，可探测直径约1 μm、速度1 km/s 左右的颗粒。

金属电离式靶标可获得尘埃颗粒的速度、质量等参数，且工作时间长，但栅网12 既要用于收集等离子体电荷，还要用于低速尘埃颗粒测量，难以兼顾，无法实现最优设计，导致高速尘埃颗粒参数测量范围及精度受限。

3.4 电容式靶标

电容式靶标的工作原理是，当尘埃颗粒撞击电容时，表面电极被击穿，介质受到压缩，在激波等效应作用下产生瞬间放电；撞击后撞击位置处电极材料被移除，电容可恢复工作。类似的探测器在美国于1972 年发射的Explorer 46、1984 年发射的LDEF上均有应用。根据超高速撞击特性，电容结构越薄，其探测灵敏度越高。Kassel 研究发现，对于金属氧化物电容器，若其电解质厚度为0.4 μm，则探测灵敏度为

式中为颗粒直径。即若用电容式靶标探测直径为1 μm 的颗粒，则要求颗粒的最低速度为1.67 km/s。

同其他探测装置类似，电容式靶标仅能给出颗粒的撞击通量数据。

3.5 薄膜式靶标

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF）是一种永久极化的材料。当μm 厚的PVDF 薄膜被高速运动颗粒撞击时，撞击部位部分材料被移除，导致去极化，将形成一个ns 量级的电流脉冲。可利用PVDF 薄膜的这一特性，通过电路处理制成薄膜式靶标用于判断碰撞事件的发生。

薄膜式靶标不需要预先加偏压，结构简单，可靠性高；且PVDF 薄膜具有优良的空间环境耐受性能，对空间带电粒子无响应，因此极大减轻了信号处理、结构设计等工作。但薄膜式靶标对于速度不超过3 km/s 的颗粒只能给出其撞击通量数据。

3.6 光帘式靶标

欧空局在Rosseta 任务中采用了光帘式尘埃探测单元，其结构如图6 所示，4 个激光二极管作为光源发出激光光束，光束通过光学系统准直-扩束后形成100 mm×100 mm×3 mm 的光帘；当尘埃经过光束时产生的反射和散射光被光帘左右两侧的信号检测单元接收，对检测信号进行处理可得到尘埃颗粒的光学等效直径和速度估计值。

图6 光帘式探测器结构及原理示意Fig. 6 Structure and measuring principles of detector with light curtain

光帘式靶标长期工作时，其激光二极管的工作性能会明显下降；且单独使用光帘式靶标只能准确获得颗粒通量信息，若要获取更多的尘埃颗粒信息，需要综合其他探测方法或技术。

3.7 小结

通过上述分析可以看出，气凝胶靶标材料仅能获取颗粒撞击通量，且系统较为复杂；电阻丝靶标在颗粒通量较高时工作寿命较短；电容式、薄膜式、光帘式靶标仅能获得尘埃撞击通量；金属电离式靶标在高速颗粒探测时灵敏度最高，但由于其栅网部分需兼顾等离子体电荷采集，令其高速颗粒测量范围和灵敏度受限。综上认为，为实现最优探测效率应采用栅网-金属电离复合式探测方法，即在栅网式探测单元最后增加一个靶标，作为离子收集器。但是，复合式探测方法显著增加了信号处理的难度，尤其是在高、低速颗粒同时与探测器相互作用的情形下。

4 结束语

地月三角平动点由于其独特的动力学特性，可能存在尘埃聚集的现象，且一直处于动态变化之中。为更深入理解这种现象，需要研究尘埃的引力捕获和逃逸过程，对尘埃的动力学特性参数进行探测，而星载原位探测是优选方式。

本文提出栅网-靶标式组合探测方法，对其进行了初步设计分析。栅网式探测方法适合探测低速尘埃颗粒，可获得尘埃颗粒的速度矢量、质量、电荷等参数。靶标式探测方法适合探测高速尘埃颗粒，气凝胶、电阻丝、金属板、电容、薄膜、光帘等靶标可测量的尘埃颗粒参数以及应用优缺点各有不同。综合以上分析，采用栅网-金属电离复合式探测方法可实现高速尘埃颗粒和低速尘埃颗粒的同时测量。未来将进一步对探测装置的优化设计和信号处理方法等进行研究。