月塵對熱控系統的退化影響

張 濤 邵興國 向艷超

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

月球表面環境不同于一般衛星所處的太空環境,這個更加惡劣的環境無疑是對各種儀器設備熱控設計提出的嚴峻挑戰。其中非常值得注意的是,根據阿波羅飛船的飛行記錄,表明月球表面的月壤和月塵會嚴重影響月面探測器熱控系統的使用功能,是月面探測器系統設計所面臨的主要難題之一[1-2]。為了確保阿波羅登月計劃的順利實施,美國在20 世紀五六十年代針對月塵環境的成因、環境效應以及防護方法等進行了研究。近年來,隨著新一輪探月熱潮的到來,這方面的研究再次成為關注的焦點[3-6]。

我國月球探測計劃的長遠目標是建立月球基地,開發和利用月球上各種豐富資源。隨著我國一期工程嫦娥一號衛星飛行任務的圓滿完成,二期工程“落月”研究已經全面啟動,為了確保月面探測器能可靠地工作,因此開展對月塵環境及其對月面探測器熱控系統影響的研究勢在必行。

2 月塵環境概述

2.1 月塵的形成及特性

月球表面覆蓋的塵土主要是月球形成過程中由隕石體反復撞擊產生的顆粒,由于在流星體和微流星體等的長期撞擊作用下,月球表面覆蓋著厚厚一層未粘接的微小粒子,其平均直徑為40～130μm。由于月球的低重力(是地球的1/6)和近乎真空的條件,這些細小微粒很容易被自然或人為活動擾動而懸浮在空中,這些懸浮的粒子就是月球塵埃,簡稱為月塵。月塵在月面的分布很廣,其在各處的厚度也不同,薄的地方只有幾厘米,厚的地方有5～6m。月塵主要由晶質顆粒與較大的火成巖碎塊、玻璃質碎片(包括大量的玻璃球粒)及微量金屬顆粒組成,月塵大致的化學元素組成如圖1 中所示,其中Si、Fe、Ca、A l、O 這些元素的含量占到90%[7]。

月塵的特點與地球上粉塵相比具有相同之處,例如:由于腐蝕和研磨效應、機械的阻塞、密封和結合的損傷等所引起的機械運動方面的問題,以及影響受污表面特性的熱損耗。同時月球粉塵具有自身的特點:由于暴露在高能帶電粒子和微流星的輻射環境下,形成了月塵粒子小、尖和帶電的特點,月塵粒子的形態如圖2 所示[8-9]。

圖1 月塵中各化學成分含量Fig.1 Lunar dust composition

圖2 月塵顆粒Fig.2 Lunar dust particles

由于月塵粒子的小、尖、帶靜電的特性,使得月塵顆粒很容易會附著在與其接觸的各類表面上[10],包括月面探測器的光學鏡頭表面、輻射板以及太陽能電池基板等,再加之月球的真空和低重力環境,月塵很難自行脫落。附著于電子器件表面的月塵如果不及時清除,會進一步誘發部件過熱、機構卡死、密封失效、材料磨損、成像模糊、散光等一系列問題[1 1]。

此外,月塵粒子的質量、硬度、形態、大小、熱傳導率、電荷和顏色與地球上的粉塵都有很多明顯的不同。月塵的特性概括如表1 中所示。

表1月塵特性Table 1 Lunar dust characteristics

2.2 月塵的擴散

月塵對探測器熱控輻射面產生影響的前提是月塵必需附著于輻射表面上,因此對于月塵擴散機理的研究也顯得同樣重要。月球上沒有大氣,月塵的運動與地球陸地上有明顯的不同。由于沒有風的影響,除非有人為的(走路、降落)和自然的(微流星撞擊)的作用才會激起月塵的運動。月塵一旦被激起,由于月球的高真空和低重力環境導致月塵顆粒會在空中長時間運動,甚至連最小的月塵顆粒都會符合拋物線軌跡進行運動。事實證明月塵容易被激起并會傳播相當遠的距離。

概括起來激起月塵擴散的因素主要有兩種:自然因素和人為因素[12]。

2.2.1 自然揚塵事件

自然揚塵事件主要包括流星體撞擊和電磁移動現象。

典型的流星體撞擊月表時會激起100～1 000倍于它們質量的月塵。單個流星撞擊過程大部分動能在破碎過程中被消耗,少量顆粒因吸收能量而融化,熔融物與周圍的碎屑相互作用而形成玻璃,冷卻過程結束后,各種質地的顆粒會被玻璃焊接起來,形成粘合集塊,粘合集塊很快會再次破碎,這種“二次噴發”的數量取決于來襲流星的大小、速度和撞擊角度。經統計,一年時間里月球表面每平方米會受到平均95 次1 毫微克或更大流星體的撞擊[13]。

激起月塵的第二個自然事件是在月球晨昏線附近的靜電作用。根據現在流行的理論,細小的月塵顆粒有較高的比表面積和絕緣性,又在月球的高溫、強輻射環境和各種接觸、摩擦等作用下,所以易于帶電。月塵在光電效應、太陽風輻照作用下帶電之后,可長時間漂浮并移動。在月球的白天,月塵主要是因為太陽紫外輻射帶電。而在夜晚是由于太陽風的等離子輻射而使漂過月球晨昏線的月塵帶電。帶電的粒子揚起并進入陰暗面,有些光電子已經沉積下來。其結果是隨著月球晨昏線的移動,靜電把月球表面“攪動”了一番。這個事實得到了阿波羅17 號飛船宇宙塵埃試驗的證實[14-15]。

2.2.2 人為揚塵事件

以上的兩種自然的活動都不受人為因素的制約。相比之下人的活動揚起的月塵更加劇烈,航天員走路以45°踢起的月塵可以達到4m 高8m 遠。月球車(rooster tail)的設計在最高速度3.56m/s 勻速情況下月塵能揚出20m 遠。

人的活動(造成月塵揚起的活動)是在很寬的速度幅度內的,從走路這樣的低速運動到火箭發射和著陸這樣的高速運動。絕大部分月球上的微粒的運動只與它得到的初速度相關。表2 是一些典型人類活動的速度和月塵在此速度下達到的水平方向和垂直方向的最遠值。

表2 人為激起月塵的活動舉例Table 2 Anthropogenic transport mechanisms

3 月塵對熱控系統的影響

3.1 阿波羅月球車的研究

阿波羅飛船登月中,月塵對月球車(Lunar Roving Vehicle,LRV)上電池散熱面的退化影響是熱控面臨的最為嚴峻的問題之一[16]。電池散熱面所使用的是石英材質的二次表面鏡,月塵擁有較高的紅外輻射率(0.93),故對輻射面的輻射能力沒什么影響,但同時月塵也擁有相對較高的太陽吸收率(0.76),所以當輻射器上落下了一定量的月塵后就會因過多吸收太陽輻射造成額外熱負荷。

月球車上的電池組散熱面在設計時已經考慮了月塵的影響,電池組散熱面安放于車體的前端,出艙活動(EVA)期間散熱面有月塵防護罩保護,在兩次出艙間隔期間打開防護罩進行散熱。同時,考慮到保護罩并不能完全阻擋月塵對散熱面的污染,航天員還會利用尼龍刷對散熱面上沾染的月塵進行清掃。在阿波羅-15 飛船探月過程中,月球車在第一次出艙活動(EVA-1)和第二次出艙活動(EVA-2)間隔期間,電池散熱面能很好的對電池進行降溫。但當月塵在輻射面上積累到一定程度后,在EVA-2和EVA-3 的間隔期間輻射散熱器基本就不能對電池起到散熱作用了,電池組的溫度上升到了47 ℃,已接近了其最高工作溫度上限51 ℃[17]。同樣在阿波羅-16 飛船探月時,月球車在EVA-1 與EVA-2間隔期間電池的預期降溫為28 ℃,而實際只降了11 ℃,然后在EVA-2 期間達到了電池的溫度上限。而在EVA-2 和EVA-3 間隔期間的降溫過程更是只降了2 ℃,于是在EVA-3 期間電池溫度很快就超過了其上限,如圖3 所示[18]。阿波羅-7 飛船探月時其電池的情況也與阿波羅-16 飛船時基本相同[19]。

圖3 月球車工作期間電池溫度的變化情況Fig.3 Temperature excursions in lunar rover bat teries

同樣由于輻射器排熱能力在月塵的作用下產生退化,阿波羅-12 登月艙上5 個溫度測點的溫度比預期值高38 ℃。而阿波羅-12 上攜帶的用于實驗的阿波羅月面實驗箱(A LSEP)在月面工作時,同樣經歷了比預期要高很多的溫度。實驗箱中的月面磁力計的設計最高溫度為65 ℃,由于月塵對熱控表面污染的影響,在太陽高度角從55°到140°過程中(大約經歷了6.6 個地球日)溫度超過上限達到79 ℃。同樣,被動地震儀的預期最高溫度61 ℃,也由于月塵的覆蓋使得溫度達到89 ℃。月面實驗箱(ALSEP)的超溫現象說明,類似實驗箱這種小型、散熱面貼近地面且與著陸地點較近的設備,月塵污染將是一個非常致命的問題。

3.2 勘測者-3 的熱控面研究

獲取空間環境對熱控面影響的信息最好的方法就是通過真實的飛行試驗獲得,1969年的阿波羅-12 登月任務中,航天員對在月面經歷了2.5年的勘測者-3(Surveyor-Ⅲ)探測器進行采樣返回,以獲得月面環境對各熱控表面的影響參數[20-22]。

由于阿波羅-12 登月艙在距離勘測者-3 大約155m 的位置著陸,使得勘測者-3 表面附著了大量月塵,如圖4 中所示的勘測者-3 相機鏡頭上覆蓋了一層連續的月塵。同時由于紫外輻射和太陽質子等的老化作用,勘測者-3 樣品上的熱控白漆變為了棕褐色。

圖4 勘測者-3 相機鏡頭上的月塵Fig.4 Lunar dust covered on Surveyor-Ⅲcamera mirror

通過對樣品的測試發現,勘測者-3 攝像機上的無機熱控白漆,由于月塵的污染其太陽吸收率從原來的αs=0.14 變為αs=0.61,這就意味著在相同的太陽輻射條件下其吸收的太陽熱量變為原來的4倍。同樣的,光亮鋁表面也由于月塵的污染使得太陽吸收率大幅的增加,對返回樣品兩個不同部位的光亮鋁表面太陽吸收率測試結果如表3 中所示。

表3 勘測者-3 樣品上光亮鋁表面的太陽吸收率Table 3 Solar absorptance of the Surveyor-Ⅲpolished aluminum

3.3 地面試驗研究

對月塵影響的研究,早在20 世紀五六十年代,為了確保阿波羅登月計劃的順利實施,美國就針對月壤、月塵環境的成因、環境效應以及地面模擬方法等進行了研究。

NASA 的馬歇爾航天飛行中心(Marshall Space Flight Center,MSFC)曾經在1967年贊助諾思羅普空間實驗室(Northrop Space Laboratory)對月塵對溫控表面的影響、月塵的防止和除去等方面進行了研究[23-26]。使用過濾后的玄武巖塵來模仿月塵,研究了月塵對溫控表面的影響。研究表明月塵的尺寸分布和總重量不是造成太陽光線吸收的主要因素,可以不考慮,但尺寸大的月塵容易清除,殘留的污染物尺寸一般小于2μm。月塵的紅外發射率和輻射器表面相近,對輻射器的輻射能力影響不大,但其吸收率較高,使得輻射器對可見光及紫外線的吸收增加,使得輻射器溫度升高,并且月塵對輻射器吸收率的影響是非線性的,11%的月塵覆蓋就可造成吸收率翻倍[27]。另外,Keihm 和Langseth[28]通過阿波羅-17 進行的實驗測得月球表面月壤的有效導熱系數為1.5×10-3W/(m ·K),月塵覆蓋于輻射表面將形成一層熱阻,這也使得熱量散發受阻,增加了溫控負擔。因此,月塵落在輻射器表面上將引起極為嚴重的溫控問題。

諾思羅普空間實驗室同時對8 種不同的輻射器表面除塵方法進行了研究,包括尼龍刷、靜電簾、靜電表面、噴流護罩、噴流表面、旋轉表面、旋轉護罩以及振動表面。其中振動表面、噴流護罩還有尼龍刷三種方案最值得考慮并進行了使用這三種措施時輻射器表面溫度測試的實驗,實驗表明在這些措施中,噴流表面效果最好,其后是尼龍刷,其后是噴流護罩,最后是振動表面,但是所有方法中沒有一個是效果較為明顯的。考慮到尼龍刷系統重量最小,在阿波羅-15、16、17 飛船上均采用了此種方法進行月塵的清除,但如前所述并沒有獲得預期的成效,較細微的月塵由于靜電等因素難以通過尼龍刷清除,月球車在一定工作時間后,仍然由于月塵的堆積造成散熱不足,導致電池系統溫度過高。顯然,月面上月塵對熱控面的影響比在地面上所考慮和模擬的要嚴重的多,尤其對于最為細微的那部分月塵顆粒,通過刷子的方法根本難以去除。由于額外的太陽熱載荷是與散熱面被月塵覆蓋的份額成比例的,這些細微的月塵很快就會將散熱面全部覆蓋使得太陽熱載荷增大,散熱面失效。因此,對月球環境的模擬必須非常全面和準確才能比較真實地反映出月塵對散熱面的影響,不僅僅是通過真空試驗就能確定的,更好的方法是在去往月球的航行中為宇航員和儀器設備的絕熱系統的性能做各種測試,而地面實驗的重點要鎖定在模擬真實的被月塵覆蓋后的絕熱退化效果。

近年來, 在 NASA 格倫研究中心(Glenn Rearch Center,GRC)正在研制能較為準確模擬月塵環境的月塵實驗罐(Lunar Dust Adhesion Bell Jar,LDA B),以研究月塵沾染到像熱控輻射面這樣的敏感表面上時所造成的影響。月塵實驗罐(LDAB)能夠在真空下對月塵或月壤進行模擬,實驗罐中的殘留氣體通過一個物質分光計進行控制,并能夠通過不斷的熱循環形成一個氫/氦等離子體環境。開始測試時,模擬月塵將被篩選到樣品上并通過一個顯微相機或一個微天平確定塵土的覆蓋情況,包覆著所要測試表面的樣品使用疝弧燈加熱和冷壁面環境散熱,這樣通過樣品動態的溫度情況就可確定出月塵對測試表面紅外發射率及太陽吸收率的影響。月塵實驗罐(LDAB)的特征圖如圖5 所示,集成了這些性能的月塵實驗罐可在地球上較好地對月塵影響進行模擬。

圖5 月塵實驗罐(LDAB)特征示意圖Fig.5 Sketch of Lunar Dust Adhesion Bell Jar

4 防/除塵方法

阿波羅登月的經驗指出,在月面想長時間保持熱控效率是很困難的。被月塵污染后熱控材料表面的表面特性會受到嚴重的影響,并且當時所使用的清除月塵的方法也被證實沒有什么明顯的效果。因此,研究新的防/除塵策略以保證熱控系統長期高效的工作是非常有必要的。

一般而言有三類方法可用來保證熱控系統的長期工作:1)利用月塵的高發射率,直接將系統設計為能夠忍受月塵的污染;2)設計熱控表面使得月塵的堆積污染最小化;3)開發出能高效地從熱控表面將月塵清除的措施。

對于第一種直接忍受月塵污染的方法,雖然看似簡單,但在實際中卻難以獲得真正的運用。如前所述月塵擁有較高的太陽吸收率和較低的導熱系數,通過計算可以知道,一個發射率為ε=0.85、輻射熱量設計值為100W/m2的散熱面, 在覆蓋了1mm 厚月塵后其穩態溫度將上升至75 ℃,這個溫度對于多數設備器件而言都是難以承受的。因此,實際應用中應該是以防塵和除塵為主,并結合一定高溫忍受能力的一個綜合方法。

一種正在被研究的被動防塵方法是借鑒自然界荷葉不被水附著的原理[29],在散熱面上增加細小的紋路,這些紋路的尺寸比月塵顆粒的特征尺寸還要細小,當月塵與這種散熱面接觸時就相當于與一個納米級的“針床”接觸而不是與一個平面接觸,這大大減小了月塵顆粒與散熱面之間的接觸面積,從而減弱了它們之間的附著力,達到防塵的目的。

另一種被動防塵的方法不是針對熱控表面,而是從散熱面周圍的環境入手。T aylor 等人[30]發現月塵中所含有的納米級鐵顆粒能夠吸收微波輻射,于是Taylor 等人提出使用一定能量的微波輻射將需保護表面(如散熱面)附近的月塵顆粒進行燒結,從而達到防止月塵污染表面的作用。雖然微波燒結并不能去除所有的月塵顆粒,但也能較大程度地減輕月塵對熱控表面的污染和影響。

靜電防護法也是一種有效的被動防塵方法。其原理是將一個α粒子源,例如219Po 放在熱控表面附近,α粒子在真空中有較長的射程,其聚集在月塵上會使得月塵帶上正電荷。再將一個帶負電的吸附板放置于熱控表面附近,它可以吸附那些帶上正電的月塵,從而使熱控表面免受月塵污染。當月塵粒子落在帶負電的吸附板上后,電荷被中和,月塵從板子滑落到月球表面。類似地,也可以使用β 粒子源和帶正電的吸附板。使用β 粒子源可以更好地利用月塵在紫外線作用下容易帶正電的性質。

研究人員同時也在考慮著許多有效的除塵方法。如薄膜保護層法,它是在熱控表面覆蓋多層極薄并且對熱輻射透明的保護膜。當保護膜被灰塵污染后,將表面一層的保護膜撕去,露出新的保護膜。這種方法可以使熱控面長期保持一個極高的清潔度,但是實際中完全對散熱面熱輻射性能不產生影響的保護膜材料是不存在的,并且保護膜控制機構會使原有的系統更為復雜化,可靠度降低。

Taylor 等人[31]提出一種尼龍刷和磁力刷相結合的除塵方法。尼龍刷可去除較大的月塵顆粒,而磁力刷通過對月塵中鐵元素的作用可去除月塵中較細小的顆粒,兩者結合達到有效除塵的目的。

5 結束語

由于月塵具有高吸收率、低導熱以及高吸附性等特性,將會對月面探測造成非常嚴重的熱控問題。本文對一些關于月塵的成因、特性和對熱控表面的影響方面的文獻進行了初步調研和整理,對月塵影響的方式,模擬試驗的方法以及除塵抑塵的構思進行了介紹。可為探月儀器設備的熱控面進行熱設計、熱分析時提供參考。

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