月面和近月空間環(huán)境及其影響

陳 磊 李 飛 任德鵬 蔡震波

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

月球探測(cè)器在繞月飛行和月面探測(cè)過(guò)程中將遭遇到近月空間和月球表面的各種環(huán)境,而這些環(huán)境因素將對(duì)月球探測(cè)器的性能、可靠性和工作壽命產(chǎn)生直接或間接的影響[1-3]。

國(guó)外在月球探測(cè)過(guò)程中對(duì)月面環(huán)境開展了大量的研究和試驗(yàn)工作。從蘇聯(lián)發(fā)射的第一個(gè)月球探測(cè)器月球1 號(hào)(Luna-1)第一次拍攝了近距離的月球照片開始,到后來(lái)人類成功地進(jìn)行了月面硬著陸探測(cè)、軟著陸探測(cè)、巡視探測(cè)和自動(dòng)采樣返回,對(duì)月面環(huán)境均進(jìn)行了先期大量的理論研究和地面驗(yàn)證試驗(yàn)。美國(guó)發(fā)射的無(wú)人月球探測(cè)器對(duì)月球?qū)崿F(xiàn)了硬著陸和軟著陸探測(cè),并發(fā)送回了大量的月球圖片和分析數(shù)據(jù);后來(lái)的阿波羅(Apollo)飛船實(shí)現(xiàn)了人類的載人登月,所有這些無(wú)人和載人月球探測(cè)的成功實(shí)施,都是在開展了大量的月球環(huán)境研究的基礎(chǔ)上完成的,例如:針對(duì)阿波羅飛船,美國(guó)專門制定了試驗(yàn)計(jì)劃,即阿波羅工程系統(tǒng)級(jí)或艙段的研制試驗(yàn),在休斯敦載人航天中心(M SC)建造的兩臺(tái)大型空間環(huán)境模擬器(模擬器A 和模擬器B)上完成的。阿波羅飛船所做的大量環(huán)境試驗(yàn)主要包括:噪聲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、飛船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、熱環(huán)境試驗(yàn)等;在材料評(píng)價(jià)試驗(yàn)方面主要進(jìn)行了:紫外/粒子綜合輻照環(huán)境試驗(yàn)、真空環(huán)境下材料性能試驗(yàn)、加速壽命試驗(yàn)等。在艙外活動(dòng)單元的熱真空鑒定試驗(yàn)方面,進(jìn)行了54h 的太陽(yáng)模擬器熱浸工況后,接著進(jìn)行15h 的冷浸工況,最后進(jìn)行了15h 的太陽(yáng)模擬器熱浸工況。除了上述基本試驗(yàn)之外,NASA 還開展了大量的航天員操作適應(yīng)性試驗(yàn)、1/6gn重力環(huán)境下熱真空試驗(yàn)以及月塵粘附在探測(cè)器表面對(duì)其表面熱特性影響的評(píng)價(jià)試驗(yàn)等[1]。

2 月球環(huán)境

月球環(huán)境主要包括:月面低重力、月面溫度、空間輻射、月壤、月塵、月面地形地貌、月面靜電等。

2.1 月面低重力

月球表面重力加速度約為1.62m/s2,與地球表面重力加速度9.8 m/s2相比,月球表面重力加速度約為地球的1/6[1,4-5]。

月球重力場(chǎng)分布不均勻,一些月海盆地內(nèi)有重力異常,稱為質(zhì)量瘤(M ascons)。當(dāng)月球探測(cè)器的軌道等設(shè)計(jì)需要更為詳細(xì)的月球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)采用月球重力場(chǎng)模型,月球重力場(chǎng)模型一般是特指球諧函數(shù)系數(shù)的集合,月球引力位勢(shì)在月固坐標(biāo)系中的球諧系數(shù)的級(jí)數(shù)形式如式(1)所示[4-10]。

目前,較為準(zhǔn)確的月球引力場(chǎng)模型是LP165P模型,該模型是Konopliv 利用多步法分析月球探測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)后獲得的,其有效階次在月球正面為110,背面為60。

2.2 月面溫度[1-2,4-6]

月面溫度環(huán)境也稱為月球熱環(huán)境,包括太陽(yáng)直接輻照、月球反照、月面紅外輻射、地球反照等因素。

太陽(yáng)直接輻射主要來(lái)自太陽(yáng)電磁輻射的可見(jiàn)光、紅外光、X 射線等。NASA 通常采用的太陽(yáng)常數(shù)值為S =1 353±21W/m2,我國(guó)國(guó)軍標(biāo)也采用了此數(shù)值。

在航天工程設(shè)計(jì)中較權(quán)威的月球反照率數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1。

表1月球前表面和后表面的標(biāo)稱反照率Table 1 Nominal albedo of lunar frontal surface and lunar back surface

月面自身存在紅外輻射,在具有平均反照率0.110 的一個(gè)單元面積上,月球表面的熱輻射大約是310W/m2。

由于地月距離約380 000km,地球反照對(duì)月面環(huán)境的影響較小,基本可以忽略不計(jì)。

由于沒(méi)有大氣的熱傳導(dǎo),月球表面白天與夜晚的溫差很大,白晝溫度約為400K,太陽(yáng)不能照射到的陰影區(qū)和夜晚期間的月球表面溫度約為90K。月球表面不同區(qū)域的平均溫度及月變化幅度詳見(jiàn)表2。

表2月球表面平均溫度Table 2 Average temperature of lunar surface

2.3 近月空間輻射

近月空間輻射環(huán)境分為太陽(yáng)電磁輻射和帶電粒子輻射[1,4-6]。

2.3.1 太陽(yáng)電磁輻射

月球環(huán)境電磁輻射的特征包括:太陽(yáng)總電磁輻射能量、太陽(yáng)輻射通量隨波長(zhǎng)的分布、太陽(yáng)活動(dòng)期間太陽(yáng)輻射通量的變化等。太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射隨波長(zhǎng)的變化叫太陽(yáng)光譜,太陽(yáng)光譜分區(qū)如表3 所示。

表3 太陽(yáng)光譜分區(qū)Table 3 Action spactrum subarea

太陽(yáng)總電磁輻射能量稱太陽(yáng)常數(shù),由于地月之間平均距離相對(duì)日地之間和日月之間的平均距離而言是個(gè)小量,因此,近月空間的太陽(yáng)常數(shù)近似與近地空間的太陽(yáng)常數(shù)一致。

2.3.2 帶電粒子輻射

月球表面上可遭遇的帶電粒子輻射主要來(lái)源于太陽(yáng)宇宙線、銀河宇宙線以及太陽(yáng)風(fēng)。

1)太陽(yáng)宇宙線

太陽(yáng)宇宙線主要包含質(zhì)子,也包含少量重離子。太陽(yáng)宇宙線在太陽(yáng)耀斑強(qiáng)烈爆發(fā)期間大幅增強(qiáng),太陽(yáng)宇宙線的強(qiáng)度和能譜隨太陽(yáng)活動(dòng)(太陽(yáng)活動(dòng)周期平均為11年)變化而變化,按其強(qiáng)度可將太陽(yáng)宇宙線事件分為8 級(jí),如表4 所示。

表4 太陽(yáng)宇宙線事件的分類Table 4 Category of solar cosmic rays

2)銀河宇宙線

銀河宇宙線是來(lái)源于太陽(yáng)系以外銀河的通量很低但能量很高的帶電粒子,其粒子能量范圍一般是102M eV～109GeV,大部分粒子能量集中在103～107M eV,在自由空間的通量一般僅有0.2～0.4cm-2·sr-1·s-1。銀河宇宙線幾乎包含元素周期表中所有元素,但主要成分是質(zhì)子,約占總數(shù)的84.3%,其次是α粒子,約占總數(shù)的14.4%,其他重核成分約占總數(shù)的1.3%。

銀河宇宙線的強(qiáng)度變化有周期性和非周期性兩種。前者如半日變化、太陽(yáng)日變化、27 天變化、11年和22年變化等,這些變化以11年變化最為顯著,變化幅度小于50%。非周期性變化有宇宙線暴等。

3)太陽(yáng)風(fēng)

太陽(yáng)風(fēng)屬于稀薄熱等離子體,主要成分是電子和質(zhì)子,占95%以上,重離子成分主要是氦離子,約占4.8%,其它成分如氧離子、鐵離子等含量甚少。

太陽(yáng)風(fēng)流速不均勻,既有空間分布不均勻,也有速度高低之分,數(shù)量高達(dá)900km/s,低至200km/s。太陽(yáng)風(fēng)粒子密度波動(dòng)大,平均密度高達(dá)106/m3,太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)平均值約6nT 。

2.4 月壤與月塵

根據(jù)NASA 對(duì)阿波羅飛船月球樣品的分類定義[2 ,4-6,11]:

月巖(Lunar Rocks)指顆粒直徑≥1 cm 的部分;

月壤(Lunar Soil)指顆粒直徑在1mm～1cm 的部分;

月塵(Lunar Dust 或Lunar Fines)顆粒直徑＜1 mm 的部分。

其中月塵是整個(gè)月壤樣品的主要組成部分,在大部分月壤樣品中占總重量的90%以上。

在很多參考文獻(xiàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中依然將月巖、月壤、月塵統(tǒng)稱為月壤,本文中不嚴(yán)格區(qū)分三者的差異。月壤的主要參數(shù)詳見(jiàn)表5。

表5月壤主要參數(shù)Table 5 Primary parameters of lunar soil

2.5 月面地形地貌

整個(gè)月球表面總體上可分為月海和高地兩大地理單元。月海是月面上寬廣的平原,約占月表面積的17%。大多數(shù)月海具有圓形封閉的特點(diǎn),為山脈(細(xì)長(zhǎng)伸延的山地)所包圍,類似于地球上的盆地。高地是指月球表面高出月海的地區(qū),一般高出月球水準(zhǔn)面約2km～3km,面積約占月面面積的83%[2]。

月海和高地均覆蓋有不同尺寸和形狀的石塊和撞擊坑。撞擊坑是指布滿月球表面的環(huán)形撞擊坑構(gòu)造,包括環(huán)形山、輻射紋以及與撞擊坑有關(guān)的隆起構(gòu)造。

月海可以分為平坦月海(smooth mare)和崎嶇月海(rough mare)。平坦月海撞擊坑分布較少,具有較少的石塊分布;崎嶇月海,具有一些新鮮坑,撞擊坑分布相對(duì)較多。高地分為丘陵高地(hummocky upland)和崎嶇高地(rough upland)。

圖1 不同地形的月表平均坡度隨基線變化情況Fig.1 Lunar surface average gradient of different terrains along with baseline changing

不同地形地貌的月表平均坡度變化如圖1 所示,月表撞擊坑和石塊的直徑與數(shù)量分布的規(guī)律詳見(jiàn)圖2、圖3[4-6,12-14]。

圖2 撞擊坑累積分布Fig.2 Cumulative crater distribution

上述分類只說(shuō)明區(qū)域總體地形特征,對(duì)于特定的區(qū)域而言,例如平坦月海區(qū)域,可能存在比崎嶇月海還崎嶇的小區(qū)域。

圖3 石塊累計(jì)分布Fig.3 Cumulative numbers of blocks

2.6 月面靜電

光照情況下,太陽(yáng)光照射下的月面,由于太陽(yáng)紫外線和X 射線對(duì)月塵造成光電子發(fā)射,從而使月塵帶輕微正電。

在沒(méi)有太陽(yáng)光照射的情況下,月塵沒(méi)有光電子發(fā)射,此時(shí)由于太陽(yáng)風(fēng)的存在,太陽(yáng)風(fēng)粒子可對(duì)月塵產(chǎn)生輕微充電。

3 月面環(huán)境對(duì)探測(cè)器的影響

3.1 月球低重力環(huán)境的影響

在月球探測(cè)器設(shè)計(jì)中,應(yīng)該在以下幾個(gè)方面考慮1/6 重力環(huán)境的影響。

1)在機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力矩的安全裕度設(shè)計(jì)中,應(yīng)該考慮1/6 重力的影響,如著陸緩沖機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)翼、定向天線等機(jī)構(gòu)的展開和轉(zhuǎn)動(dòng)等。

2)在探測(cè)器熱控分系統(tǒng)流體回路的設(shè)計(jì)中,需考慮1/6 重力影響。將散熱面適當(dāng)傾斜,以保證探測(cè)器在一定的傾斜狀態(tài)下仍具有散熱能力。

3)著陸緩沖過(guò)程中主要考察能量的吸收,通過(guò)模擬著陸時(shí)的速度,來(lái)考察著陸緩沖過(guò)程動(dòng)能的吸收。

3.2 月面溫度環(huán)境的影響

探測(cè)器在月面工作期間會(huì)經(jīng)歷月面的熱環(huán)境,其特點(diǎn)是溫差大(月晝期間月表最高溫度可達(dá)120 ℃、月夜期間月表溫度可降至-180 ℃)、晝夜過(guò)渡期間溫度變化快(最大瞬態(tài)溫變率＞2 ℃/min),針對(duì)探測(cè)器經(jīng)歷的特殊的熱環(huán)境及工作特點(diǎn),需要采取合理的熱控措施及試驗(yàn)驗(yàn)證。

1)艙內(nèi)可采取主動(dòng)控溫措施,保證設(shè)備能夠工作和貯存在所要求的溫度范圍內(nèi);注意月夜期間的保溫,保證溫度滿足儲(chǔ)存指標(biāo)要求。

2)艙外可采取被動(dòng)控溫措施,部分設(shè)備可包覆多層隔熱材料或采取隔熱處理。

3)根據(jù)探測(cè)器經(jīng)歷的特殊熱環(huán)境及對(duì)應(yīng)的工作特點(diǎn),需對(duì)組件進(jìn)行熱循環(huán)、熱真空、高溫存儲(chǔ)及低溫存儲(chǔ)等試驗(yàn)項(xiàng)目,驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的正確性以及設(shè)備或組件對(duì)熱環(huán)境的適應(yīng)性。

3.3 空間輻射環(huán)境的影響

月球探測(cè)器由運(yùn)載器發(fā)射,需穿越地球輻射帶。而在穿越地球磁層之后的奔月過(guò)程以及月面工作期間,探測(cè)器只有在發(fā)生太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)才會(huì)經(jīng)歷大量帶電粒子環(huán)境,而平時(shí)只面臨銀河宇宙線環(huán)境,其空間輻射防護(hù)設(shè)計(jì)的措施與規(guī)范,可參考高軌衛(wèi)星以及國(guó)內(nèi)外月球探測(cè)器。

對(duì)于紫外輻射、電離總劑量、單粒子效應(yīng)、低氣壓放電、靜電放電(ESD)等對(duì)探測(cè)器的影響需進(jìn)行深入分析,以確定對(duì)元器件及材料選擇、應(yīng)用及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等具體要求。

3.4 月壤的影響

月壤對(duì)探測(cè)器的影響如下。

1)對(duì)著陸沖擊及穩(wěn)定性的影響

在月球探測(cè)器的軟著陸過(guò)程中,主要是月壤的物理力學(xué)特性參數(shù)影響探測(cè)器的著陸沖擊和著陸穩(wěn)定性,具體包括干密度、孔隙比、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮指數(shù)、承載力、含水率等。

2)對(duì)導(dǎo)航敏感器的影響

月球探測(cè)器設(shè)計(jì)中,導(dǎo)航敏感器關(guān)鍵參數(shù)的獲取主要依靠查閱國(guó)外相關(guān)資料以及參考國(guó)內(nèi)外其他月球探測(cè)器的研究成果。

3)對(duì)月球探測(cè)器月面移動(dòng)的影響

在月球探測(cè)器研制過(guò)程中,充分考慮月壤物理力學(xué)特性對(duì)月球探測(cè)器移動(dòng)性能的影響。在月壤物理力學(xué)特性中,承載特性與探測(cè)器車輪的下陷量、行駛阻力密切相關(guān);剪切特性與月面施加給車輪的最大剪切力有關(guān),最大剪切力與行駛阻力之差即為掛鉤牽引力,而掛鉤牽引力決定了月球探測(cè)器的移動(dòng)性能。

3.5 月塵的影響

月塵對(duì)探測(cè)器的影響如下。

1)自然因素導(dǎo)致月塵激揚(yáng)對(duì)探測(cè)器的影響

由于微流星撞擊和月球日升(落)時(shí)候明暗交界處的靜電效應(yīng),使得月塵顆粒中較小的(亞微米量級(jí))尤其對(duì)于粒徑小于0.5μm 的部分,這些顆粒重力被靜電力平衡,懸浮在距離月表0.4～20m 之間的高度范圍內(nèi),對(duì)探測(cè)器的部分外露設(shè)備會(huì)造成一定的影響。

2)發(fā)動(dòng)機(jī)噴流影響作用下引起月塵激揚(yáng)對(duì)探測(cè)器的影響

在探測(cè)器軟著陸過(guò)程中,發(fā)動(dòng)機(jī)噴流作用于月面會(huì)引起月塵的激揚(yáng),會(huì)對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生影響。

3)軟著陸沖擊過(guò)程中引起月塵激揚(yáng)對(duì)探測(cè)器的影響

針對(duì)軟著陸沖擊過(guò)程中引起月塵的激揚(yáng)對(duì)探測(cè)器的影響進(jìn)行分析,可能會(huì)對(duì)探測(cè)器造成影響。4)車輪行走造成的黏附起塵對(duì)探測(cè)器的影響探測(cè)器在月面上工作和移動(dòng),不可避免地接觸月塵,黏附起塵可能會(huì)對(duì)探測(cè)器造成危害。

針對(duì)以上四個(gè)方面的影響,月球探測(cè)器在設(shè)計(jì)上需要考慮相應(yīng)的月塵規(guī)避措施,或者留有足夠的余量;另外,需要進(jìn)行必要的月塵地面模擬試驗(yàn),以驗(yàn)證設(shè)計(jì)措施的合理性。

3.6 月面地形地貌的影響

探測(cè)器著陸區(qū)附近屬于月海地形,著陸區(qū)的撞擊坑、坡度和月面巖石的分布情況,可以參照月海區(qū)域內(nèi)的分布情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)嫦娥工程月球手冊(cè)提供的月面地形、石塊、撞擊坑的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),結(jié)合國(guó)家天文臺(tái)提供的著陸區(qū)附近區(qū)域三維數(shù)字地形圖,對(duì)著陸過(guò)程和著陸安全性給出評(píng)估。

1)對(duì)著陸安全性的影響

對(duì)于著陸安全性,應(yīng)對(duì)著陸可靠性評(píng)估方法進(jìn)行研究:根據(jù)月面地形地貌(石塊、撞擊坑、坡度等分布概率),分析著陸到安全區(qū)域的概率,給出評(píng)估著陸可靠性的方法和分析結(jié)果。為優(yōu)化制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(GNC)設(shè)計(jì)方案和探測(cè)器系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)措施提供依據(jù),以確保軟著陸的可靠性。

2)對(duì)探測(cè)器月面移動(dòng)的影響

為使探測(cè)器順利在月面前進(jìn),探測(cè)器導(dǎo)航控制方面具有一定的障礙識(shí)別和自主避障能力,移動(dòng)方面具有良好的通過(guò)性、機(jī)動(dòng)性以及地形適應(yīng)性。

3.7 月面靜電的影響[1,4-6,15-17]

1)光照情況下

太陽(yáng)光照射下的月面,月塵帶電的原因,是由于太陽(yáng)紫外線和X 射線對(duì)月塵造成光電子發(fā)射,從而使月塵帶正電。由于光電子能量通常很低,只有幾eV～10eV,因此這種情況下,月塵帶的正電位最高只能到達(dá)光電子的溫度量級(jí),即+幾V～+幾十V(通常此電位約在+20V 左右)。

月球探測(cè)器著陸位于月球的光照區(qū)時(shí),探測(cè)器自身也由于光電子發(fā)射,而帶上光電子溫度量級(jí)的正電位,也是+幾V～+幾十V。因此,在著陸瞬間,探測(cè)器與月面之間的電位基本相同,不會(huì)發(fā)生具有危害性的高電位差。

因此,探測(cè)器在光照區(qū)實(shí)施月面著陸時(shí),月面帶電對(duì)探測(cè)器不會(huì)造成影響。

2)非光照情況下

在沒(méi)有太陽(yáng)光照射的情況下,月塵沒(méi)有光電子發(fā)射,此時(shí)由于太陽(yáng)風(fēng)的存在,太陽(yáng)風(fēng)粒子可對(duì)月塵產(chǎn)生充電。根據(jù)太陽(yáng)風(fēng)中電子與離子的能譜特性,對(duì)充電的物理過(guò)程進(jìn)行分析表明,此時(shí)月塵的最高充電電位,可到達(dá)電子溫度量級(jí)。由于太陽(yáng)風(fēng)電子溫度約為幾eV,因而在只有太陽(yáng)風(fēng)作用下的背陽(yáng)面月塵的充電電位在-幾V 到-幾+V 左右,考慮月塵還具有一定的二次電子發(fā)射,月塵實(shí)際的充電電位還有所下降。因此月塵上如此低的充電電位,不會(huì)對(duì)探測(cè)器造成不利影響。

在特殊的空間位置,即月球運(yùn)行到地球磁尾區(qū)域且探測(cè)器不受太陽(yáng)光照時(shí),由于磁尾區(qū)域可能存在較高溫度(keV 量級(jí))的熱等離子(并非太陽(yáng)風(fēng)),這些等離子體對(duì)月塵的最高充電電位可到其溫度量級(jí)(即kV 左右),該電位約為—100V 到—500V 左右,但這種現(xiàn)象為“零星”和“罕見(jiàn)”。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)月球探測(cè)器在未來(lái)任務(wù)中所面臨的月面和近月空間環(huán)境條件進(jìn)行了梳理,對(duì)環(huán)境特點(diǎn)及其影響效應(yīng)形成了較清晰的認(rèn)識(shí),并提出在月球探測(cè)器的設(shè)計(jì)與研制過(guò)程中應(yīng)采取的措施或必要的試驗(yàn)驗(yàn)證,以適應(yīng)月面和近月空間環(huán)境的影響。

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