一種監(jiān)測月球塵埃沉積質(zhì)量的方法

莊建宏，王先榮，王，崔 陽，王錫來

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理國家級重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

在月球探測的過程中，探測器面臨著各種月表環(huán)境因素的威脅，月塵是其中重要的一種。由于月塵自身的特點——細(xì)小、不規(guī)則、易帶電等，很容易被擾動而懸浮，附著在探測器表面，且不易清除。致使光學(xué)系統(tǒng)、熱輻射器、太陽能電池板等敏感部件性能下降[1]。

為了確保登月飛船、月表自動巡視勘察系統(tǒng)的可靠工作，必須預(yù)先對其影響進(jìn)行研究，并設(shè)計一種儀器，隨月球探測器登陸月球，對塵埃的沉積量進(jìn)行測量，進(jìn)而預(yù)估其對敏感部件的影響。為今后的月面探測、載人登月、月球基地的建立積累月球塵埃環(huán)境數(shù)據(jù)，并為航天器的防塵、降塵設(shè)計作參考。

作者擬通過對在月塵覆蓋條件下太陽電池輸出情況的研究，提出一種測量月塵沉積質(zhì)量的方法。

2 方法原理

月塵覆蓋在太陽電池表面，由于塵埃顆粒對陽光的遮擋，引起太陽電池接收光強的降低，導(dǎo)致輸出性能下降，如圖1所示。文獻(xiàn)[2]中，對塵埃微粒引起光線的透過率下降關(guān)系的推導(dǎo)是基于以下假設(shè)：

1）所有微粒形狀尺寸一致。2）所有微粒密度均為ρ。3）所有微粒對光的吸收率均為γ。

若灰塵微粒為一個沿著長方體的對角線劈開三棱柱體。經(jīng)過推導(dǎo)得出月塵層對光線的相對透過率t為

式中 τ1為入射光強；τ2為透射光強；m為沉積灰塵質(zhì)量；h為微粒的高；A為太陽電池面積。

式（1）表明，光的相對透射率t與灰塵沉積質(zhì)量之間是負(fù)指數(shù)關(guān)系。

圖1 月塵遮蓋示意圖

圖2 沉積有灰塵的蓋玻片

對于符合一定尺寸和密度統(tǒng)計分布的月塵微粒來說，應(yīng)該可以找到一個近似描述月塵沉積造成的光透過率下降的關(guān)系的系數(shù)α，使得其相對透過率基本符合以下關(guān)系

在太陽電池的諸多參數(shù)中，短路電流Isc等于其光生電流，與入射光強成正比，且受溫度影響較小，可以忽略不計[3]。當(dāng)月塵覆蓋在其表面后，引起入射光強的降低，進(jìn)而引起短路電流降低。假設(shè)入射光強一定，則Isc正比于光透射率。因此，可以預(yù)計，太陽電池短路電流與沉積灰塵量的關(guān)系也是負(fù)指數(shù)關(guān)系

利用這一關(guān)系，獲得了短路電流隨月塵沉積量衰減的曲線，就可以用來監(jiān)測月塵的沉積質(zhì)量。

3 實驗設(shè)計

為了驗證上述關(guān)系，設(shè)計了如下實驗：

由于月球與地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽到地球的距離，即月球到太陽距離近似等于1 AU，而且月球表面幾乎沒有大氣，可以忽略大氣對太陽輻射能的衰減作用。因此可采用地球大氣層外，輻射能值為S=（1 353±21）W/m2，光譜分布與AM0條件下的太陽光譜一致的模擬光源作為月表太陽輻照環(huán)境的模擬光源。

經(jīng)過篩選的模擬月塵（以下簡稱灰塵）：粒徑小于97 μm；近似球狀顆粒占54%；松弛狀態(tài)密度：1.44 g/cm3。通過揚塵裝置將其均勻沉降到太陽電池的玻璃蓋片上，如圖2所示。稱量沉降前后玻璃蓋片的質(zhì)量差，得出灰塵的沉積質(zhì)量。將不同沉積質(zhì)量的蓋玻片蓋到選定的三結(jié)GaAs太陽電池（尺寸：3 cm×4 cm；短路電流：190 mA；開路電壓：2.24 V）上。在光線垂直入射條件下，測試不同灰塵沉積質(zhì)量下太陽短路電流變化情況。

實驗測得的灰塵質(zhì)量m和相應(yīng)的短路電流Isc，如表1所列。

表1 實驗結(jié)果

分別對實驗結(jié)果進(jìn)行線性擬合和指數(shù)衰減擬合，如圖3、圖4所示。

圖3 線性擬合結(jié)果

圖4 指數(shù)擬合結(jié)果

為了比較2種擬合結(jié)果的優(yōu)劣，利用計算機軟件計算出相關(guān)擬合統(tǒng)計參數(shù)。表2和表3列出了相關(guān)結(jié)果。

比較直線和指數(shù)擬合的殘余平方和（Residual Sum of Squares）相關(guān)指數(shù)R2（Adj.R-Square）。由于殘余平方和越小、相關(guān)指數(shù)越接近1說明擬合度越好，所以，指數(shù)擬合的符合度較線性擬合好。這從另一個側(cè)面說明式（3）所描述的太陽電池短路電流與灰塵沉積質(zhì)量關(guān)系的合理性。

因此，可以采用指數(shù)擬合結(jié)果

式中 m為月塵質(zhì)量，mg；Isc為太陽電池短路電流，mA。

解出月塵質(zhì)量m

即可作為太陽電池測量月塵沉積質(zhì)量的測量公式。

利用式（5）的關(guān)系，測得太陽電池在月表光照條件下的短路電流輸出，就可得出沉積的月塵質(zhì)量。

4 分析與討論

實驗的結(jié)果較好的符合了理論分析的結(jié)論，說明利用太陽電池測量月塵沉積量是可行的。然而，要獲得準(zhǔn)確的測量值，還需要考慮以下問題：

（1）模擬月塵與真實月塵相似性。由于月球環(huán)境的特殊性，所以月表塵埃與地面普通灰塵在形態(tài)、成分、尺寸分布、光學(xué)特性都不相同[4]。這些特性都和月塵對光的遮擋情況密切相關(guān)。世界上僅有美國和前蘇聯(lián)獲得過一定量的月球土壤和巖石樣品，存量有限，極其珍貴。因此，需要選用特別配比和篩選過的地球塵土，制成模擬月塵，進(jìn)行相關(guān)實驗，以期獲得與實際情況相符合的地面模擬測量曲線。

（2）月表環(huán)境。月球表面的輻射和溫度環(huán)境對太陽電池性能也有影響。如何評估或者屏蔽這些影響因素，從而獲知純粹由月塵沉積引起的太陽電池短路電流下降的情況，還需要進(jìn)一步的地面模擬實驗來解決。

（3）具體探測任務(wù)。實驗中模擬的太陽光照條件是垂直入射的情況，然而當(dāng)探測器在月球表面某一地點著陸后，當(dāng)?shù)夭灰欢〞嬖谔柟獯怪比肷涞那闆r。而太陽電池短路電流與太陽光入射角度呈余弦關(guān)系，因此需要計算著陸點的太陽高度角及其隨時間的關(guān)系，以決定何時采集測量數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

通過進(jìn)一步的研究和實驗，利用太陽電池作為月塵沉積質(zhì)量測量傳感器是可行的。從實驗情況看，其最大測量范圍大于8 mg/cm2，這是其他方法難以做到的。若要測量著陸器著陸、宇航員行走、月球車行進(jìn)、乃至月球基地建造所激起的大量月塵，這應(yīng)該是一種合適的測量方法。

[1]曹洲，薛玉雄，楊世宇.月塵對探月設(shè)備的影響[J].真空與低溫，2007,13（12）:73～77.

[2]CYNTHIA MKATZAN，JONATHAN L，EDWARDS.Lunar Dust Transport and Potential Interactions with Power System Components[R].NASA-LeRCCR-4404,1991.

[3]安其霖，曹國琛，李國欣,等.太陽電池原理與工藝[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1984.