月面太陽風(fēng)環(huán)境效應(yīng)及試驗技術(shù)

劉宇明，鄭慧奇，丁義剛，沈自才，趙春晴，田東波

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

月球是與人類關(guān)系最緊密的地外天體之一，它是人類開展深空探測的首選目標(biāo)和中轉(zhuǎn)站。同時，月球豐富的礦產(chǎn)資源和能源資源，將為人類社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。1959—1976年，美國和前蘇聯(lián)開展了多項月球探測任務(wù)，發(fā)射了一系列的月球探測器，取得很多重要成果，并實現(xiàn)了載人登月的壯舉。20世紀(jì)90年代，美國又開始了新一輪的月球探測，發(fā)射了“克萊門汀”衛(wèi)星、“月球勘探者號”探測器。進入21世紀(jì)，美國、印度、日本、歐洲等國都制定了探月計劃[1]。我國也于2007年和2010年分別發(fā)射了繞月衛(wèi)星“嫦娥一號”和“嫦娥二號”，圓滿完成了我國探月“繞”、“落”、“回”戰(zhàn)略目標(biāo)的第一步。

月球探測器在月球軌道和月面需要經(jīng)歷多種環(huán)境因素，如溫度、力、真空、電磁輻射、粒子輻射、微流星、月塵與月壤、月面地貌等環(huán)境。這些環(huán)境會對探測器的性能產(chǎn)生影響，降低其可靠性，縮短工作壽命。月面的主要粒子輻射環(huán)境包括太陽風(fēng)、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線。太陽風(fēng)數(shù)量最多，且持續(xù)不斷地撞擊探測器表面。雖然由于太陽風(fēng)中粒子能量低，與太陽宇宙射線和銀河宇宙射線比，引起的關(guān)注較少，但是對執(zhí)行長期任務(wù)的探測器，太陽風(fēng)引起的危害不可忽視。

1 太陽風(fēng)環(huán)境簡介

太陽風(fēng)是從太陽日冕層中持續(xù)不斷發(fā)出強大的高速運動的等離子體流。太陽風(fēng)充滿了整個太陽系，地球和月球也時刻處于太陽風(fēng)的包圍中。由于地球有地磁場，太陽風(fēng)不會或很少直接作用到地球軌道航天器，而月球的磁場很弱，太陽風(fēng)可以直接撞擊到月球表面，從而對月球探測器產(chǎn)生作用。

關(guān)于太陽風(fēng)的組成，美國早在20個世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)進行了深入的研究，目前統(tǒng)一的認(rèn)識是太陽風(fēng)由電子、質(zhì)子、α粒子和重離子組成，太陽風(fēng)的組成和能量會隨太陽活動而稍有變化。太陽活動平靜時，太陽風(fēng)中正離子包括95%的質(zhì)子，4%的α粒子，0.5%的重離子等；太陽活動劇烈時α粒子密度會急劇增加。從太陽平靜到太陽活躍質(zhì)子能量從0.5 keV到3.2 keV，平均為1 keV。質(zhì)子流的速度在200～900 km/s，平均速度為400 km/s[2—8]。地月軌道，質(zhì)子的平均束流密度大約是2.0×108cm-2·s-1，相當(dāng)于離子電流強度為3×10-11A/cm2，平均的質(zhì)子密度大約是5 cm-3。

α粒子與重離子具有同質(zhì)子相似的平均速度。α粒子對質(zhì)子的密度的比例在0.5%到15%之間變化，但是重離子的含量則更少。

電子能量大約是20 eV到40 eV，平均的能量大約為25 eV。觀察太陽風(fēng)中的電子的特性很困難，原因是平均的電子能量太低，這就意味著飛行器的電位會干擾測量，并且太陽光產(chǎn)生的光電子會引起測量誤差。

2 太陽風(fēng)的環(huán)境效應(yīng)

太陽風(fēng)中的低能質(zhì)子和熱電子穿透能力很低，主要對月球探測器表面材料的性能產(chǎn)生影響。美國在20世紀(jì)70年代就開始了太陽風(fēng)輻射效應(yīng)的地面模擬試驗研究，研究對象包括熱控涂層、光學(xué)玻璃等[9—12]。

美國加州加州洛克希德·馬丁公司（Lockheed Martin）帕羅奧圖（Palo Alto）研究室的M.McCargo等人研究了ZnO/K2SiO3和La2O3/K2SiO32種熱控材料在模擬太陽風(fēng)環(huán)境中的性能退化情況[9]。選擇的試驗條件有質(zhì)子能量在250～3200 eV，單一的紫外輻射、質(zhì)子輻射，以及紫外/質(zhì)子同時輻射。不同能量質(zhì)子輻射過程中2種熱控材料的太陽吸收比退化數(shù)據(jù)見表1。他們的研究結(jié)果表明：在質(zhì)子輻射下，相同注量時，質(zhì)子能量越高，ZnO/K2SiO3和La2O3/K2SiO3的性能損傷越嚴(yán)重；La2O3/K2SiO3相對ZnO/K2SiO3抗質(zhì)子輻射能力強，ZnO/K2SiO3材料更容易受質(zhì)子作用而損傷；當(dāng)質(zhì)子注量達到1016pcm-2量級，相當(dāng)于暴露在太陽風(fēng)環(huán)境中2年，ZnO/K2SiO3的太陽吸收比退化量達到了初始值的50%以上，太陽風(fēng)質(zhì)子對材料的損傷作用不可忽視。

波音公司宇航小組的Lawrence B.Fogdall等人研究了ZnO/K2SiO3和Al2O3/K2SiO32種熱控材料的太陽風(fēng)輻射效應(yīng)[10]。與M.McCargo等人的研究不同，他們不僅考慮低能質(zhì)子和紫外的輻射效應(yīng)，還研究了太陽風(fēng)中熱電子的輻射效應(yīng)。選擇質(zhì)子能量為1 keV，熱電子能量為25 eV。分別研究了單一質(zhì)子、電子、紫外輻射下，以及質(zhì)子/電子、質(zhì)子/紫外、電子/紫外、質(zhì)子/電子/紫外同時輻射下，熱控材料的太陽吸收比退化情況。2種熱控材料在各種模擬輻射環(huán)境下的太陽吸收比隨輻射注量變化關(guān)系如圖1所示。ZnO/K2SiO3和Al2O3/K2SiO3在不同的輻射條件下的損傷存在很大區(qū)別。ZnO/K2SiO3在單一質(zhì)子和質(zhì)子/電子同時輻射這2種條件下，損傷最嚴(yán)重；單一紫外和電子/紫外同時輻射下，損傷最弱；而質(zhì)子/紫外的同時輻射其損傷程度小于單一質(zhì)子輻射；熱電子作為空間輻射環(huán)境因素的組成部分，對ZnO/K2SiO3太陽吸收比影響可以忽略。Al2O3/K2SiO3在有紫外輻射條件的試驗中損傷嚴(yán)重；單一的質(zhì)子輻射影響較弱；有熱電子的綜合輻射對材料的損傷作用更大。

表1 ZnO/K2 SiO3和La2O3/K2SiO3的太陽吸收比損傷隨質(zhì)子能量、注量變化數(shù)據(jù)Table 1 Solarabsorptance of ZnO/K2SiO3 and La2O3/K2 SiO3 verse energiesand fluencesofprotons

美國國家航空航天局格倫研究中心（NASA Glenn Research Center）的Donald A.Jaworske及其合作者研究了AZ-93系列熱控涂層的太陽風(fēng)輻射效應(yīng)[12]。采用質(zhì)子/電子/紫外綜合輻射條件，模擬1年的太陽風(fēng)輻射環(huán)境。研究結(jié)果表明，多數(shù)熱控材料的太陽吸收比退化量達到了50%以上，但是發(fā)射率基本沒有變化。

以上研究結(jié)果表明，太陽風(fēng)質(zhì)子、電子和太陽紫外輻射會對不同的材料產(chǎn)生不同程度的損傷作用，太陽風(fēng)是造成熱控涂層性能退化的主要因素。此外，太陽風(fēng)還會與月塵環(huán)境產(chǎn)生協(xié)和效應(yīng)，破壞月面探測器。月塵是影響月面探測器的重要環(huán)境因素之一。由于月塵攜帶靜電荷，很容易吸附在沒有接地設(shè)備表面，如吸附在光學(xué)鏡子和輻冷器上等，嚴(yán)重影響月球探測任務(wù)[2]。月球塵帶電除了是由于受太陽紫外光波作用外，太陽風(fēng)中的等離子體也是月塵帶電的一個重要原因[13—14]，因此，在太陽風(fēng)和月塵綜合環(huán)境下的月面探測器環(huán)境效應(yīng)必須得到重視。

3 太陽風(fēng)模擬試驗設(shè)備

3.1 國外太陽風(fēng)模擬試驗設(shè)備

太陽風(fēng)模擬試驗以美國開展的工作居多，在試驗設(shè)備上美國也處于領(lǐng)先。美國有多家研究機構(gòu)建立了太陽風(fēng)模擬試驗設(shè)備。

圖1 不同輻射條件下熱控涂層太陽吸收比變化量隨輻射注量的關(guān)系Fig.1 Solar absorptance of Al2O3/K2SiO3 and ZnO/K2SiO3 as a function ofexposed conditions

美國加州洛克希德·馬丁公司帕羅奧圖研究室建造了一臺綜合環(huán)境設(shè)備（The Lockheed combined environments chamber），如圖2所示[9]。該設(shè)備能提供3種質(zhì)子、紫外環(huán)境的模擬，可以開展單一質(zhì)子、單一紫外、質(zhì)子/紫外綜合環(huán)境的輻射效應(yīng)研究。其樣品臺周圍帶有大范圍低溫冷卻系統(tǒng)，樣品臺的溫度在77～423 K區(qū)間可調(diào)，真空可以由擴散泵提供，極限真空壓力優(yōu)于5×10-5Pa。質(zhì)子源由一個射頻離子源和一個質(zhì)量分析單元組成，加速電壓為0～5 kV。電磁輻射源是500W直流氙燈，燈被置于透明石英真空罩里并用干燥的壓縮空氣冷卻。配有有色玻璃濾光器，用于電磁輻射的波長選擇。積分球和單色儀用于光譜反射率的原位測量，積分球內(nèi)壁涂有標(biāo)準(zhǔn)的硫化鉛和一個光電倍增探測系統(tǒng)，允許對0.28～2.5μm的光譜范圍進行光學(xué)測量。

美國波音公司有一臺波音綜合輻射效應(yīng)測試設(shè)備（Boeing combined radiation effects test chamber，CRETC），并配有低能粒子加速器（Low energy particle accelerator，LEPA），可以用于太陽風(fēng)環(huán)境的模擬與效應(yīng)研究[10—11]。系統(tǒng)采用Ortec501射頻離子源作為質(zhì)子源，質(zhì)子能量為0.5～100 keV，可以模擬2～10倍的太陽風(fēng)質(zhì)子束流密度。采用熱燈絲發(fā)出電子，利用與樣品臺的偏壓，產(chǎn)生25 eV的熱電子輻射。系統(tǒng)采用氙燈作為紫外源，配備有原位監(jiān)視器測定氙燈的退化和它的光譜特性。樣品臺溫度可以控制在283～413K，真空度優(yōu)于1×10-5Pa。

圖2 洛克希德·馬丁公司的綜合環(huán)境設(shè)備Fig.2 Combined environmental chamber in Lockheed Martin

美國NASA的戈達德空間飛行中心（Goddard Space FlightCenter，GFSC）也建立了太陽風(fēng)環(huán)境模擬試驗設(shè)備，可以模擬太陽風(fēng)中的低能電子、質(zhì)子，以及太陽紫外輻射環(huán)境[12]，如圖3所示。采用美國Kimbal Physics公司的EFG9電子槍作為電子源，可以產(chǎn)生500～50 keV能量的電子，電流密度可達20 nA/cm2。質(zhì)子源采用Kimbal Physics公司的IMG31，能量范圍為2～5 keV，電流密度最大為1 nAcm-2。采用波音旗下子公司Spectrolab公司的X25太陽模擬器產(chǎn)生模擬太陽光，光強可達0.5～2.2倍地球軌道處太陽常數(shù)。

圖3 GFSC低能綜合輻射環(huán)境模擬試驗設(shè)備及實物Fig.3 Conceptual solar wind facility and vacuum chamber in GFSC

美國NASA的馬歇爾空間飛行中心（Marshall Space FlightCenter，MSFC）在研制月球環(huán)境模擬試驗設(shè)備（Lunar Environment Test System，LETS）時，同時考慮的月塵和太陽風(fēng)環(huán)境。表2是其設(shè)計LETS時，月面環(huán)境與LEST設(shè)計指標(biāo)的對比。LETS中的輻射源可以用于研究月塵的帶電、漂移，模擬月面的輻射環(huán)境，以及帶電月塵在探測器上的吸附效應(yīng)。LETS的示意及實物如圖4所示（其中質(zhì)子源仍在建設(shè)中）。

3.2 試驗設(shè)備要求

根據(jù)國外設(shè)備情況以及太陽風(fēng)的主要成分組成，太陽風(fēng)模擬試驗設(shè)備一般需包括四大部分——質(zhì)子源、電子源、離子束測量裝置和真空系統(tǒng)。此外，為了模擬月面綜合環(huán)境，一般還要加入紫外模擬設(shè)備和月塵模擬設(shè)備。

表2 LETS設(shè)計指標(biāo)與月面環(huán)境對比Table 2 Comparison of the planned LETS capability and the lunarenvironment

圖4 LETS的示意及實物Fig.4 The conceptualschematic and testchamberof LETS

質(zhì)子源是模擬太陽風(fēng)中低能質(zhì)子的裝置，保護質(zhì)子發(fā)生器、質(zhì)量分離器、質(zhì)子束傳送系統(tǒng)。質(zhì)子發(fā)生器必須能夠產(chǎn)生足夠強度的等離子體束，并且能在預(yù)期的壽命中穩(wěn)定工作。質(zhì)量分離器用來使等離子體束產(chǎn)生彎曲，使其中的質(zhì)子從中分離出來。質(zhì)量分離器主要有2種類型，磁場型和電磁場交叉型。質(zhì)子束傳送系統(tǒng)將質(zhì)子發(fā)生器產(chǎn)生的等離子加速并聚焦到質(zhì)量分離器中，還要將離子束展開到需要的射束直徑。質(zhì)子束傳送系統(tǒng)控制質(zhì)子束能量范圍要含蓋太陽風(fēng)質(zhì)子的能量范圍。質(zhì)子發(fā)生器和質(zhì)子束傳送系統(tǒng)的配合使用，可以連續(xù)可調(diào)輸出質(zhì)子的束流密度，束流密度能夠在（0.3～30）nA/cm2的范圍內(nèi)，這樣就能夠根據(jù)需要選擇模擬試驗的束流密度加速倍率從10倍到1000倍連續(xù)可調(diào)。

低能量的電子源模擬太陽風(fēng)中的電子成分，要求電子源能量范圍最好覆蓋10～100 eV范圍并連續(xù)可調(diào)，束流范圍含蓋（0.3～30）nA/cm2，束流較為均勻。離子束測量裝置包括質(zhì)子、電子探測器。法拉第杯用于測量束流大小，束流分布。它也用于在運行過程中監(jiān)視離子束。伺服回路用于調(diào)整束流參數(shù)，以保持其在給定的值。

真空系統(tǒng)可以達到的真空度國外要求較高，需要優(yōu)于10-4Pa[9，15]。國內(nèi)，根據(jù)GJB 1027《運載器、上面級、航天器試驗要求》和GJB 2502《航天器熱控涂層試驗方法》的規(guī)定，建議真空需要優(yōu)于1.3×10-3Pa。

太陽風(fēng)模擬設(shè)備一般都配有紫外源，用于模擬太陽紫外輻射環(huán)境。紫外源要有較高的可靠性，能夠滿足系統(tǒng)長時間工作的要求。表3歸納了太陽風(fēng)模擬試驗設(shè)備的一些要求。

表3 試驗設(shè)備參數(shù)要求Table 3 Main capabilitiesofsolarwind simulation facility

4 結(jié)語

太陽風(fēng)作為月面主要輻射環(huán)境之一，會對執(zhí)行長期任務(wù)的探測器產(chǎn)生影響，造成探測器表面材料功能下降，如熱控涂層的太陽吸收比升高，濾波光學(xué)元件透射率下降等。太陽風(fēng)還是造成月塵帶電的原因之一，太陽風(fēng)和月塵的協(xié)和效應(yīng)可能會給探測器造成更大的傷害。

美國在探月初期，就開展太陽風(fēng)輻射效應(yīng)方面的工作，并發(fā)展試驗技術(shù)。近年來，重返月球計劃又帶動了太陽風(fēng)輻射效應(yīng)的研究，特別是多環(huán)境因素協(xié)和效應(yīng)及試驗技術(shù)的研究。我國目前太陽風(fēng)輻射環(huán)境效應(yīng)及試驗技術(shù)的研究還很少，沒有太陽風(fēng)模擬設(shè)備，缺乏已應(yīng)用材料或潛在應(yīng)用材料的太陽風(fēng)輻射效應(yīng)數(shù)據(jù)，因此急需盡快開展這方面的工作。

首先，開展太陽風(fēng)模擬設(shè)備的研制，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計，各個分系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，太陽風(fēng)模擬設(shè)備的整合優(yōu)化設(shè)計及分析，太陽風(fēng)模擬設(shè)備的制造集成等。其次，開展太陽風(fēng)輻射效應(yīng)研究，包括航天器表面材料失效模式和損傷狀況，模擬試驗中試驗參數(shù)選取方法等，從而為長期深空探測任務(wù)的開展做好準(zhǔn)備。第三，重視月面綜合環(huán)境模擬試驗?zāi)芰Φ慕ㄔO(shè)。太陽風(fēng)本身對月面探測器的影響可能較小，但是其與太陽紫外輻射、月塵環(huán)境構(gòu)成的綜合環(huán)境可能會產(chǎn)生破壞力極大的協(xié)和效應(yīng)。因此，應(yīng)在研發(fā)太陽風(fēng)模擬試驗技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展月面綜合環(huán)境試驗技術(shù)的研究工作，努力建立系統(tǒng)的、完備的月面環(huán)境模擬試驗技術(shù)體系。

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