月塵測(cè)量：從嫦娥三號(hào)到嫦娥五號(hào)

王 鹢 ，孔風(fēng)連，莊建宏 ，王永軍，2，顏則東 ，苗育君，周 震 ，柳 青

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所；2.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.空間材料行為及評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

月塵是月球表面最重要的空間環(huán)境因素。月塵容易在太陽(yáng)輻照、空間帶電粒子和碰撞摩擦的作用下帶上電荷，并在電場(chǎng)的作用下懸浮和遷移。月塵對(duì)探測(cè)器敏感表面和宇航員健康安全存在潛在危害，關(guān)系著科學(xué)探測(cè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)和任務(wù)的成敗。探測(cè)月塵，一方面要獲得月塵累積量的時(shí)空分布，另一方面要探測(cè)它的帶電特性，從而全面了解月塵的運(yùn)動(dòng)遷移機(jī)制，同時(shí)也為后續(xù)探月任務(wù)的月塵防護(hù)提供輸入。中國(guó)在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，對(duì)著陸激起的和自然環(huán)境下的月塵累積量進(jìn)行了測(cè)量。研究人員通過(guò)兩次月食前后的月塵累積量對(duì)比，并未發(fā)現(xiàn)明顯的累積量“晨昏線”增強(qiáng)現(xiàn)象（Li D.et al，GRL，2020），向著最終揭示月球的“地平線”發(fā)光現(xiàn)象的成因邁出了重要的一步。

在嫦娥五號(hào)任務(wù)中，蘭州空間技術(shù)物理研究所研制了一種月塵帶電分布測(cè)量?jī)x，如圖1所示。該測(cè)量?jī)x由兩套相同的測(cè)量探頭組成，每套探頭又分別由一組阻滯勢(shì)分析儀和一臺(tái)石英晶體微質(zhì)量天平組成，如圖2所示（Zhuang J.et al，SNA，2021）。其中一個(gè)探頭柵網(wǎng)工作時(shí)不加電壓，為參考探頭；另一個(gè)可以施加掃描電壓，為測(cè)量探頭。測(cè)量探頭柵網(wǎng)施加一定電壓時(shí)，只有荷質(zhì)比滿足一定條件的月塵顆粒才能通過(guò)。對(duì)于參考探頭，月塵顆粒無(wú)論是否帶電，都可以無(wú)阻礙地通過(guò)。柵網(wǎng)的下方是一個(gè)涂有黏性薄膜的石英晶體微量天平。當(dāng)石英晶體電極表面附著一定質(zhì)量后，其振動(dòng)頻率會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量頻率的改變量即可獲得附著的月塵顆粒的質(zhì)量。黏性薄膜的作用是增加顆粒與晶體的結(jié)合力，使其和晶體可以發(fā)生同頻共振。地面試驗(yàn)表明，其質(zhì)量靈敏度達(dá)到了納克級(jí)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)設(shè)置不同的“門檻”（掃描電壓），再根據(jù)相應(yīng)電壓下兩個(gè)探頭沉積的質(zhì)量差，得到不同荷質(zhì)比月塵所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖1 嫦娥五號(hào)月塵帶電測(cè)量?jī)x實(shí)物照片

圖2 嫦娥五號(hào)月塵帶電測(cè)量?jī)x原理圖

日前，嫦娥五號(hào)月塵帶電測(cè)量?jī)x已全面完成月面測(cè)量工作。首次獲取的月塵帶電原位探測(cè)數(shù)據(jù)，可以為后續(xù)載人探月任務(wù)的月塵防護(hù)提供依據(jù)，同時(shí)，為揭示月塵的充放電機(jī)制和運(yùn)動(dòng)規(guī)律打下基礎(chǔ)，取得重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。后續(xù)我國(guó)還將開展月球極區(qū)的月塵探測(cè)。

關(guān)鍵詞：月塵；帶電測(cè)量?jī)x；石英晶體微量天平；荷質(zhì)比；嫦娥三號(hào)；嫦娥五號(hào)

Key words：lunar dust；charge measuring sensor；quartz crystal microbalance；charge-to-mass ratio；Chang’E-3；Chang’E-5

中圖分類號(hào)：V476.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006?7086（2021）01?0101?01

DOI：10.3969∕j.issn.1006?7086.2021.01.017