地月平動點塵埃動力學特性原位探測方法研究

姜利祥，焦子龍，鄭慧奇，李 昊，彭 忠，翟睿瓊，商圣飛，徐焱林，孫繼鵬，張立華，王 鵬，劉鳴鶴

（1. 可靠性與環境工程技術重點實驗室； 2. 北京衛星環境工程研究所；3. 航天東方紅衛星有限公司：北京 100094）

0 引言

1961 年，波蘭天文學家Kazimierz Kordylewski稱發現地月三角平動點L4 和L5 點處存在塵埃云，該塵埃云遂以他的名字被命名為Kordylewski dust cloud（KDC）。塵埃云的起源和演化對于相關學科的科學研究具有重要意義，同時塵埃云環境對于未來在地月三角平動點長期運行的航天器也可能是潛在威脅，因此需要開展KDC 的空間探測。不同學者對KDC 進行了研究，但對KDC 是否真實存在尚無定論，目前學界的主流觀點認為該塵埃云是動態變化的。

日本 20 世紀 90 年代研制的HITEN 衛星曾采用撞擊電離式探測器對地月L4/L5 點進行繞飛探測。撞擊電離式探測器可對運動速度超過1 km/s的塵埃顆粒進行探測，獲得其速度和質量；同時由于衛星為自旋穩定，可借此粗略估計塵埃顆粒入射方向。但HITEN 衛星探測數據未能證實KDC 的存在，其原因可能是衛星距離L4/L5 點較遠，已超出KDC 的范圍，也可能是塵埃顆粒與探測器間的相對速度低于探測器的靈敏度閾值。這是迄今為止唯一一次嘗試對KDC 進行原位探測。英國肯特大學的Moeed 和Zarnecki對KDC 的天基觀測可行性進行分析指出，相對于地面觀測，原位探測更佳。他們基于繼承性分析了多種探測載荷方案，包括CCD 相機獲得塵埃顆粒圖像、偏振儀獲得塵埃顆粒空間密度分布的光學探測方案，以及撞擊電離式、壓電麥克風式、壓電動量式等電測量方案。德國斯圖加特大學的Laufer 等提出一種全電推進微小衛星平臺（僅200 kg 重）對KDC 進行探測，采用的塵埃探測載荷為壓電式。

國內方面，航天東方紅衛星有限公司提出了KDC探測任務，任務的主要科學目標包括：1）確認KDC的動態分布規律；2）測量塵埃顆粒的電量、質量、通量密度以及環境參數，為KDC 的動態分布和捕獲機理研究提供線索。任務的工程目標包括：1）確認地月三角平動點的空間環境參數；2）試驗地月三角平動點的無動力巡航技術；3）驗證高低速塵埃混合原位分析技術。為完成上述任務目標，開展探測的軌道主要有2 段：第1 段為飛掠探測段，此時探測器飛掠地月L4 和L5 點，對KDC 可能存在的密度較大的區域進行穿越探測，與地月L4 和L5 兩點的相對速度為1～3 km/s；第2 段為平動點遍歷段，完成對地月L4 點的遍歷，與L4 點的相對速度為300 m/s。本文針對該項探測任務，對獲得平動點附近區域高速、低速塵埃特性參數的方法進行分析討論。

1 空間塵埃探測方法概述

塵埃的星載原位探測方法有多種。基于光學方法的探測器可以非接觸方式對塵埃進行探測：在距離較遠時，可通過塵埃顆粒的紅外輻射或者散射的太陽光采用光度計進行探測；當塵埃接近航天器時，由于太陽照射，其軌跡在星空背景下很容易分辨，可通過成像儀或者人造光簾進行探測。塵埃顆粒撞擊不同敏感表面產生的物理現象也可用于塵埃探測。例如，塵埃顆粒撞擊金屬靶標形成等離子體，監測其電荷及脈沖可得到塵埃顆粒的質量和速度；通過飛行時間法對離子進行分離，可測量塵埃顆粒成分；撞擊過程產生閃光，或撞擊壓電晶體產生壓電效應脈沖信號以及壓電薄膜的去極化效應，均可用于記錄撞擊事件；塵埃顆粒撞擊電容式結構產生瞬間的放電脈沖，可用于得到塵埃參數；塵埃顆粒撞擊靶標形成撞擊凹坑或擊穿靶標，對撞擊坑形貌及殘留物進行分析可得到塵埃尺寸、速度及成分等信息。另外，如果能夠捕獲塵埃顆粒，則可實現原位多參數分析或返回地面后進行分析，現有的捕獲方法包括氣溶膠、減速后捕捉等。

塵埃原位探測主要是利用塵埃顆粒撞擊產生的物理效應（參見圖1）進行觀測，但當塵埃顆粒速度低于1 km/s 時，這些現象并不顯著，因此低速塵埃顆粒的探測裝置不能直接用作高速塵埃顆粒探測載荷，需要在結構、電子學部分等方面改進設計或重新設計。本文基于已有研究成果，提出采用柵網-靶標復合探測方法，對高速和低速塵埃顆粒同時進行探測。

圖1 塵埃顆粒探測方法Fig. 1 Method for dust particles detection

2 柵網式低速顆粒探測方法

Duncan 等提出了柵網式低速塵埃顆粒探測方法。如圖2 所示，柵網1、3、5、7、9、11 為屏蔽柵網；在柵網2 上施加-5 kV 電壓，用于屏蔽太陽風的干擾；柵網4、6、8、12 為測量柵網；10 為偏轉極板。通過優化設計柵網及電子學部分，該探測載荷可對低速和高速顆粒進行探測，獲得其速度矢量、電荷及質量等參數；但由于電子學部分采樣頻率的限制，使得高速顆粒信號信噪比較低，因此更適合低速顆粒的探測。

圖2 柵網式塵埃顆粒探測載荷結構示意Fig. 2 Structure of grid for detection of dust particle

當帶有一定電荷的塵埃顆粒（質量、速度）飛過柵網1～12 時，在柵網4、6、8、12 上產生感生電荷，其電荷大小與飛經位置有關。利用柵網4 和柵網12 可測量顆粒沿軸的飛經坐標，利用柵網6、8 可測量顆粒沿軸的飛經坐標。

根據Ramo-Shockley 理論，當電荷以速度在電極組中移動時，在第個電極上產生的感應電流為

3 靶標式高速顆粒探測方法

鑒于柵網式探測載荷較適合低速顆粒探測，考慮在測量柵網12 的后面增加靶標，利用靶標與高速顆粒撞擊產生的不同現象，實現高速顆粒的參數測量。本文基于現有研究，對氣凝膠靶標、電阻絲靶標、金屬板靶標、電容式靶標、薄膜靶標及光簾式靶標等進行分析比較。

3.1 氣凝膠靶標

SiO氣凝膠是一種多孔低密度納米材料，其孔徑、孔隙以及粒徑為數十nm 量級，在隔熱、隔音及催化等領域有較多應用。1931 年，美國斯坦福大學的Kistler 在世界上首次制備出SiO氣凝膠。1987 年，Tsou 等提出采用氣凝膠作為塵埃顆粒采集介質，隨后，將該設想在STS-47、STS-57、STS-60、STS-64、STS-68 等多次航天飛機飛行任務中進行了試驗。高速運動的塵埃顆粒撞擊氣凝膠后被不斷減速，最終停留在氣凝膠內部，形成胡蘿卜狀徑跡。該徑跡長度一般為塵埃顆粒直徑的數百倍，氣凝膠表面被撞擊形成的孔洞尺寸一般與顆粒尺寸相當。因此，可采用顯微照相系統對氣凝膠表面進行周期性掃描來觀測其受塵埃顆粒撞擊情況，如圖3 所示，將顯微照相系統安裝于二維移動機構上，放置于不遮擋氣凝膠的位置；氣凝膠在空間暴露一定時間后，采用顯微照相系統對其表面進行掃描，并對掃描圖像進行分析，得到顆粒撞擊通量。需要說明的是，低速顆粒同樣會滯留于氣凝膠表面，因此掃描獲得的撞擊通量實際上是高速顆粒和低速顆粒撞擊通量的總和。

圖3 氣凝膠靶標探測示意Fig. 3 Dust detector with aerogel as a target

氣凝膠靶標可長期使用，且密度低、質量小，但只能對顆粒撞擊通量進行測量；同時，塵埃顆粒在氣凝膠表面的撞擊凹坑直徑僅為μm 量級，對顯微照相系統要求較高；且為了不遮擋氣凝膠表面，需占用一定空間放置照相系統及機構。

3.2 電阻絲靶標

日本九州工業大學研制的電阻絲型低成本空間微小碎片傳感器如圖4 所示，為PCB 結構，板邊長90 mm，上有128 條銅線，功耗0.01 W，質量30 g，可探測碎片直徑范圍100～600 μm。

圖4 電阻絲靶標Fig. 4 Dust detector with resistance string as a target

針對行星際微流星體特征尺寸及速度范圍，設計研制線寬為10 μm 的陶瓷基板或其他基板的PCB。陶瓷基板包括AlO陶瓷基板和AlN 陶瓷基板，其熱導率更高，且具有耐高壓、耐高溫、防腐蝕、介質損耗低等特性。基于AlO陶瓷的直接鍍銅陶瓷基板（DPC）可實現10～50 μm 的線寬設計。

電阻絲靶標功耗低，但其電阻絲為一次性的，不可重復測量，在塵埃顆粒通量較大時工作時間及壽命較短，且超高速撞擊產生的凹坑直徑是塵埃顆粒直徑的數倍，因此電阻絲靶標難以精準獲得塵埃顆粒的尺寸。

3.3 金屬電離式靶標

對于高速塵埃顆粒，探測靈敏度最高的方法是電離式探測。高速塵埃顆粒撞擊后，塵埃顆粒及部分靶材料汽化，被加熱至10K 的高溫，電離形成等離子體云，其離子或電子電荷電量與塵埃顆粒的質量和撞擊速度有關，電荷脈沖上升時間與撞擊速度有關，

式中：、、均為經驗常數，一般取值為=1.0，=3.0，=-1.0；和值由試驗確定。

因此，電離式靶標的材料可以選用銅、鉬、鉭等，撞擊產生的等離子體脈沖信號由柵網12 進行收集，并由電子學部分進行分析，可獲得高速塵埃顆粒的質量、速度以及撞擊通量參數。

日本HITEN 衛星所用金屬電離式靶標探測器的電荷靈敏度范圍為5×10～1×10C，根據式(5)計算出其可探測的塵埃顆粒質量和速度范圍如圖5所示。

圖5 電離式探測的塵埃顆粒速度和質量范圍Fig. 5 Detection of dust particles in ranges of velocity and mass by ionization detector

如果噪聲低至2.2×10A·s（rms），則電離式探測器可檢測的電荷為1.5×10A·s，是HITEN 衛星所用探測器探測極限的1/30，那么所探測顆粒的質量和速度范圍可進一步拓展：根據前述標定數據計算，可探測直徑約1 μm、速度1 km/s 左右的顆粒。

金屬電離式靶標可獲得塵埃顆粒的速度、質量等參數，且工作時間長，但柵網12 既要用于收集等離子體電荷，還要用于低速塵埃顆粒測量，難以兼顧，無法實現最優設計，導致高速塵埃顆粒參數測量范圍及精度受限。

3.4 電容式靶標

電容式靶標的工作原理是，當塵埃顆粒撞擊電容時，表面電極被擊穿，介質受到壓縮，在激波等效應作用下產生瞬間放電；撞擊后撞擊位置處電極材料被移除，電容可恢復工作。類似的探測器在美國于1972 年發射的Explorer 46、1984 年發射的LDEF上均有應用。根據超高速撞擊特性，電容結構越薄，其探測靈敏度越高。Kassel 研究發現，對于金屬氧化物電容器，若其電解質厚度為0.4 μm，則探測靈敏度為

式中為顆粒直徑。即若用電容式靶標探測直徑為1 μm 的顆粒，則要求顆粒的最低速度為1.67 km/s。

同其他探測裝置類似，電容式靶標僅能給出顆粒的撞擊通量數據。

3.5 薄膜式靶標

聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF）是一種永久極化的材料。當μm 厚的PVDF 薄膜被高速運動顆粒撞擊時，撞擊部位部分材料被移除，導致去極化，將形成一個ns 量級的電流脈沖。可利用PVDF 薄膜的這一特性，通過電路處理制成薄膜式靶標用于判斷碰撞事件的發生。

薄膜式靶標不需要預先加偏壓，結構簡單，可靠性高；且PVDF 薄膜具有優良的空間環境耐受性能，對空間帶電粒子無響應，因此極大減輕了信號處理、結構設計等工作。但薄膜式靶標對于速度不超過3 km/s 的顆粒只能給出其撞擊通量數據。

3.6 光簾式靶標

歐空局在Rosseta 任務中采用了光簾式塵埃探測單元，其結構如圖6 所示，4 個激光二極管作為光源發出激光光束，光束通過光學系統準直-擴束后形成100 mm×100 mm×3 mm 的光簾；當塵埃經過光束時產生的反射和散射光被光簾左右兩側的信號檢測單元接收，對檢測信號進行處理可得到塵埃顆粒的光學等效直徑和速度估計值。

圖6 光簾式探測器結構及原理示意Fig. 6 Structure and measuring principles of detector with light curtain

光簾式靶標長期工作時，其激光二極管的工作性能會明顯下降；且單獨使用光簾式靶標只能準確獲得顆粒通量信息，若要獲取更多的塵埃顆粒信息，需要綜合其他探測方法或技術。

3.7 小結

通過上述分析可以看出，氣凝膠靶標材料僅能獲取顆粒撞擊通量，且系統較為復雜；電阻絲靶標在顆粒通量較高時工作壽命較短；電容式、薄膜式、光簾式靶標僅能獲得塵埃撞擊通量；金屬電離式靶標在高速顆粒探測時靈敏度最高，但由于其柵網部分需兼顧等離子體電荷采集，令其高速顆粒測量范圍和靈敏度受限。綜上認為，為實現最優探測效率應采用柵網-金屬電離復合式探測方法，即在柵網式探測單元最后增加一個靶標，作為離子收集器。但是，復合式探測方法顯著增加了信號處理的難度，尤其是在高、低速顆粒同時與探測器相互作用的情形下。

4 結束語

地月三角平動點由于其獨特的動力學特性，可能存在塵埃聚集的現象，且一直處于動態變化之中。為更深入理解這種現象，需要研究塵埃的引力捕獲和逃逸過程，對塵埃的動力學特性參數進行探測，而星載原位探測是優選方式。

本文提出柵網-靶標式組合探測方法，對其進行了初步設計分析。柵網式探測方法適合探測低速塵埃顆粒，可獲得塵埃顆粒的速度矢量、質量、電荷等參數。靶標式探測方法適合探測高速塵埃顆粒，氣凝膠、電阻絲、金屬板、電容、薄膜、光簾等靶標可測量的塵埃顆粒參數以及應用優缺點各有不同。綜合以上分析，采用柵網-金屬電離復合式探測方法可實現高速塵埃顆粒和低速塵埃顆粒的同時測量。未來將進一步對探測裝置的優化設計和信號處理方法等進行研究。