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)計部,北京 100094)

1 引言

月球探測器在繞月飛行和月面探測過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)境因素將對月球探測器的性能、可靠性和工作壽命產(chǎn)生直接或間接的影響[1-3]。

國外在月球探測過程中對月面環(huán)境開展了大量的研究和試驗工作。從蘇聯(lián)發(fā)射的第一個月球探測器月球1 號(Luna-1)第一次拍攝了近距離的月球照片開始,到后來人類成功地進(jìn)行了月面硬著陸探測、軟著陸探測、巡視探測和自動采樣返回,對月面環(huán)境均進(jìn)行了先期大量的理論研究和地面驗證試驗。美國發(fā)射的無人月球探測器對月球?qū)崿F(xiàn)了硬著陸和軟著陸探測,并發(fā)送回了大量的月球圖片和分析數(shù)據(jù);后來的阿波羅(Apollo)飛船實現(xiàn)了人類的載人登月,所有這些無人和載人月球探測的成功實施,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:針對阿波羅飛船,美國專門制定了試驗計劃,即阿波羅工程系統(tǒng)級或艙段的研制試驗,在休斯敦載人航天中心(M SC)建造的兩臺大型空間環(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)境試驗主要包括:噪聲試驗、沖擊試驗、飛船結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗、電磁兼容試驗、熱環(huán)境試驗等;在材料評價試驗方面主要進(jìn)行了:紫外/粒子綜合輻照環(huán)境試驗、真空環(huán)境下材料性能試驗、加速壽命試驗等。在艙外活動單元的熱真空鑒定試驗方面,進(jìn)行了54h 的太陽模擬器熱浸工況后,接著進(jìn)行15h 的冷浸工況,最后進(jìn)行了15h 的太陽模擬器熱浸工況。除了上述基本試驗之外,NASA 還開展了大量的航天員操作適應(yīng)性試驗、1/6gn重力環(huán)境下熱真空試驗以及月塵粘附在探測器表面對其表面熱特性影響的評價試驗等[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)月球探測器的軌道等設(shè)計需要更為詳細(xì)的月球重力場數(shù)據(jù)時,應(yīng)采用月球重力場模型,月球重力場模型一般是特指球諧函數(shù)系數(shù)的集合,月球引力位勢在月固坐標(biāo)系中的球諧系數(shù)的級數(shù)形式如式(1)所示[4-10]。

目前,較為準(zhǔn)確的月球引力場模型是LP165P模型,該模型是Konopliv 利用多步法分析月球探測器測量數(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,包括太陽直接輻照、月球反照、月面紅外輻射、地球反照等因素。

太陽直接輻射主要來自太陽電磁輻射的可見光、紅外光、X 射線等。NASA 通常采用的太陽常數(shù)值為S =1 353±21W/m2,我國國軍標(biāo)也采用了此數(shù)值。

在航天工程設(shè)計中較權(quán)威的月球反照率數(shù)據(jù)參見表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,地球反照對月面環(huán)境的影響較小,基本可以忽略不計。

由于沒有大氣的熱傳導(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)境分為太陽電磁輻射和帶電粒子輻射[1,4-6]。

2.3.1 太陽電磁輻射

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

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

太陽總電磁輻射能量稱太陽常數(shù),由于地月之間平均距離相對日地之間和日月之間的平均距離而言是個小量,因此,近月空間的太陽常數(shù)近似與近地空間的太陽常數(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源于太陽宇宙線、銀河宇宙線以及太陽風(fēng)。

1)太陽宇宙線

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

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

2)銀河宇宙線

銀河宇宙線是來源于太陽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)太陽風(fēng)

太陽風(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。太陽風(fēng)粒子密度波動大,平均密度高達(dá)106/m3,太陽風(fēng)磁場平均值約6nT 。

2.4 月壤與月塵

根據(jù)NASA 對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,為山脈(細(xì)長伸延的山地)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?？梢苑譃槠教乖潞?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

上述分類只說明區(qū)域總體地形特征,對于特定的區(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 石塊累計分布Fig.3 Cumulative numbers of blocks

2.6 月面靜電

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

在沒有太陽光照射的情況下,月塵沒有光電子發(fā)射,此時由于太陽風(fēng)的存在,太陽風(fēng)粒子可對月塵產(chǎn)生輕微充電。

3 月面環(huán)境對探測器的影響

3.1 月球低重力環(huán)境的影響

在月球探測器設(shè)計中,應(yīng)該在以下幾個方面考慮1/6 重力環(huán)境的影響。

1)在機(jī)構(gòu)驅(qū)動力矩的安全裕度設(shè)計中,應(yīng)該考慮1/6 重力的影響,如著陸緩沖機(jī)構(gòu)、太陽翼、定向天線等機(jī)構(gòu)的展開和轉(zhuǎn)動等。

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

3)著陸緩沖過程中主要考察能量的吸收,通過模擬著陸時的速度,來考察著陸緩沖過程動能的吸收。

3.2 月面溫度環(huán)境的影響

探測器在月面工作期間會經(jīng)歷月面的熱環(huán)境,其特點是溫差大(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 ℃)、晝夜過渡期間溫度變化快(最大瞬態(tài)溫變率＞2 ℃/min),針對探測器經(jīng)歷的特殊的熱環(huán)境及工作特點,需要采取合理的熱控措施及試驗驗證。

1)艙內(nèi)可采取主動控溫措施,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,保證溫度滿足儲存指標(biāo)要求。

2)艙外可采取被動控溫措施,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)探測器經(jīng)歷的特殊熱環(huán)境及對應(yīng)的工作特點,需對組件進(jìn)行熱循環(huán)、熱真空、高溫存儲及低溫存儲等試驗項目,驗證熱設(shè)計的正確性以及設(shè)備或組件對熱環(huán)境的適應(yīng)性。

3.3 空間輻射環(huán)境的影響

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

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

3.4 月壤的影響

月壤對探測器的影響如下。

1)對著陸沖擊及穩(wěn)定性的影響

在月球探測器的軟著陸過程中,主要是月壤的物理力學(xué)特性參數(shù)影響探測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)對導(dǎo)航敏感器的影響

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

3)對月球探測器月面移動的影響

在月球探測器研制過程中,充分考慮月壤物理力學(xué)特性對月球探測器移動性能的影響。在月壤物理力學(xué)特性中,承載特性與探測器車輪的下陷量、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器的移動性能。

3.5 月塵的影響

月塵對探測器的影響如下。

1)自然因素導(dǎo)致月塵激揚對探測器的影響

由于微流星撞擊和月球日升(落)時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)尤其對于粒徑小于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),對探測器的部分外露設(shè)備會造成一定的影響。

2)發(fā)動機(jī)噴流影響作用下引起月塵激揚對探測器的影響

在探測器軟著陸過程中,發(fā)動機(jī)噴流作用于月面會引起月塵的激揚,會對探測器產(chǎn)生影響。

3)軟著陸沖擊過程中引起月塵激揚對探測器的影響

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

針對以上四個方面的影響,月球探測器在設(shè)計上需要考慮相應(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,以驗證設(shè)計措施的合理性。

3.6 月面地形地貌的影響

探測器著陸區(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。根據(jù)嫦娥工程月球手冊提供的月面地形、石塊、撞擊坑的統(tǒng)計數(shù)據(jù),結(jié)合國家天文臺提供的著陸區(qū)附近區(qū)域三維數(shù)字地形圖,對著陸過程和著陸安全性給出評估。

1)對著陸安全性的影響

對于著陸安全性,應(yīng)對著陸可靠性評估方法進(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)計方案和探測器系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計措施提供依據(jù),以確保軟著陸的可靠性。

2)對探測器月面移動的影響

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

3.7 月面靜電的影響[1,4-6,15-17]

1)光照情況下

太陽光照射下的月面,月塵帶電的原因,是由于太陽紫外線和X 射線對月塵造成光電子發(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,即+幾V～+幾十V(通常此電位約在+20V 左右)。

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

因此,探測器在光照區(qū)實施月面著陸時,月面帶電對探測器不會造成影響。

2)非光照情況下

在沒有太陽光照射的情況下,月塵沒有光電子發(fā)射,此時由于太陽風(fēng)的存在,太陽風(fēng)粒子可對月塵產(chǎn)生充電。根據(jù)太陽風(fēng)中電子與離子的能譜特性,對充電的物理過程進(jìn)行分析表明,此時月塵的最高充電電位,可到達(dá)電子溫度量級。由于太陽風(fēng)電子溫度約為幾eV,因而在只有太陽風(fēng)作用下的背陽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,不會對探測器造成不利影響。

在特殊的空間位置,即月球運行到地球磁尾區(qū)域且探測器不受太陽光照時,由于磁尾區(qū)域可能存在較高溫度(keV 量級)的熱等離子(并非太陽風(fēng)),這些等離子體對月塵的最高充電電位可到其溫度量級(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”。

4 結(jié)束語

本文對月球探測器在未來任務(wù)中所面臨的月面和近月空間環(huán)境條件進(jìn)行了梳理,對環(huán)境特點及其影響效應(yīng)形成了較清晰的認(rèn)識,并提出在月球探測器的設(shè)計與研制過程中應(yīng)采取的措施或必要的試驗驗證,以適應(yīng)月面和近月空間環(huán)境的影響。

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