袁亞飛 劉 民 柏向春

(北京東方計量測試研究所,北京 100086)

1 引言

在月球表面懸浮著厚厚的一層由于長期環(huán)境作用而形成的微小粒子,粒子的平均直徑僅有40～130μm 。這些懸浮的微塵具有較低的導(dǎo)電率特性和較高的比表面積,在光電效應(yīng)和太陽風(fēng)的作用下很容易帶上靜電,并在相當(dāng)長的時間內(nèi)保持著帶電狀態(tài)。帶靜電的微塵具有很強的粘附性,粘附和堆積在任何與之接觸的裝置和設(shè)備上,造成視覺模糊、讀數(shù)錯誤、密封失效、機械堵塞、材料磨損、熱控失效、吸入過敏等諸多問題[1-3]。例如,Apollo-12 飛船的攝像頭因覆蓋一層月塵而視覺模糊;灰塵進(jìn)入到Apollo-15 飛船的攝像頭驅(qū)動機構(gòu)而致使其失效。因此,Apollo-16 飛船宇航員John Yong 曾說過:“重返月球的首要關(guān)心的問題是月球塵?！盵4-5]。

在火星上,風(fēng)暴席卷著微小的塵埃布滿了整個火星表面,細(xì)小的微塵被吹浮到數(shù)千米的高空,并懸浮在那里長達(dá)數(shù)個月之久。這些微塵堆積在光學(xué)系統(tǒng)上使其視覺模糊,積聚在太陽電池翼表面上使其轉(zhuǎn)換效率降低。據(jù)“火星探路者”(Mars Pathfinder)測試結(jié)果表明:積聚和粘附在太陽電池翼上的塵埃使太陽電池翼的轉(zhuǎn)換效應(yīng)每個火星日下降約0.28%。據(jù)估計兩年后,積聚物造成的太陽電池翼的電性能下降可達(dá)22%～89%之間[6-7]。

因此,微塵是月球和火星探測不得不解決的問題。針對月球和火星的特殊環(huán)境,除塵方法可分為自然除塵、機械除塵、電動機械除塵和靜電除塵幾大類,電簾靜電除塵技術(shù)因無接觸式運動結(jié)構(gòu)、除塵效率比較高,近年來倍受關(guān)注。

電簾除塵最早于1967年出現(xiàn)在NASA 的除塵技術(shù)報告中,當(dāng)時是為了解決Apollo 任務(wù)的除塵問題,但報告中并沒有進(jìn)行深入探討[8]。直到20 世紀(jì)70年代,M asuda 等人在大氣環(huán)境中證明了利用電磁行波能夠搬運宏觀帶電微塵,即利用連接交流電源的平行電極產(chǎn)生行波的方法成功地進(jìn)行無接觸式搬運微塵,微塵根據(jù)所帶電荷的極性順著或逆著電場的方向移動,最終被移除[9]。直到美國重返月球計劃的提出, 電簾除塵技術(shù)才引起廣泛的關(guān)注,NASA 有關(guān)試驗室已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗,并獲得了寶貴的數(shù)據(jù)。

本文主要在調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,闡述了電簾除塵技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)、基本原理、理論推導(dǎo)和影響除塵效率的因素等,可對我國研究電簾除塵技術(shù)有一定的參考作用。

2 基本結(jié)構(gòu)

電簾由許多平行電極組成[18]。通常采用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板工藝的制作方法制作而成。在電極的表面噴涂一層聚酯薄膜,防止電極之間被擊穿。電簾一般可分為兩種:不透明的和透明的。不透明的一般以聚酯材料為襯底,以銅作為電極,表面噴涂聚酯薄膜。透明的是以玻璃或柔性聚酯材料為基底,以氧化銦錫(ITO)為電極,表面噴涂聚酯薄膜。如圖1 所示。透明的電簾可以作為火星太陽電池翼表面蓋板,也可以應(yīng)用到其它的光學(xué)系統(tǒng)上[10]。

圖1 電簾的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic st ructure of electrode screen

3 除塵原理

電極是由單相或多相時基電壓信號(正弦或方波)激勵。在單相電極模型中,如圖2 所示,單相電極植入襯底中,電極連接到單相電源上。當(dāng)電源極性變換時,試驗板表面將產(chǎn)生相反的電場。結(jié)果是,單相電極在試驗板表面產(chǎn)生駐波電場,帶電粒子在駐波電場的作用下來回移動,而沒有定向移動,無法有效地從試驗板表面移除。Pierre Atten 和他的同事在火星模擬環(huán)境中驗證了單相電極也能部分的移除微塵,這主要是因為氣體放電的緣故[11]。

圖2 單相電簾模式Fig.2 Single-phase electrode screen

如圖3 所示,當(dāng)電極連接到三相電壓信號時,將產(chǎn)生行波電場。圖3 中,A 相接正電壓(VA＞0V),B 相接地(VB=0V), C 相接負(fù)電壓(VC＜0V),正負(fù)電壓相等。帶電微塵在行波電場的作用下將沿著垂直于電極軸的方向定向移動,直到他們越過電極移動到電場強度比較小的地方。不帶電的微塵落在電簾表面,也會被移除。這是因為不帶電的微塵在降落到電簾的過程中通過靜電感應(yīng)和摩擦而帶上某種電荷,從而被移除?；蛘呤且驗槲m在電簾的非均勻電場中被極化,產(chǎn)生電偶極矩,具有電偶極矩的微塵在非均勻電場中受的力統(tǒng)稱為介電泳力,微塵在介電泳力的作用下被移除[12]。同時,有人也驗證了在真空環(huán)境中和低重力情況下微塵也可以被有效地移除[13]。

圖3 三相電簾模式Fig.3 Three-phase electrode screen

4 理論推導(dǎo)

懸浮在電簾表面的帶電微塵所受的力包括電動力學(xué)、黏性阻力和重力[10,14-15],符合下列等式

其中:m 為微塵的質(zhì)量;r 為微塵的位置;q 為微塵的帶電量;E 為電場強度;η為黏性系數(shù);g 為重力加速度。

由于微塵的運動是耦合的、非線性的。上述等式很難得到精確的解析解。Masuda 等人通過假設(shè)微塵是擺動的提出了一種近似線性的解。利用數(shù)值方程模擬微塵的運行軌跡與精確測試的結(jié)果匹配得非常好[9]。

對不帶電的微塵,受到的平均介電泳力在時間和空間上都與電場強度有關(guān)

其中:E*為電場強度的復(fù)共軛;p 為感應(yīng)電偶極矩。對于球形微塵,感應(yīng)電偶極矩為

其中:εm 為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù);f CM 為Clausius-M ossotti(克勞修斯-莫索蒂)因子,可表示為

其中:εm為介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù);εp為微塵的復(fù)介電常數(shù)。將式(3)代入到式(2)中,可求得可極化的球形微塵的平均介電泳力為

其中:EI為負(fù)的電位φI梯度;ER為負(fù)的電位φR梯度;Re(fCM)為fCM的實部。lm(fCM)為fCM的虛部。

這種力不僅可以作用在可極化的微塵也可以作用在雙極性的微塵(包含等量的正負(fù)電荷的微塵)上,這部分應(yīng)該增加到力的等式中。如果微塵的介電常數(shù)小于周圍介質(zhì)的介電常數(shù),微塵將向電場梯度最小處移動,也就是遠(yuǎn)離電簾的方向。然而,在大多數(shù)情況下,微塵的介電常數(shù)大于周圍介質(zhì)的介電常數(shù)時,將被電極所吸引。在這種情況下,微塵在移向電簾的過程中將由于摩擦而獲得了一定電荷,在更大電場力的作用下將被抬起遠(yuǎn)離電簾。

5 除塵效率

5.1 除塵效率定義

電簾的除塵效率(Clearing Factor, CF)定義為電簾加電15s 后剩余的微塵質(zhì)量除以最初堆積電簾上微塵的質(zhì)量?？梢杂上率奖硎綶16]

其中:mi為堆積在電簾上的最初的質(zhì)量;mf為電簾加電15s 后剩余的質(zhì)量。

為了表征加電時間對除塵效果的影響,Rajesh Sharma[17]將除塵效率定義為電簾加電后剩余的微塵質(zhì)量除以最初堆積在電簾上微塵的質(zhì)量。這時公式(6)中mf表示為電簾加電后剩余的質(zhì)量。

影響電簾除塵效率的主要因素有:激勵的電壓幅值、頻率和波形,電極的寬度與間距,連續(xù)加載以及施加電壓與旋轉(zhuǎn)微塵的順序等。

5.2 電壓和頻率對除塵效率的影響

采用標(biāo)準(zhǔn)印制電路板工藝制作的不透明電簾作為試驗電簾,施加電壓范圍為0～10kV,頻率范圍為0～1 000Hz。通過一系列的試驗,在加電15s后,測試除塵效率,可以得到電壓、頻率與移除效率之間的關(guān)系,如圖4 所示[16]。注意施加的電壓應(yīng)該小于電極之間放電的電壓。通過圖4 可以看出,頻率是影響除塵效率的主要因素。但并不是頻率越高,除塵效率就越高。然而,頻率越高,卻越有利于防止微塵降落在電簾上。推薦的電壓為8kV,頻率為5～15Hz。

圖4 電壓和頻率對除塵效率的影響Fig.4 Variation of clearing factor with amplitude and frequency of signal

5.3 波形對除塵效率的影響

采用標(biāo)準(zhǔn)印制電路板工藝制作的不透明電簾作為試驗電簾,A.S.Biris 試驗了正弦、方波和三角波對除塵效率影響,試驗結(jié)果如圖5 所示[16]。從圖5中可以看出,正弦和方波幾乎有相同的效果,而三角波僅能夠移除很少的微塵。這種現(xiàn)象可以這樣理解:信號幅值增長的梯度是微塵移除最主要的因素。梯度越大,微塵越容易被移除。

圖5 波形對除塵效率的影響Fig.5 Clearing factor as function of the signal shape

5.4 電極寬度與間距對除塵效率的影響

C.I.Calle[12]利用標(biāo)準(zhǔn)印制電路板工藝制作了三個電簾, 電極寬度與間距分別是(0.6mm,2.0mm),(0.5mm,1.5mm)和(0.3mm,1.0mm),并在大氣環(huán)境和模擬火星環(huán)境中進(jìn)行了除塵效率的試驗,試驗結(jié)果如圖6 和圖7 所示。試驗結(jié)果表明小的寬度和間距能更有效地移除微塵。

圖6 大氣環(huán)境下間距和寬度對除塵效率的影響Fig.6 Minimum voltage required for particle t ransport as a function of f requency for screens for various widths and spaces at atmospheric pressures

5.5 連續(xù)加載對除塵效率的影響

Rajesh Sharma[17]以ITO 作為電簾,電極寬度0.27mm,間距0.508mm。施加1 200V 的方波電壓,火星微塵模擬物采用JSC Mars-1。對電簾連續(xù)加電20～35min,微塵也連續(xù)的降落在電簾上。連續(xù)加載微塵的數(shù)量約等于火星一年內(nèi)的積聚在同面積太陽電池翼上的微塵數(shù)量。試驗結(jié)果如圖8 所示。從圖上可以看出,即使在加載微塵最密集時,除塵效率也能達(dá)到90%以上。說明電簾能夠有效地保持表面的清潔。

圖7 模擬火星環(huán)境下間距和寬度對除塵效率的影響Fig.7 Minimum voltage required for particle transport as a function of frequency for screens for various widths and spaces at simulated Marian pressures 7 torr CO2

圖8 連續(xù)加載對除塵效率的影響Fig.8 DRE of EDS under screen energization with continuous loading

5.6 加電與放置微塵順序?qū)Τ龎m效率的影響

Rajesh Sharma[17]以同樣的電極, 做了加電與放置微塵順序的試驗。即每15min 加電一次,運行時間90min。加電與放置微塵順序?qū)Τ龎m效率的影響如圖9 所示。加電前放置微塵的效率為91.5%,加電后放置微塵的效率為97.6%。這主要是因為:加電前放置微塵,微塵已經(jīng)降落到了電簾上,需要重新舉起微塵才能移除微塵。而加電后放置微塵,將會有部分微塵在沒有直接降落到電簾上就已經(jīng)被移除了。因此,加電后放置微塵的除塵效率會更高一些。

6 結(jié)束語

圖9 加電與放置微塵順序?qū)Τ龎m效率的影響Fig.9 DRE of EDS with intermittent dust deposition and screen energization at every 15 min

電簾除塵技術(shù)主要是利用靜電力或介電泳力將微塵舉起并移離電簾基板,因不具有接觸式運動結(jié)構(gòu),除塵效率高而得到廣泛的關(guān)注,特別是透明的氧化銦錫(ITO)電簾對光學(xué)系統(tǒng)防護(hù)和太陽電池翼除塵具有很強的吸引力。

國外對電簾除塵技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了很多研究,國內(nèi)還沒有正式開展這方面的研究,中國空間技術(shù)研究院在電簾除塵技術(shù)方面的研究也是剛剛起步。主要從以下三個方面著手開展電簾除塵技術(shù)的研究。

1)開展大氣環(huán)境中電簾除塵技術(shù)的試驗:解決電壓和頻率均可調(diào)的三相電源技術(shù),設(shè)計完成試驗用電簾電源;在利用標(biāo)準(zhǔn)印制電路板工藝制作的電簾上,分析大氣環(huán)境中電壓幅值和頻率、電極寬度和間距等對除塵的效率影響;分析電簾的功耗;同時進(jìn)行大氣環(huán)境中電簾除塵技術(shù)的仿真分析。

2)開展模擬月球環(huán)境或模擬火星環(huán)境中電簾除塵技術(shù)的試驗:在利用標(biāo)準(zhǔn)印制電路板工藝制作的電簾上和ITO 電簾上,分析電壓幅值和頻率、電極寬度和間距等對除塵的效率影響;分析電簾的功耗;測試ITO 電簾的透光率;同時進(jìn)行電簾除塵技術(shù)的仿真分析。

3)努力爭取開展月球和火星電簾除塵技術(shù)的試驗。

)

[1]S tubbs T J, Vondrak R R,Farrell W M .Impact of lunar dust on the exploration initiative dust in planetary systems[C]//36thAnnual Lunar and Planetary Science Conference.League City, Texas, USA, 2005

[2]Buhler C R , Calle C I, Clements J S.Test method for in-situ electrostatic characterization of lunar dust[C]//Aerospace Conference.2007 IEEE, 3-10 March 2007:1-19

[3]Gaier J R.The effects of lunar dust on Eva system s during the Apollo missions [R].NASA/TM 2005 21360

[4]Calle C I, Buthler C R.Controllable transport of particulate materials for in-situ characterization [R].IEEEAC paper #1635, Version 3, Updated December 8,2006

[5]Wagner S A.The Apollo experience lessons learned for constellation lunar dust management[R].NASA/TP 2006 213726 .

[6]Landis G, Jenkins P.Dust on Mars:materials adherence experiment results from mars pathfinder [C]//Proceedings of the 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conference Anaheim CA, Sept.29-Oct.3 1997, :865-869

[7]Landis G, Jenkins P.Measurement of the settling rate of atmospheric dust on mars by the MAE instrument on Mars pathfinder [J].Geophysical Research, 2000, 105(E1):1855-1857

[8]Tatom F B, Srepel R D V , Johnson N A, et al.Lunar dust degradation effects and removal/prevention concepts[R].NASA,Vol.1,NASA-C R-93594,1967

[9]Masuda S, Aoyoma M, Masuda S.Characteristics of electric dust collector based on electric curtain[C]//Proceedings of the General Conference of the Institute of Electronic Engineers.Japan, 1971, No.821 Proc.of Albany Conference on Electrostatics(1971)

[10]Calle C I, Buthler C R.Controllable transport of particulate materials for in-situ characterization[R].IEEEAC paper #1635, Version 3, Updated December 8,2006

[11]Atten P, Hai Long Pan, Jean-Luc Reboud.Study of dust removal by standing-wave electric curtain for application to solar cells on Mars[R].0093-9994 IEEE IEEE Transactions on industry applications, 2009, 45(1)

[12]Calle C I, Buthler C R.Elect rodynamic dust shield for solar panels on Mars[J].Lunar and Planetary Science XXXV(2004)

[13]Calle C I, Buthler C R.Reduced gravity flight demonstration of the dust shield technology for optical system s[R].IEEEAC parper #1510, Version 2, Updated November 17, 2008

[14]Masuda S, Washizu M, Iwadare M.Separation of small particles suspended in liquid by non-uniform t raveling field [R].IEEE Transactions on Industry Applications, Vol IA-23, No 3, May/June 1987, 0093-9994/87/0500-0474 1987 IEEEE

[15]H u D, Balachandran W, Machow ski W.Computer user interface and simulation for designing a travelling w ave panel electrode[R].0-7803-1993-1/94, 1994 IEEE

[16]Biris A S, Saini D.Electrodynamics removal of contaminant particles and its application[R].IAS 2004, 0-7803-8486-5/04 2004 IEEE

[17]Sharma R, Wyatt C A.Experimental evaluation and analysis of electro dynamic screen as dust mitigation technology for future Mars missions[J].IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE, 2009,45(2)

[18]曹紅杏,阮萍, 李婷,等.光學(xué)系統(tǒng)的月塵防護(hù)方法綜述[J].科學(xué)技術(shù)與工程, 2007, 20(7)