任德鵬，張 熇

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

“嫦娥三號”探測器月塵環(huán)境分析及試驗要求

任德鵬，張 熇

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

“嫦娥三號”是我國首個成功實施地外天體表面就位探測的航天器，在其研制過程中充分考慮了月面環(huán)境對探測器的影響，開展了針對性設計及地面驗證工作。文章綜述了探測器針對月塵環(huán)境方面的設計因素，總結了月面月塵激揚的因素及其相關數值分析工作，對月塵驗證試驗的設計及條件制定進行了說明。相關結果或工作思路可為后續(xù)月面探測器及火星表面探測器的研制提供參考。

月塵；數值分析；試驗要求

0 引言

月塵一般是指覆蓋在月球外表面平均顆粒直徑約70 μm的月壤微粒，它是月面重要的環(huán)境因素之一，能夠影響月面探測器的正常工作，造成設備失效甚至任務失敗[1-2]，因此月面探測器的研制需要考慮月塵對探測器的影響。

探月工程的實施帶動了我國對月球環(huán)境的研究，國內眾多科研機構也先后開展了月塵的影響分析及試驗，獲得了不同月塵沉積作用下熱控散熱面及太陽電池陣性能的影響數據[3-5]；白羽等研究了月塵對巡視器車輪的磨損影響[6]。但這些試驗旨在測試不同設備對月塵環(huán)境的適應性，無法明確“嫦娥三號”任務過程中月塵的影響量，也難以據此開展針對性設計工作。

在“嫦娥三號”的研制過程中，針對月塵環(huán)境開展了較完整的研究，針對不同環(huán)節(jié)進行了數值分析并制定了相應的試驗要求，本文對這部分的工作進行總結。

1 月塵激揚因素

月塵顆粒的質量微小，在外力條件下容易脫離月面，只有脫離月面的月塵才可能對探測器產生影響，因此研究月塵的影響作用首先需要分析月塵的激揚因素。

導致月塵激揚的機制可分為自然因素和人為因素[7]。1）自然因素主要是微流星的撞擊作用及月面靜電作用。研究表明，微流星撞擊至月面可激起100～1000倍于其質量的月塵[8]，但該現象屬于小概率事件，因此“嫦娥三號”探測器研制過程中不考慮微流星撞擊作用。根據“阿波羅號”航天員的描述，在登月期間曾觀察到月面晨昏交界處出現月塵激揚現象，后來人們猜測可能是由于空間輻射使月塵帶電導致的，國內也有專項研究報道[9]。“嫦娥三號”考慮了探測器與月面的電位差并設計了接地通道，且器表無外露高壓設備，月塵帶電不影響探測器正常工作，因此“嫦娥三號”研制過程中也不考慮其帶電作用。2）人為因素包括軟著陸過程中變推力發(fā)動機燃氣流對月面的擾動作用、著陸緩沖機構對月面的沖擊擾動作用，以及巡視探測器行駛過程中車輪對月壤的擾動作用：探測器距月面約2.88 m高度時關閉發(fā)動機，其燃氣流出口速度超過3000 m/s，燃氣流直接垂直作用至月球表面，導致月塵激揚；發(fā)動機關機后探測器自由落體下降，緩沖機構足墊觸地時探測器的垂直速度接近4 m/s，沖擊作用也會導致月塵激揚；著陸后，巡視探測器將在月面開展獨立的移動探測，探測器月面移動過程中的車輪轉動也可能導致月塵激揚。探測器月塵環(huán)境的適應性設計需要對這3種因素進行定量分析。

2 月塵激揚分析

針對探測器導致的揚塵作用開展了理論分析和試驗研究工作，分別如下。

2.1 發(fā)動機燃氣流揚塵

將月塵顆粒運動按擬流體進行處理，計算顆粒脈動能守恒方程，采用雙流體模型實現發(fā)動機與月塵顆粒的氣固兩相耦合計算。主要控制方程為

式中：ε為相體積分率；ρ為介質密度；v為流動速度。

燃氣流和月塵顆粒的動量守恒方程分別為：

式中：p為相分壓；g為月面重力加速度；β為燃氣流與月塵顆粒相間阻力系數；τ為相應力張量；下標g表示燃氣流，s表示月塵顆粒。

月塵顆粒脈動能方程為

式中：θ為顆粒溫度；γs為月塵顆粒碰撞能量耗散率；κs為月塵顆粒相熱傳導系數。

考慮軟著陸過程中探測器與月面不同相對位置，選取50 m×35 m的二維計算區(qū)域，獲得了著陸過程中發(fā)動機燃氣流流場及激揚月塵濃度、速度分布結果。

圖1～圖3顯示了著陸過程中探測器發(fā)動機燃氣流速度矢量及月面月塵顆粒濃度分布情況?？梢?，探測器距月面25 m以上高度時，燃氣流作用至月面后，受邊界影響氣流沿月表四周擴散，此時在探測器降落的正下方幾乎不會出現激揚的月塵；隨著探測器接近月面，氣流方向開始發(fā)生變化，氣流脫離月面向上流場呈“V”字分布，此時受燃氣流的作用月塵被激揚，顆粒濃度增大，但最高濃度區(qū)域位于探測器的外圍；當距月面1 m高度時，探測器周圍開始出現月塵顆粒，探測器側面區(qū)域內月塵顆粒濃度大于其底部。

圖1 探測器距月面25 m時發(fā)動機燃氣流與月表月塵分布計算結果Fig.1 The calculation result of engine gas flow and lunar dust while the probe is 25 m above the lunar surface

圖2 探測器距月面9 m時發(fā)動機燃氣流與月表月塵分布計算結果Fig.2 The calculation result of engine gas flow and lunar dust while the probe is 9 m above the lunar surface

圖3 探測器距月面1 m時發(fā)動機燃氣流與月表月塵分布計算結果Fig.3 The calculation result of engine gas flow and lunar dust while the probe is 1 m above the lunar surface

2.2 著陸沖擊揚塵

采用相似試驗分析及顆粒動力學分析 2種方法對著陸沖擊揚塵問題進行研究。

2.2.1 相似試驗分析

加工了一件探測器的相似性試驗模型，如圖4所示。

圖4 探測器試驗模型Fig.4 Test model of the probe

在真空試驗罐中鋪設平均粒徑 70 μm的模擬月壤，將試驗模型置于模擬月壤上方，系統(tǒng)抽真空至滿足真空度要求后，投放試驗模型使其沖擊模擬月壤，激起月塵的運動（見圖5）。

圖5 探測器試驗模型沖擊模擬月壤Fig.5 Picture of simulating lunar soil impacted by the probe model

試驗測得了模型足墊接觸模擬月壤的速度和月塵的最大激揚速度及高度，引入弗洛德數（慣性量和重力項的比對參數）并采用相似準則，反演得到真實探測器著陸沖擊對月面月塵的激揚高度為0.2～0.3 m之間。

2.2.2 顆粒動力學分析

[10]中采用Hertz理論和JKR理論分析月塵顆粒的受力及運動，針對月面環(huán)境特點（忽略月面氣體對月塵顆粒的作用力、考慮月面重力加速度），分別建立了顆粒碰撞和黏附力計算模型、顆粒間法向力及切向力計算模型，考慮了顆粒間相對滾動及扭動摩擦作用修正了顆粒的轉動模型。將顆粒動力學模型與緩沖足墊對月塵沖擊過程耦合計算，實現了著陸沖擊月塵激揚的理論計算。

圖6為沖擊過程部分計算結果，表明探測器著陸沖擊導致月塵揚塵高度范圍為0.111～0.308 m。該結果與相似性物理試驗結果接近。

圖6 足墊沖擊對月塵激揚作用結果Fig.6 Result of foot pad soaring lunar dust

2.3 車輪滾轉揚塵

通過分析顆粒的受力，建立顆粒動力學模型，分析巡視器行駛過程中的揚塵作用，如圖7所示。

圖7 巡視器車輪與月壤相互作用計算模型Fig.7 Calculation model of the interactions between the rover wheel and lunar dust

計算表明，月塵顆粒在黏附力作用下吸附至車輪表面并隨其轉動。在特定角度下粒徑較大的顆粒團受到的重力大于黏附力，從而自輪體表面垂直脫落；小顆粒或松散的月塵能夠始終黏附在車輪表面完成一周的運動。但由于車輪轉速小，離心力作用不突出，不會導致月塵的激揚。

2.4 小結

著陸沖擊導致月塵激揚高度不足0.3 m，而巡視探測器移動過程中不會產生揚塵作用，因此探測器主要針對燃氣流的揚塵作用開展設計。

3 試驗環(huán)節(jié)設計及條件制定

“嫦娥三號”探測器的月塵防護設計包括：將散熱面布置在探測器頂端，軟著陸過程收攏太陽電池陣以保護太陽電池及散熱面等。此外，采用真實單機設備進行了月塵影響驗證試驗[11]。

3.1 吹塵驗證試驗

針對軟著陸過程探測器發(fā)動機燃氣流激起的月塵環(huán)境而開展的驗證試驗，環(huán)境特點是月塵以一定速度沖刷探測器表面，試驗對象多為機構類設備及光學設備。

根據數值計算結果制定試驗條件，要求模擬月塵濃度為300 g/m3，月塵運動速度為2 m/s，試驗時間不小于30 s。研制了一套密封試驗箱，試驗設備置于箱內，通過送風機將模擬月塵吹至試驗箱內，使其濃度和速度滿足要求。試驗設備可在箱內旋轉以保證各側面均能暴露于模擬月塵氣流中，期間要求試驗設備加電工作以驗證其工作性能。

3.2 降塵驗證試驗

針對探測器著陸后激揚月塵沉降環(huán)境開展的驗證試驗，其特點是月塵均勻回降至探測器表面。試驗對象主要為太陽電池陣、熱控材料等。

根據分析結果確定月塵最大沉降量為20 g/m2，試驗前將試驗設備（或材料）按探測器的安裝關系進行固定，模擬月塵在試驗對象正上方緩慢均勻灑落，然后測試設備（或材料）的性能變化。

3.3 穿塵驗證試驗

“嫦娥三號”探測器配置了伽馬關機敏感器，依靠測量被月面反射的伽馬射線強度實現探測器距月面高度的反演。軟著陸過程中探測器下方激起的月塵可能影響其工作性能，因此需要開展地面的模擬驗證試驗。

根據伽馬關機敏感器工作原理，為便于試驗的實施，采用了等效法進行試驗，即：根據數值計算，得到探測器底面至月面范圍內發(fā)動機燃氣流激起月塵顆粒濃度為10-4量級，即月塵顆粒團的等效密度為0.3 kg/m3，選取與該等效密度接近的材料放置在伽馬關機敏感器下方，測試對其性能的影響。

3.4 埋塵驗證試驗

針對巡視探測器移動過程中的月塵環(huán)境開展的驗證試驗，雖然行駛過程中車輪不會激揚月塵，但車輪本身直接接觸月面，為驗證驅動機構的密封防塵性能，要求巡視器車輪埋在模擬月壤中加電轉動并測試其性能。

4 試驗有效性分析

“嫦娥三號”探測器研制過程中按照上述要求完成了驗證試驗，自2013年12月2日發(fā)射以來，至今沒有出現月塵導致的異常問題及故障。探測器上搭載了1臺月塵測量儀[12]，在2013年12月15日探測器完成月面軟著陸后開機工作，對軟著陸過程中的月塵激揚量進行了測量，經數據反演，月塵累計量小于 1×10-3g/cm2，該結果是地面降塵試驗要求的1/2。

5 總結及展望

1）探測器研制中沒有考慮自然揚塵的影響，開展的分析工作均不考慮月塵的帶電作用，忽略該因素對探測器設計的影響作用。

2）由探測器自身導致的月塵激揚因素中，發(fā)動機燃氣流的影響最大、著陸沖擊次之、巡視探測器移動最弱。

3）根據月塵激揚分析結果制定了地面驗證試驗的項目和具體要求，試驗內容全面，探測器實際工作正常，地面試驗結果有效。

4）本文在發(fā)動機燃氣流揚塵分析中采用雙流體模擬，該模型對低顆粒濃度的處理尚不完善，后續(xù)可結合離散顆粒模型開發(fā)新的計算方法或開展地面試驗對雙流體模型進行修正，以提高其準確度和適應性。

5）顆粒動力學分析中無法對探測器影響區(qū)的月塵顆粒進行一一建模，因此在著陸沖擊揚塵分析中主要采用了相似試驗分析為主、數值分析驗證為輔的方法，如何提高顆粒的計算統(tǒng)計量、提高運算速度仍是顆粒動力學數值分析的工作方向之一。

參考文獻（References)

[1]VONDRAK T J, FARRELL R R, FARRELL W M.Impact of lunar dust on the exploration initiative[C]//36thLunar and Planetary Science Conference.League City: 2005, XXXVI 2277

[2]JAMES R G.The effects of lunar dust on EVA systems during the Apollo missions: NASA/TM—2005-213610/ REV1[R]

[3]張濤, 邵興國, 向艷超.月塵對熱控系統(tǒng)的退化影響[J].航天器工程, 2010, 19(5): 82-88 ZHANG T, SHAO X G, XIANG Y C.Degradation effects of the lunar dust on thermal control system[J].Spacecraft Engineering, 2010, 19(5): 82-88

[4]莊建宏, 王先榮, 馮杰.月塵對太陽電池的遮擋效應研究[J].航天器環(huán)境工程, 2010, 27(4): 409-411 ZHUANG J H, WANG X R, FENG J.Overlapping effect of lunar dust sediment on solar cell[J].Spacecraft Environment Engineering, 2010, 27(4): 409-411

[5]孫永衛(wèi), 曹鶴飛, 原青云.月塵對太陽電池陣開路電壓影響研究[J].太陽能學報, 2015, 36(3): 551-555 SUN Y W, CAO H F, YUAN Q Y.Effect of lunar dust to open circuit voltage of solar cell array[J].Acta Enerciae Solaris Sinica, 2015, 36(3): 551-555

[6]白羽, 郝寧, 王志浩, 等.模擬月塵對巡視器車輪輪軸材料的磨損試驗研究[J].航天器環(huán)境工程, 2013, 30(5): 493-498 BAI Y, HAO N, WANG Z H, et al.Abrasion tese on wheel and axle materials of lunar rover under the influence of simulation lunar duse[J].Spacecraft Environment Engineering, 2013, 30(5): 493-498

[7]REISS J R, SHAFFER J R.Lunar transportation facilities and operations study: Final report for NASA contract NASlO-11567[R].NASA Kennedy Space CTR, 1991

[8]曾令斌, 邱寶貴, 肖杰, 等.月面揚塵特性與月塵防護技術研究[J].上海航天, 2015, 32(1): 58-62 ZENG L B, QIU B G, XIAO J, et al.Study on characteristics of lunar dusting and dust mitigation technologies[J].Aerospace Shanghai, 2015, 32(1): 58-62

[9]許濱, 原青云, 孫永衛(wèi), 等.月塵環(huán)境材料帶電地面模擬試驗系統(tǒng)研究[J].軍械工程學院學報, 2014, 26(1): 36-39 XU B , YUAN Q Y, SUN Y W, et al.Study on ground simulation test system of material charging under lunar dust environment[J].Journal of Ordnance Engineering College, 2014, 26(1): 36-39

[10]李水清, MARSHALL J S, RATNER A, et al.氣固稀相流中顆粒沉積和集聚的分子動力學模型[J].工程熱物理學報, 2007, 28(6): 1035-1038 Li S Q, MARSHALL J S, RATNER A, et al.Molecular dynamics simulation of particle deposition and agglomeration in two-phase dilute flow[J].Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(6): 1035-1038

[11]賈陽, 申振榮, 龐彧, 等.月面巡視探測器地面試驗方法與技術綜述[J].航天器環(huán)境工程, 2014, 31(5): 464-469 JIA Y, SHEN Z R, PANG Y, et al.A review of field test methods and technologies for lunar rover[J].Spacecraft Environment Engineering, 2014, 31(5): 464-469

[12]鄒昕, 鄧湘金, 王鷁, 等.月塵累積特性測量技術研究與應用[J].航天器工程, 2015, 24(3): 22-27 ZOU X, DENG X J, WANG Y, et al.Research and application of measurement technology for lunar dust accumulation characteristic[J].Spacecraft Engineering, 2015, 24(3): 22-27

（編輯：王 洋）

Lunar dust environment analysis and test requirement for Chang’e-3 probe

REN Depeng, ZHANG He
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

Chang’e-3 is the first successful extraterrestrial in-situ probe launched by China.The lunar surface environment and its influence on the probe were fully considered in the development process, and specific designs and ground tests were carried out.This paper reviews the design factors of the probe regarding the lunar dust, summarizes the cause of the soared lunar dust and the related numerical analysis, and discussed the design and the determination of test conditions of lunar dust validation tests.Results and strategies provide a reference for the development of future lunar and Martian surface probes.

lunar dust; numerical analysis; test requirement

V476.3; V416.5

：A

：1673-1379(2016)05-0521-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.011

任德鵬（1976—），男，高級工程師，主要從事月球探測器的總體設計工作。E-mail: rdpsd@163.com。

2016-03-09；

：2016-09-23

國家重大科技專項工程