孫 浩，高海洋，沈志剛，張曉靜，楊艷靜

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094；2.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院粉體技術(shù)研究開(kāi)發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191）

1 引言

月球表面存在永久塵埃層，有時(shí)甚至發(fā)生月球塵暴［1-2］。根據(jù)阿波羅計(jì)劃總結(jié)報(bào)告，月球塵埃曾給探月任務(wù)的實(shí)施造成諸多麻煩［3］。為了研究這種無(wú)處不在的塵埃特性，所有著陸的阿波羅飛船都搭載了月塵實(shí)驗(yàn)設(shè)備（Lunar Dust EXperiment，LDEX），用以原位監(jiān)測(cè)和記錄這種細(xì)小顆粒的運(yùn)動(dòng)信息［4］。此后，針對(duì)返回的阿波羅月球樣品的研究又進(jìn)一步將月塵研究推向深入［5］。2013年發(fā)射升空的月球大氣與粉塵環(huán)境探測(cè)器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE）首次獲得了近月空間浮塵的時(shí)空分布特點(diǎn)，并得出了月球表面上空存在大范圍的永久塵埃層的結(jié)論，如圖 1所示［6］。

圖1 LADEE測(cè)量的月球浮塵空間和時(shí)間分布示意圖［6］Fig.1 A permanent but asymmetric dust cloud around the Moon probed by the LADEE mission［6］

月球浮塵研究主要是通過(guò)月面原位研究、地基或環(huán)月遙感觀測(cè)、真實(shí)月塵樣品研究和模擬月塵研究四種途徑進(jìn)行。由于地面研究樣品消耗量大，而可采集的原始月塵樣品有限，難以滿足地面各種試驗(yàn)工況的需求，因此多使用地面模擬月塵替代珍貴的月塵樣品［7］。月球和地球地質(zhì)組成的相似性使得利用地球材料制備月球浮塵模擬物成為可能。 目前，NASA［8-9］、中科院地化所［10］已經(jīng)分別研制出JSC-1Avf，NU-LHT-1D和CLDS-i模擬月塵產(chǎn)品。JSC-1Avf是模擬月壤JSC-1A的月塵版本，以阿波羅14樣品為參照，加入了膠結(jié)質(zhì)和納米鐵。NU-LHT-1D是模擬月壤NU-LHT-1M的月塵版本，以阿波羅16樣品為參照，玻璃相100%人工制備。CLDS-i是模擬月壤CLRS-1的月塵版本，以阿波羅15樣品為參照，玻璃相為火山玻璃富集物。受限于模擬月壤的研制方法，已有模擬月塵在化學(xué)成分、膠結(jié)質(zhì)玻璃、粒度等特性仿真度方面均存在一定缺憾，并且難以實(shí)現(xiàn)多樣化開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致其應(yīng)用面偏窄。

基于上述應(yīng)用需求和研制現(xiàn)狀，本文將依托新研制的20 μm模擬月塵 BHLD20（Beihang Lunar Dust Simulant 20 μm，即北京航空航天大學(xué)20 μm級(jí)模擬月塵），探討在粒度分布、化學(xué)組成、膠結(jié)質(zhì)等方面提升模擬月塵仿真度的技術(shù)路線，同時(shí)，基于BHLD20的研制路線提出模擬月塵或模擬月壤多樣化研制新思路。希望為今后我國(guó)探月工程的地面試驗(yàn)研究提供有益參考。

2 BHLD20改進(jìn)

2.1 原料配制

2.1.1 初始原料

考慮到月球表面地質(zhì)及其演化特點(diǎn)、月塵與月壤組成成分差異，BHLD20原料選為黑色重質(zhì)火山渣與基性斜長(zhǎng)石的混合物，見(jiàn)圖2。黑色重質(zhì)火山渣取自吉林省輝南縣附近的火山群帶，它與月面玄武質(zhì)組成接近，同屬于新鮮的巖漿噴出物［5］。另外，由于月塵比月壤含有更多的斜長(zhǎng)石成分，且玻璃相成分介于玄武巖和斜長(zhǎng)巖之間［2，11］，因此在 20 μm 模擬月塵研制過(guò)程中，添加了斜長(zhǎng)石成分?；孕遍L(zhǎng)石以河北省靈壽縣出產(chǎn)的鈣長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石通過(guò)配比與燒結(jié)得到［12］。

圖2 模擬月塵BHLD20原料Fig.2 Raw materials for producing BHLD20

2.1.2 膠結(jié)質(zhì)制備

月球膠結(jié)質(zhì)是非晶質(zhì)玻璃和巖石礦物碎屑膠結(jié)在一起形成的復(fù)合體（非晶質(zhì)占20% ～70%），在月面微流星體撞擊引起的局部熔融作用和月面低溫驟冷作用共同影響下生成［13-14］。由于地面不具備上述條件，因此火山渣中不含該特殊結(jié)構(gòu)［15］?；鹕皆泻械牟ＡХQ為火山玻璃，是一種純玻璃物質(zhì)，與膠結(jié)質(zhì)存在特征上的差別。膠結(jié)質(zhì)顆粒在月塵中占有較大比重，而且由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很大程度上影響月塵的特性，因此在研制模擬月塵的過(guò)程中制備膠結(jié)質(zhì)材料十分重要［12］。

BHLD20膠結(jié)質(zhì)制備使用火山渣和基性斜長(zhǎng)石混合物粉體為原料，通過(guò)高溫馬弗爐加熱和快速水冷過(guò)程，成功制備出玻璃相含量可控的膠結(jié)質(zhì)產(chǎn)物，如圖 3 所示。 經(jīng)研究［12］，1200℃ 加熱20 min是合適的選擇，加熱不足熔融物少，而過(guò)燒將導(dǎo)致生成大量的玻璃碎片。

圖3 模擬月塵BHLD20膠結(jié)質(zhì)材料［12］Fig.3 Agglutinate analog for producing BHLD20［12］

2.2 微納米粉體制備

2.2.1 初步粉碎

通過(guò)氣流粉碎機(jī)，可以將上述較大的膠結(jié)質(zhì)材料分裂成小膠結(jié)質(zhì)顆粒、純玻璃顆粒、礦物顆粒，作為BHLD20的中間產(chǎn)物（中值粒徑5 μm）。為了進(jìn)一步細(xì)化至微納米級(jí)別，需使用濕法砂磨的方法。

2.2.2 濕法砂磨

為了達(dá)到月塵中值粒徑100 nm～300 nm的目標(biāo)，BHLD20研制過(guò)程中使用了實(shí)驗(yàn)室型（1.5 L）棒梢式砂磨機(jī)，研磨介質(zhì)為鋯球，分散介質(zhì)為去離子水。研究結(jié)果表明，使用BHLD20中間產(chǎn)物連續(xù)研磨30～40 min可一次性使顆粒粒徑研細(xì)至中值粒徑285 nm左右，此為模擬月塵顆粒的真實(shí)粒度分布。

2.3 分散提取

2.3.1 分散劑的選擇

隨著時(shí)間的推移，原本分散的無(wú)機(jī)顆粒在漿料中發(fā)生團(tuán)聚沉降，使干燥后粉體的粒度大幅增加［16］，如圖 4（a）（b）。 為此，在研制模擬月塵BHLD20的過(guò)程中，考慮使用分散劑緩解甚至消除團(tuán)聚帶來(lái)的影響。研究結(jié)果表明，使用濃度為0.5%的硅烷偶聯(lián)劑A151加超聲攪拌，團(tuán)聚的模擬月塵顆粒粒度分布可以被還原，見(jiàn)圖4（c）。

圖4 模擬月塵BHLD20的團(tuán)聚與分散Fig.4 Agglomerated BHLD20 with out and with dispersion

2.3.2 粉體提取

在BHLD20漿料中顆粒分散條件良好的前提下，立即將漿料干燥，去除溶劑以提取粉體。在此過(guò)程中，由于液橋力的作用，一些顆粒仍會(huì)發(fā)生軟團(tuán)聚現(xiàn)象。BHLD20制備的最后一步使用氣流粉碎力破壞顆粒軟團(tuán)聚，達(dá)到固體顆粒充分分離的目的。最終，干態(tài)模擬月塵產(chǎn)品BHLD20如圖5所示，相對(duì)密度2.72×103kg／m3（比重瓶法）。

圖5 模擬月塵BHLD20Fig.5 Lunar dust simulant BHLD20

3 BHLD20基本特性

3.1 粒度分布

使用激光粒度分析儀測(cè)得的模擬月塵BHLD20粒度分布如圖6（b）所示，中值粒徑約為285 nm， 與 阿 波 羅 真 實(shí) 月 塵 樣 品 接 近［8］。BHLD20的粒度分布區(qū)間較窄，原因在于阿波羅月塵樣品采用了過(guò)時(shí)的濕法篩分技術(shù)與基于SEM 的統(tǒng)計(jì)測(cè)量法［8，17-18］，而 BHLD20 采用了先進(jìn)的濕法砂磨技術(shù)和激光粒度儀測(cè)量法。激光粒度儀測(cè)量粒度的結(jié)果相比篩分法偏小，它對(duì)團(tuán)聚不如篩分法敏感。

圖6 真實(shí)月塵與模擬月塵BHLD20粒度分布Fig.6 PSD of lunar dust sample and its simulant BHLD20

3.2 微觀形貌

BHLD20主要由形狀不規(guī)則的膠結(jié)質(zhì)顆粒和形狀圓潤(rùn)的純玻璃球粒組成，如圖 7（f）～（j）所示，與真實(shí)月塵樣品相似［11，19］。它們是在特定的加熱條件下生成的，模擬了月球表面微流星體撞擊熔融作用。然而，由于缺少某些月面空間風(fēng)化作用，BHLD20顆粒氣泡構(gòu)造的比重可能和真實(shí)月塵存在差距。

圖7 真實(shí)月塵與模擬月塵BHLD20顆粒微觀形貌Fig.7 Particle texture and shape characteristics of lunar dust sample and its simulant BHLD20

3.3 化學(xué)組成

由于膠結(jié)質(zhì)的存在，BHLD20中玻璃相含量大于原始火山渣和基性斜長(zhǎng)石原料中的玻璃相含量，符合月塵成熟度高的特點(diǎn)［12］。經(jīng)計(jì)算，火山玻璃、斜長(zhǎng)石及其他礦物晶體約各占20%。BHLD20及代表性阿波羅月塵樣品［20］化學(xué)成分見(jiàn)表1。BHLD20與各型月塵樣品化學(xué)成分總體相近，因鐵、鈦元素不足，不是典型的月海類(lèi)型模擬物，又因鈣、鋁元素不足，也不完全是高地模擬月塵，與阿波羅14月塵樣品情況類(lèi)似，僅Mg含量偏低［7］。 此外，BHLD20的 CaO 含量偏低，而SiO2、Na2O和K2O含量偏高符合地球礦物特點(diǎn)。

表1 部分真實(shí)月塵樣品（＜10 μm）［20］與 BHLD20化學(xué)成分比較Table 1 Chemistry of representative lunar dust sample（ ＜10 μm）［20］and BHLD20

由于BHLD20是在大氣環(huán)境中制備得到的，而納米鐵在空氣中難以穩(wěn)定存在，因此BHLD20微粒表面不含有納米鐵單質(zhì)。但BHLD20中含有少量鐵氧化物，使其具有一定的磁性。納米鐵因其高昂的制備成本及有限的用途，目前僅在個(gè)別模擬月塵中有所涉及，對(duì)于通用型號(hào)模擬月塵，并非必需。

通過(guò)對(duì)上述基本參數(shù)的測(cè)量可知，模擬月塵BHLD20在粒度分布、微觀形貌、礦物組成、化學(xué)成分、膠結(jié)質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)上與真實(shí)月塵樣品特別是阿波羅14月塵比較接近。但BHLD20既不屬于月海類(lèi)型，亦不屬于高地類(lèi)型。實(shí)際上，它具有成分（類(lèi)型）可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，適合作為各類(lèi)模擬月塵的“原型”，通過(guò)加入跡礦物進(jìn)一步逼近特定類(lèi)型模擬月塵組成。

4 結(jié)論

20 μm模擬月塵BHLD20與大部分阿波羅月塵樣品在粒度分布、微觀形貌、微粒組成與化學(xué)成分方面表現(xiàn)出高度的相似性，使其成為理想的月塵替代品。BHLD20不屬于特定類(lèi)型的模擬月塵，而是一種“原型”模擬月塵。首先，通過(guò)引入斜長(zhǎng)石礦物原料，改善了模擬月塵整體及其玻璃相化學(xué)成分的準(zhǔn)確性，同時(shí)為研制各型模擬月塵創(chuàng)造了條件；第二，通過(guò)控制高溫馬弗爐的加熱條件，可以制備出玻璃相含量（成熟度）不同的模擬月塵；第三，通過(guò)限制納米砂磨機(jī)的研磨條件，能夠制備粗細(xì)不同、具有特定粒度分布的模擬月塵。第四，模擬月塵的團(tuán)聚與分散現(xiàn)象得到了關(guān)注，質(zhì)疑了阿波羅月塵樣品的粒度分布，為正確獲得模擬月塵粒度分布提供了方法。BHLD20的出現(xiàn)，為多樣化制備模擬月塵提供了可能，盡管其必要性仍有待論證。大氣環(huán)境下制備模擬月塵會(huì)使塵埃顆粒失去化學(xué)活性，可能不利于進(jìn)行月塵毒性和光學(xué)特性的模擬研究。盡管如此，BHLD20還是可以作為通用型號(hào)模擬月塵參與常規(guī)試驗(yàn)研究，例如飄浮、附著、磨損、燒結(jié)、資源提取、防除塵技術(shù)開(kāi)發(fā)等，這些研究往往與模擬月塵特性聯(lián)系緊密。

隨著我國(guó)探月工程三期的開(kāi)展，月壤樣品即將返回，有關(guān)月塵的研究將引起更多的重視。特別是基于月塵特性的月塵危害，數(shù)次阿波羅任務(wù)已經(jīng)給出充分的詮釋。地面研究月塵問(wèn)題時(shí)，往往需要消耗大量月球樣品。而使用模擬月塵是正確選擇，可以彌補(bǔ)真實(shí)月球樣品量的嚴(yán)重不足。目前對(duì)于月塵、月壤的模擬，大多基于阿波羅等國(guó)外早期探月實(shí)踐留下的成果，具有局限性。嫦娥五號(hào)月壤樣品的返回，將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月塵，有助于模擬月塵的研制和使用。在此過(guò)程中，建議設(shè)立模擬月塵質(zhì)量評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，加快開(kāi)展模擬月塵應(yīng)用技術(shù)研究，拓展模擬月塵試驗(yàn)領(lǐng)域，將模擬月塵與探月實(shí)際廣泛地連接起來(lái)，更好地服務(wù)我國(guó)探月任務(wù)，助推航天事業(yè)又好又快發(fā)展。