王 豪，孫承月，琚丹丹，趙 瑜，吳宜勇

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間環(huán)境與物質(zhì)科學(xué)研究院，哈爾濱150001）

0 引言

在外層空間廣泛分布著從幾千個(gè)原子組成的分子團(tuán)簇至顆粒尺寸0.1 mm 的顆粒物，被稱為空間粉塵[1]。按照空間粉塵的來源可以分為星系際粉塵、星際粉塵、行星際粉塵以及環(huán)行星粉塵[2]4種類型。太陽系內(nèi)的空間粉塵來源包括彗星粉塵[3]、小行星粉塵[4]、來自于柯伊伯帶的粉塵以及太陽系的行星際粉塵。按照估計(jì)，每年有40 000 t 空間粉塵到達(dá)地球表面[5]?？臻g粉塵主要組成材料包含SiC、石墨、Al2O3、多環(huán)芳香烴、冰以及多種礦物材料（例如硅酸鹽、橄欖石、尖晶石），其成分組成取決于粉塵的來源和觀測區(qū)域[6-9]。

空間粉塵環(huán)境是空間環(huán)境的重要組成部分，能夠作為研究微觀世界至宏觀世界起源演化的有效載體，是一門跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，需要以物理、天文、化學(xué)、數(shù)學(xué)分形、礦物學(xué)以及生物學(xué)等學(xué)科作為研究基礎(chǔ)進(jìn)行擴(kuò)展。對于空間粉塵環(huán)境的探測感知是打開研究宇宙起源、恒星/行星動態(tài)演化以及生命起源的重要技術(shù)手段。另一方面，相對于空間碎片及微流星來說，空間粉塵在整個(gè)空間分布上有較高的通量，并且速度也更高，對空間人類活動尤其是深空飛行器具有潛在的威脅[10-12]。空間粉塵超高速撞擊產(chǎn)生的次生效應(yīng)會對在軌及深空飛行器的有效載荷產(chǎn)生影響，威脅空間任務(wù)的有效執(zhí)行。因此，針對環(huán)繞地球的空間粉塵分布和主要深空任務(wù)粉塵環(huán)境的探測，能夠?yàn)樘岣唛L壽命空間環(huán)境監(jiān)測以及深空探測的可靠性提供數(shù)據(jù)積累和設(shè)計(jì)依據(jù)。

早期的塵埃探測是作為普查性探測子任務(wù)開展，例如：1967—1968年發(fā)射的Pioneer 8及Pioneer 9搭載的宇宙塵埃探測器（Cosmic Dust Detector,CDD）；“阿波羅號”登月期間在月球表面設(shè)置的月塵拋射和隕石測試儀器（Lunar Ejecta and Meteorites Experiment,LEAM）；金星探測任務(wù)Vega 1、Vega 2搭載的塵埃探測器及塵埃質(zhì)譜儀；對日觀測的Helios任務(wù)中搭載的微流星分析儀（Micrometeoroid Analyzer）等。自20世紀(jì)90年代初至今，空間塵埃探測儀器經(jīng)歷了較快發(fā)展：從單純記錄撞擊次數(shù)到對粉塵進(jìn)行質(zhì)譜測量再到粉塵捕獲返回，實(shí)現(xiàn)了多模式多方法的組合探測。這為深入了解和洞察空間粉塵分布、星體塵埃環(huán)境形成原因及影響因素，以及太陽系星體形成理論探索提供了有利條件。隨著科學(xué)目標(biāo)牽引的重點(diǎn)天體探測在國際合作的基礎(chǔ)上逐漸成為深空探測的主流，一大批以空間粉塵為重點(diǎn)探測目標(biāo)的空間探測器投入運(yùn)行并獲得了可觀的探測結(jié)果。受Giotto[13]、Ulysses[14]、Galileo[15]和Stardust[16]項(xiàng)目的激發(fā)，尤其是最近結(jié)束探測壽命的Cassini探測器[17-19]，越來越多的空間粉塵探測國際合作也在醞釀和開展中。

本文總結(jié)了目前開展的主要空間粉塵環(huán)境探測項(xiàng)目及探測器技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，并以撞擊效應(yīng)探測為切入點(diǎn)分析了以光學(xué)、應(yīng)力及聲波、電學(xué)測量、原位捕獲與返回檢測等技術(shù)手段為主的空間粉塵探測技術(shù)，旨在從單一探測技術(shù)手段局限性出發(fā)討論復(fù)合型探測器開發(fā)設(shè)計(jì)的運(yùn)用前景，并指出擴(kuò)展探測器實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展要求和方向。

1 目前已開展的空間粉塵環(huán)境探測

隨著空間探測能力的提升以及對空間環(huán)境認(rèn)識需求的提高，針對空間粉塵環(huán)境和星體塵埃環(huán)境的探測活動也豐富起來。表1是已搭載開展空間粉塵環(huán)境探測的主要航天器及其探測能力。早期搭載的粉塵探測器如Pioneer 8和Pioneer 9搭載的宇宙塵埃探測器（CDD）均以壓電傳感器為基本探測手段，在空間長期運(yùn)行過程中開展運(yùn)行軌道的粉塵撞擊探測；隨著技術(shù)的提高，粉塵探測逐漸以多種探測手段復(fù)合為基礎(chǔ)進(jìn)行，例如Galileo、Gassini 等。

2 典型深空粉塵環(huán)境探測器

2.1 Galileo上的粉塵探測器

Galileo搭載的粉塵探測器（見圖1）[15]旨在直接觀察行星際空間和木星系統(tǒng)中質(zhì)量介于10-19～10-9kg、速度介于1～70 km/s的行星際和環(huán)行星塵埃，研究其物理和動力學(xué)特性與對日距離、對木星和木星衛(wèi)星距離的關(guān)系，同時(shí)研究粉塵顆粒同“伽利略”探測器及木星磁層的相互作用。Galileo搭載的粉塵探測器能夠單次測量單個(gè)粉塵的質(zhì)量、速度、飛行方向和電荷量，是一種功能復(fù)合型高精度探測器。該探測器質(zhì)量僅為4.2 kg，功率消耗僅5.4 W。在正常航天器追蹤模式下數(shù)據(jù)傳輸速率為24 bit/s。自1989年12月29日儀器開機(jī)至1990年5月18日為止記錄了168次粉塵撞擊，對于其中81次撞擊事件給出了粉塵質(zhì)量和撞擊速度。相比于之前開展的空間粉塵環(huán)境探測，Galileo探測器的粉塵質(zhì)量探測精度提高了100萬倍，為后續(xù)空間粉塵探測打開了高精度的窗口。

表1 開展空間粉塵探測的若干典型航天器及其探測能力Table1 Some typical spacecraft and their capabilities for space dust detection

圖1 Galileo搭載的粉塵探測器[15]Fig.1 Dust detector onboard Galileo

2.2 Cassini上的宇宙塵埃分析儀

Cassini 探測器搭載的宇宙塵埃分析儀（Cosmic Dust Analyzer,CDA）（見圖2）在航天器在軌運(yùn)行階段進(jìn)行塵埃顆粒的原位測量，能夠探測塵埃的帶電電荷、速度、粒徑以及來源方向；并能通過高速運(yùn)動的塵埃撞擊電離后在電場作用下飛行至探測器所用的時(shí)間進(jìn)行塵埃成分分析。Cassini探測器搭載的撞擊電離探測器、化學(xué)分析儀、高頻探測器、時(shí)間飛行質(zhì)譜儀以及PVDF撞擊探測器能夠分析質(zhì)量范圍10-15～10-9g、速度范圍1～100 km/s，帶電量1 fC～1 pC，化學(xué)元素m/δm=20～50 的單個(gè)粒子[16]。雖然Cassini 探測器取得了顯著的科研成果，但是對于空間粉塵探測區(qū)間仍有探測空白區(qū)間，例如：顆粒直徑和分析質(zhì)量未能覆蓋納米級顆粒（擴(kuò)展至10-21g），化學(xué)元素未能分析更高質(zhì)量數(shù)的元素（擴(kuò)展至330 amu，m/δm＞200），地面數(shù)據(jù)標(biāo)定過程欠缺對非金屬和有機(jī)物的系統(tǒng)研究等。這也是目前空間粉塵探測所面臨的普遍問題，如何解決降低有效載荷質(zhì)量和提高探測精度的矛盾是未來開發(fā)高精度探測器亟需解決的問題。

圖2 Cassini 搭載的宇宙塵埃分析儀Fig.2 Cassini equipped Cosmic dust analyzer

2.3 Stardust 上的彗星和星際塵埃分析儀

Stardust 任務(wù)針對81P/Wild 2彗星開展探測觀察并收集塵埃返回[17]。Stardust 搭載的粉塵探測儀器為彗星和星際塵埃分析儀（Cometary and Interstellar Dust Analyzer，CIDA）（見圖3(a)）以及粉塵通量檢 測 儀（Dust Flux Monitor Instrument，DFMI），同時(shí)Stardust 搭載的塵埃收集器（Stardust Sample Collection）（見圖3(b)）還進(jìn)行了塵埃收集返回[16]。CIDA 是一種質(zhì)譜儀，對塵埃顆粒與銀板撞擊產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行高壓分離，通過離子在儀器中的飛行時(shí)間來區(qū)分離子的質(zhì)量從而進(jìn)行質(zhì)譜分析。該類型的探測器同樣在Giotto 針對Halley 彗星、Vega 1和Vega 2的塵埃探測中實(shí)踐過。

圖3 Stardust 搭載的彗星和星際塵埃分析儀CIDA 以及氣凝膠塵埃收集器[16]Fig.3 Stardust equipped interstellar dust analyzer CIDA(a)and aerogel dust collector (b)

在Stardust 的探測防護(hù)罩前方配置的DFMI利用極化塑料傳感器對塵埃撞擊事件進(jìn)行記錄并分析粉塵通量。塵埃收集器則是利用氣凝膠對入射塵埃進(jìn)行收集，并通過返回艙在繞經(jīng)地球軌道后收回。Stardust 的塵埃收集器第一次獲得了深空小行星塵埃的實(shí)體樣本，打開了對小行星起源和組成演化研究的新視野。

2.4 Rosetta 塵埃撞擊分析儀和累積測試儀

歐空局Rosetta 任務(wù)搭載的粉塵撞擊監(jiān)測儀（Dust Impact Monitor,DIM）是利用Rosetta 著陸器在著陸Philae 慧核過程中對粉塵環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的一套系統(tǒng)[18]。DIM包含三面壓電傳感器組件，用于記錄塵埃在3 個(gè)方向上的通量。同時(shí)Rosetta 搭載的塵埃撞擊分析儀和累積測試儀（Grain Impact Analyzer and Dust Accumulator，GIADA）（見圖4）[20]在繞飛67P/CG 過程中對慧發(fā)的分析測量采用了光學(xué)塵埃分析（Grain Detection System，GDS）以及撞擊傳感器（Impact Sensor，IS）測量，同時(shí)利用微天平針對累積塵埃質(zhì)量進(jìn)行了持續(xù)測量。

圖4 Rosetta 任務(wù)搭載的塵埃撞擊分析儀和累積測試儀GIADA[18]Fig.4 The dust impact analyzer and cumulative tester GIADA used in the Rosetta mission

3 空間粉塵探測主要技術(shù)手段

從典型深空粉塵環(huán)境探測可以看到，針對速度高、通量分布不均、成分復(fù)雜的空間粉塵環(huán)境綜合探測需要采取多種探測技術(shù)復(fù)合來實(shí)現(xiàn)。隨著空間粉塵環(huán)境探測對象的增加和探索范圍的擴(kuò)展，粉塵探測技術(shù)的深化不斷驅(qū)動著空間粉塵撞擊效應(yīng)研究的深入和擴(kuò)展。

空間服役的軌道原位粉塵探測器一般利用高速撞擊產(chǎn)生的撞擊效應(yīng)來測量粉塵參數(shù)（質(zhì)量和速度）；同時(shí)結(jié)合地面粉塵模擬裝置對粉塵探測器復(fù)件進(jìn)行可知粉塵參數(shù)檢測標(biāo)定，來實(shí)現(xiàn)對空間粉塵環(huán)境檢測并進(jìn)行探測數(shù)據(jù)的對比復(fù)核。

粉塵探測器在測量高速撞擊效應(yīng)時(shí)主要測量發(fā)光、聲學(xué)信號、撞擊電離過程信號?？臻g粉塵速度一般在10～40 km/s，高速特征對于粉塵的無損檢測構(gòu)成較大技術(shù)挑戰(zhàn)；而利用可返回的探測器部分則可采用低密度氣凝膠對空間粉塵進(jìn)行捕獲，待返回地面后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究。

早期在軌探測器利用壓電探測器和聲學(xué)探測器對粉塵的速度和來源方向進(jìn)行測量[19-22]，但是壓電探測器的探測范圍（1～100μm 量級）有限和聲學(xué)探測器對背景噪聲的分辨率較差。而電學(xué)檢測的探測器能夠?qū)⑻綔y精度提升至nm 顆粒的參數(shù)測量，降低探測器重量，同時(shí)測量多種參數(shù)，更具應(yīng)用潛力。

3.1 光學(xué)探測技術(shù)

光學(xué)測量一方面以光學(xué)成像、光強(qiáng)變化為基礎(chǔ)進(jìn)行粉塵粒徑和通量測量。在對月塵塵埃環(huán)境的模型建立中主要以光學(xué)成像對月表塵埃環(huán)境進(jìn)行了建模；而光強(qiáng)變化則是搭載原位測量的主要技術(shù)手段，例如GIADA 通過收集塵埃經(jīng)過光幕散射的光信號來測量塵埃的速度，通過散射光強(qiáng)的大小來計(jì)算塵埃粒徑等。

另一方面，撞擊過程中粉塵攜帶的動能轉(zhuǎn)化為粉塵的內(nèi)能和靶材的內(nèi)能從而產(chǎn)生大量的熱，粉塵和部分靶材氣化并釋放出撞擊閃光[23-24]。用光電倍增管測量撞擊發(fā)光現(xiàn)象能夠通過公式P=kmαvβ（其中：P為發(fā)光強(qiáng)度；k為材料系數(shù)；α和β分別為質(zhì)量系數(shù)和速度系數(shù)）來分析撞擊粉塵的速度和質(zhì)量。圖5為測量的典型撞擊發(fā)光信號[25]。

圖5 典型撞擊發(fā)光測量信號[25]Fig.5 Typical impact luminescence measurement signal

該類型的撞擊探測器需要在地面進(jìn)行標(biāo)定，確定質(zhì)量系數(shù)和速度系數(shù)以用于在軌的數(shù)據(jù)分析。Eichorn[26]通過加速C、Fe粉塵至0.5～35 km/s撞擊Au、W 和Rh 靶材得到α為1、β為4.1；光譜分析表明撞擊發(fā)射物質(zhì)的溫度在2500～5000 K 之間。通過在地面模擬獲得發(fā)光強(qiáng)度同高速粉塵速度和質(zhì)量的相關(guān)規(guī)律，是利用空間粉塵撞擊發(fā)光進(jìn)行粉塵探測的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 應(yīng)力及聲波探測技術(shù)

撞擊測量以撞擊傳感器為基礎(chǔ)，利用超聲、壓電以及光纖等技術(shù)手段將撞擊過程轉(zhuǎn)化為電信號，并開展塵埃顆粒物理性狀同撞擊信號關(guān)系研究，來反演塵埃的速度、質(zhì)量、粒徑及密度等參數(shù)。撞擊過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波和聲波是壓電類傳感器PVDF和超聲傳感器的探測對象，撞擊過程中靶的振動和位移是光纖傳感器探測對象。該類型的探測技術(shù)能夠原位測量，探測信息與塵埃性狀相關(guān)性高是開展探測工作的主要方式。圖6為Student Dust Counter搭載的PVDF粉塵撞擊探測器及其典型信號[27]。圖7 為光纖測量聲學(xué)振動類型探測器及其典型信號[28]。

圖6 Student Dust Counter 搭載的PVDF粉塵撞擊探測器及其典型信號[27]Fig.6 PVDF dust impact detector on the Student Dust Counter and its typical signal

圖7 光纖測量聲學(xué)振動類型探測器及其典型信號[28]Fig.7 Optical fiber measurement acoustic vibration type detector and its typical signal

3.3 電學(xué)測量探測技術(shù)

電學(xué)測量是針對空間帶電粉塵顆粒的測量方式，主要是利用帶電塵埃顆粒通過多組附帶屏蔽的金屬網(wǎng)，測量由于帶電塵埃引起的感應(yīng)電荷變化，分析塵埃的速度、帶電量并反推塵埃質(zhì)量和密度等信息。這一類的測量方式多復(fù)合其他測量手段來進(jìn)行。另外，超高速粉塵撞擊靶材瞬間溫度可以達(dá)到10 000 K 的高溫[29]，撞擊過程中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化能夠在汽化過程中使粉塵及靶材發(fā)生電離，產(chǎn)生電離離子和等離子體[30-32]。隨著汽化過程結(jié)束，電離離子或者等離子體在壓力作用下自由擴(kuò)展至空間，形成可以探測的信號以用于分析和研究空間粉塵。一般來說汽化的離子和等離子體中的離子能夠在外加電場的作用下在設(shè)計(jì)的電荷收集板上形成電量累積，通過測量飛行時(shí)間能夠?qū)﹄x子的質(zhì)量數(shù)進(jìn)行測量從而獲得粉塵的化學(xué)組成信息，Cassini 探測器上攜帶的飛行時(shí)間質(zhì)譜儀就是此類型的探測器。

另一方面，類似于發(fā)光信號的測量，電離及等離子體電荷測量也可以利用公式Q=kmαvβ表示（其中Q為電荷量）來分析撞擊粉塵的速度和質(zhì)量。Dietzel 等[33]通過C和Fe 粒子撞擊Au 和W 靶材，得到α接近為1，而β在3.5左右。同樣也能夠通過地面模擬獲得電荷量同粉塵速度及質(zhì)量的相關(guān)規(guī)律從而用于在軌原位粉塵探測。

質(zhì)譜測量是利用撞擊過程產(chǎn)生的電離離子在電場作用下到達(dá)探測器時(shí)間差異來分析離子類型，獲知塵埃顆粒的成分。這類基于飛行時(shí)間（Time-Of-Flight,TOF）的測量在多次粉塵探測任務(wù)活動中運(yùn)用并獲得了較好的成果。圖8為飛行時(shí)間質(zhì)譜測量型探測器的原理及典型信號[15]。

圖8 飛行時(shí)間質(zhì)譜測量型探測器的原理[15]Fig.8 Principle of a time-of-flight massspectrometer

除了以上能夠在軌測量或收集返回分析的技術(shù)方法外，利用高速粉塵撞擊過程中產(chǎn)生的次生效應(yīng)，如發(fā)光、等離子體以及射頻微波信號，也能對高速粉塵的速度、質(zhì)量進(jìn)行分析。而這一類的分析方法則需要在地面模擬中建立次生效應(yīng)的強(qiáng)度同粉塵高速撞擊速度以及質(zhì)量的定量關(guān)系，這也是高速粉塵探測器設(shè)計(jì)的依據(jù)和地面模擬標(biāo)定的技術(shù)路徑。在軌運(yùn)行的高速粉塵探測器通常采用高度集成多種探測技術(shù)和多種探測器相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)服役任務(wù)。

3.4 原位捕獲與返回檢測

不同于在軌原位探測空間粉塵環(huán)境，另一種常用的手段是利用輕質(zhì)材料對高速粉塵進(jìn)行在軌捕獲，返回地面回收后再進(jìn)行粉塵的化學(xué)成分分析[34-35]。一般采用搭載暴露的SiO2氣凝膠對不同軌道空間粉塵進(jìn)行捕獲，這樣的過程在彗星拋射物捕獲和太空站長期暴露實(shí)驗(yàn)中都有運(yùn)用。Burchell[34]在地面試驗(yàn)和低地球軌道利用氣凝膠對玻璃、橄欖石和Fe微塵進(jìn)行了捕獲測量，結(jié)果顯示捕獲能力并不是微塵顆粒、速度和化學(xué)成分的簡單函數(shù)，并且在5 km/s速度下捕獲微塵的質(zhì)量僅為原始質(zhì)量的30%～40%，只能算是部分捕獲。當(dāng)入射速度大于7 km/s，粉塵就很少能夠減速停留在氣凝膠，而是在氣凝膠表面碎裂濺射。雖然低密度氣凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)粉塵的捕獲，但是捕獲后粉塵的無損提取和直接分析具有一定的難度。圖9所示為高速粉塵在氣凝膠中的捕獲路徑[34]。

圖9 高速粉塵在氣凝膠中的捕獲路徑[34]Fig.9 Capture path of high-speed dust in aerogel

4 未來空間粉塵探測技術(shù)發(fā)展

基于空間高速粉塵撞擊效應(yīng)來進(jìn)行空間粉塵環(huán)境探測將是粉塵探測器研制的主要技術(shù)支撐。利用高速粉塵在撞擊靶材過程中產(chǎn)生的發(fā)光、電離、撞擊等離子體的探測技術(shù)以及粉塵的在軌捕獲及返回分析是分析粉塵環(huán)境的重要手段。面對深空探測技術(shù)條件的限制，長壽命、低質(zhì)量功耗、具有復(fù)合功能和大跨度測量能力的空間粉塵探測器設(shè)計(jì)是極具研究挑戰(zhàn)的。

一方面，每一種效應(yīng)測量都因?yàn)槠浔澈蟮奈锢頇C(jī)制表現(xiàn)出技術(shù)極限，通過疊加復(fù)合多種探測模式來實(shí)現(xiàn)大跨度并合理配置則需要在地面模擬測試中積累大量數(shù)據(jù)并且摸清效應(yīng)耦合規(guī)律；另一方面，除了發(fā)光和電荷測量技術(shù)以外，撞擊過程中產(chǎn)生的其他次生效應(yīng)也可以作為空間粉塵環(huán)境探測的技術(shù)手段。例如近期發(fā)現(xiàn)高速粉塵撞擊過程中產(chǎn)生的射頻微波信號可以用來分析高速粉塵特征參數(shù)。高速粉塵撞擊產(chǎn)生的電離離子和等離子體在擴(kuò)展過程中由于電子和離子運(yùn)動速度的差異形成了變化的電場從而產(chǎn)生電磁波信號[35-37]，使空間粉塵探測器能夠以測量射頻微波的方式對高速粉塵參數(shù)進(jìn)行測量。地面模擬高速粉塵撞擊探測到的射頻微波信號反映了撞擊過程中電離離子和等離子體運(yùn)動過程，從而可揭示撞擊粉塵的物理特征。

航天器在空間環(huán)境中由于帶電粒子作用會在表面充電而形成電場，撞擊激發(fā)的電離離子和等離子體離子在電場作用下易于形成離子放電通道而產(chǎn)生誘導(dǎo)放電行為[35,38]；會造成電介質(zhì)的擊穿，產(chǎn)生持續(xù)的電弧放電，還會影響太陽能電池片之間的電路，造成短路或電池襯底擊穿，降低有效電流[39]。在電場作用下，撞擊產(chǎn)生的離子會在材料表面沉積，借助原子氧和紫外作用形成附著的污染層，影響航天器光學(xué)部件和熱控涂層性能。利用電池電性能退化和光學(xué)熱控性能下降同撞擊通量的直接關(guān)系也可以開發(fā)表征高速粉塵環(huán)境的具體技術(shù)。

5 結(jié)束語

國際上已經(jīng)開展了大量的在軌空間粉塵環(huán)境探測，然而國內(nèi)因?yàn)楹教燧d荷發(fā)展較晚、起點(diǎn)較低，同國外仍有一定差距。在高速粉塵撞擊效應(yīng)研究方面，雖已經(jīng)取得了較多進(jìn)展，但目前聚焦的大量撞擊效應(yīng)實(shí)驗(yàn)均是基于金屬粉塵開展的，對于無機(jī)物、有機(jī)物及礦物類粉塵的撞擊效應(yīng)研究不夠系統(tǒng)和全面；另外，對粉塵撞擊產(chǎn)生的次生效應(yīng)（污染、放電）研究缺乏深度，對高度集成化空間粉塵探測器的潛在威脅（污染導(dǎo)致的探測功能材料敏感性下降，放電導(dǎo)致的探測器高壓擊穿等）認(rèn)識還不夠深入；加之基于靜電粉塵加速設(shè)備的限制，大量超高速撞擊試驗(yàn)是在二級輕氣炮上開展的，因此粉塵顆粒尺寸較大，對于微納尺寸顆粒的撞擊效應(yīng)測量分析需要加強(qiáng)。這些地面模擬環(huán)境和在軌測量任務(wù)的缺乏是國內(nèi)在未來空間粉塵探測領(lǐng)域需要加強(qiáng)追趕的具體內(nèi)容。

在哈爾濱工業(yè)大學(xué)承擔(dān)建設(shè)的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“空間環(huán)境地面模擬設(shè)施”中，建立了具體針對空間高速粉塵環(huán)境的地面模擬裝置。以空間高速粉塵環(huán)境超高速粉塵特點(diǎn)建設(shè)的3.5 MV 靜電粉塵加速器具備能夠?qū)?0 nm～10 μm 粉塵顆粒加速至最高100 km/s 的能力，同時(shí)搭建的高速粉塵篩選系統(tǒng)能夠針對粉塵的質(zhì)量、電荷量以及速度參數(shù)進(jìn)行窗口篩選，在高速粉塵撞擊效應(yīng)測量方面配置的高精度撞擊電荷測量和發(fā)光測量系統(tǒng)能夠滿足時(shí)間μs量級撞擊事件的實(shí)時(shí)全過程信號采集。為了配合空間粉塵探測器的地面標(biāo)定，高速粉塵地面模擬裝置同時(shí)配置了三自由度樣品臺，可以全面開展高速粉塵撞擊效應(yīng)和探測器地面標(biāo)定工作。該高速粉塵地面模擬系統(tǒng)計(jì)劃2021年底投入試運(yùn)行。