月尘颗粒空间辐射条件下粘附特性研究

The radiation environment on the moon surface is one of the main reasons that the adhesion of lunar dust grains is especially strong. Analyzing the adhesion characters of lunar dust is the key question to research dust levitation on lunar surface, to analyze lunar dust environment effects, and to implement lunar dust protection and clearance. Based on the current balance equation, the charging model of lunar dust grain is established firstly, then considering lunar dust charging and complex contacting scenes conditions, the adhesion models of grain to grain and grain to material are established. Using the adhesion models, the changing law of adhesion force is analyzed with the changing of environment conditions and material characters. The adhesion model will be verified by testing of single simulant lunar dust grain. At last, in the view of time-domain evolutionary grain adhesion force , the levitation of lunar dusts at terminators during sunset and sunrise is researched, giving the adhesion-detachment conditions and movement laws of lunar dust grains.

月表辐射环境是月尘颗粒具有较强粘附性的主要原因之一，分析月尘粘附特性是研究月表扬尘现象、分析月尘环境效应及实施防护清除的关键。本项目首先基于电流平衡方程建立月尘颗粒带电模型，在考虑颗粒带电和复杂接触场景的条件下建立颗粒-颗粒及颗粒-材料间粘附力模型，利用该粘附模型分析粘附力随环境条件和材料特性的变化规律，针对单个模拟月尘颗粒进行粘附模型的测试验证，最后从颗粒粘附力时域演化的视角研究月面晨昏交界处的自然扬尘现象，给出月尘颗粒的粘附-分离条件及运动规律。

研究月尘黏附特性是分析月面自然扬尘现象的基础；是确定航天器与月尘颗粒复杂效应的重点；也是进行月尘防护的关键；对于解决我国后续登月过程中面对的月尘问题，具有重要意义。课题从月尘颗粒带电模型、月尘颗粒黏附力模型及月尘颗粒黏附规律三个方面，对月尘颗粒的黏附特性展开研究。其中月尘带电是分析颗粒黏附的必要条件；颗粒黏附力模型是分析黏附规律的关键；在颗粒黏附规律中则针对环境、接触条件及颗粒特性等方面展开讨论，颗粒黏附规律内容中还包含了对于晨昏交界区域黏附-分离特性的讨论。本课题研究发现：1）月表充电电压随等离子体环境和月球地方时变化而周期性变化；2）由外部因素引起的接触状态变化可能是月表扬尘的必要条件之一；3）与宏观等离子体鞘层电场相比，扬起颗粒对月表充电电压更敏感，可以用月表电压表征扬尘条件；4）加速分离过程可能导致颗粒获得很高的初始速度，因此颗粒很难在力平衡高度悬浮；5）扬尘轨迹受扬起顺序和初始位置的影响，扬尘轨迹的边界与阿波罗17号任务中宇航员绘制的草图相似。本课题将扬尘现象视为一个具有黏附约束的静电发射过程，提出了一种适用于加速分离过程和弹道抛射过程的新的力学模型，利用该模型计算了黏附特性及扬尘特性。计算结果发现亚微米和微米颗粒的最大扬尘高度从几公里到300公里以上不等，较好地解释了黏附约束条件下月球轨道静电扬尘机制，相应的分析结果对于研究月表地平线辉光及条带扬尘具有重要意义；所建立的月尘黏附分离模型，采用了离散化颗粒矢量积分的求解方法，为地外天体颗粒物力学行为表征提供了一种新的研究方法和思路。