基于矿物颗粒功函数和带电量测量的月球光照区简单陨坑内尘埃静电迁移的数值模拟研究

The dust charging and electrostatic transport have a great influence on lunar surface extravehicular activity, especially for astronauts of future surface exploration. In this study, we will firstly measure the work function of oliven, pyroxene, plagioclase and ilmenite. Based on the simulation experiment of dust charging and transport, we will calculate the charges of different mineral grains and simulated lunar dust. Secondly, we will develop a three-dimensional crater model to characterize the simple crater on the Moon. Then, we will study the effects of latitude, local time and albedo on crater illumination condition and electric field. Finally, we will trace the dust transport and crater dust environment based on our experimental measurements and the dust dynamic model.

月尘的带电迁移是未来月面探测和月面作业的重要威胁，甚至关系到航天员的生命健康。本项目首先将测量组成月尘的四种主要矿物橄榄石、辉石、斜长石和钛铁矿的功函数，开展不同矿物颗粒和模拟月尘的带电迁移模拟实验，深入认识尘埃静电属性和迁移特征；其次，通过建立月表简单陨坑的三维模型，探讨纬度、地方时、反照率对陨坑的光照环境和电场环境的影响；最后，根据尘埃的静电属性测量和带电迁移模拟实验结果，结合尘埃运动模型探讨陨坑内尘埃运动规律和尘埃环境特征。

月尘静电迁移对月表物质演化和月面探测活动均具有重要意义。特别是我国探月四期已经启动，即将开展月球极区探测，建立月球基地科研站基本型，亟需认识尘埃静电迁移规律。针对月球光照区撞击坑地形附近的尘埃环境特征，本项目开展了不同矿物的功函数测量和静电迁移过程实验模拟，探讨不同矿物的差异迁移特征及其影响因素。实验结果表明，绝缘体矿物橄榄石、斜长石、辉石的功函数分别为7.90±0.35、5.58±0.38和5.14±0.36eV，而钛铁矿的功函数为4.29±0.11eV。在350eV、500μA的电子束辐照下，橄榄石迁移率最高，最高可达35颗/s。尽管迁移率存在差异，但是，发生迁移的尘埃颗粒的粒径和速度分别集中在0-10μm范围和0-3m/s范围，且迁移速度受粒径约束。其次，结合月表地形，以织女撞击坑、Aristarchus地区、Shackleton撞击坑等为例，探讨了季节、日月距离、地形、纬度、地方时等因素对其太阳辐照强度、表面电势、电场强度等分布的影响。特别是在月球极区或晨昏线附近，由于地形影响，在地形遮挡侧往往形成电子云区，大量的带电尘埃可能会发生迁移。通过本项目的研究，对于月球及无大气天体表面尘埃的静电迁移有了更深入的认识，对未来的无大气天体表面探测和尘埃防护具有指示意义。