CN102435664A - 一种月表尘埃累积质量的在轨测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种月表尘埃累积质量的在轨测量装置和方法，属测试领域。所述测量装置包括模拟太阳光源、全反射镜面、太阳能电池片、样品台、负载电阻、电压表、样品台角度刻度盘和支持结构。所述测量方法包括地面模拟月球尘埃累积质量试验和实际监测试验，根据电流数据获取时的太阳光入射角度θ，将实际监测到的月球表面太阳能电池输出电流随时间变化与地面模拟月球尘埃累积质量试验得到的曲线进行对比，得到实际月球尘埃累积质量随时间变化的曲线。
Description
技术领域
本发明涉及一种月表尘埃累积质量的在轨测量装置和方法，属于测试领域。
背景技术
月球表面覆盖有长期环境作用形成很厚的月壤，其中1mm以下的月壤颗粒占总质量的95％以上，60μm以下的颗粒质量份额约为50％，10μm以下的颗粒(可吸入颗粒)约为10％。主要成分SiO2占44.72％，Al2O3占14.86％。由于月球的低重力(是地球的六分之一)和近乎真空的条件，这些细小微粒很容易因自然或人为活动扰动而悬浮在空中，这些悬浮的粒子就是月球尘埃。月球表面尘埃的形成包括自然诱导因素，如流星体撞击引起的喷射、静电悬浮、人类活动以及火箭的发射、着陆等。由于月球尘埃带静电和粘性的特点，易粘附于器件表面产生月球尘埃污染影响月球探测仪器的使用功能，产生的负面效应包括阻塞仓舱外活动部件的闭锁装置和仪器盖、隔离器件表面的热传递、粘附于功能表面引起光学性能、太阳吸收率和红外发射率的降低，以及影响光电阵列太阳能电池片和散热器表面的工作情况等。
对月面环境下月球尘埃进行在轨监测，特别是监测对月表环境产生扰动、扬起月球尘埃的作业过程中月球尘埃累积质量的变化，能够对进一步的月面探测、载人登月、月球基地的建立提供月球表面尘埃环境的数据积累，并为航天器、航天员宇航服的防尘、降尘、除尘设计提供参考。
发明内容
本发明目的是通过在轨测量太阳能电池片输出电流的变化，与地面模拟试验数据进行比对，得到月表环境下月球尘埃累积质量变化随时间变化的关系曲线，解决月表环境下月球尘埃累积质量变化的监测问题，为月球探测提供参考。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种月表尘埃累积质量的测量装置，所述装置包括模拟太阳光源、全反射镜面、太阳能电池片、样品台、负载电阻、电压表、样品台角度刻度盘和支持结构。
其中样品台为横U形支架，有上下两个侧壁，太阳能电池片放置在上侧壁的上表面，所述上侧壁可在垂直方向转动，转动角度为0～90°；用于测量样品台转动角度θ的样品台角度刻度盘固定在样品台上侧壁的下表面，从样平台角度刻度盘读出样品台与水平面夹角θ，样品台角度刻度盘的最小刻度为2.5°。
支持结构支撑全反射镜面，全反射镜面位于太阳能电池片正上方，与水平面的夹角为45°，模拟太阳光源水平射出的光到达全反射镜面后又反射到太阳能电池片上；负载电阻和电压表分别与太阳能电池片并联。
一种月表尘埃累积质量的在轨测量方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一、地面模拟月球尘埃累积质量试验，具体步骤如下：
①将1片标准三结砷化镓太阳能电池片平放在样品台上，打开模拟太阳光源预热1小时后，调整模拟太阳光源、全反射镜面、太阳能电池片之间的位置，直至在太阳能电池片上得到光强为1个太阳常数，即光强为135.3mW/cm2的入射光；
②将标准三结砷化镓太阳能电池片更换为待测定的太阳能电池片，所述待测定的太阳能电池片与标准三结砷化镓太阳能电池片的尺寸规格相同；
③取大于或等于15片的玻璃盖片分别称重，在每片玻璃盖片上撒上不同质量的模拟月球尘埃后再分别称重，针对每片玻璃盖片用撒有模拟月球尘埃的质量减去玻璃盖片的净质量，得到每片玻璃盖片上撒上模拟月球尘埃质量m；
其中，所述玻璃盖片与太阳能电池片的尺寸相同；所述模拟月球尘埃为火山灰；
④取单片覆盖有模拟月球尘埃的玻璃盖片盖于待测定的太阳能电池表面，调节样品台上侧壁与水平面之间的角度θ；记录电压表读数，根据负载电阻计算太阳能电池片输出电流I；
⑤通过改变样品台与水平面的角度θ和更换覆盖有模拟月球尘埃的玻璃盖片，重复步骤④，得到不同太阳光入射角度θ下模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流的对应关系；
步骤二、进行实际在轨监测时，每隔设定时间记录一次太阳能电池片在月球表面的输出电流数据，作为月球表面月球尘埃监测的直接数据；
步骤三、根据电流数据获取时的太阳光入射角度θ，将实际监测到的月球表面太阳能电池输出电流随时间变化的数据与步骤⑤得到的对应关系进行对比，得到实际月球尘埃累积质量随时间变化的曲线。
其中，步骤一中第⑤步得到不同太阳光入射角度θ下模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流的对应关系后，根据公式I∝exp(-α·m)计算月球尘埃累积造成的光透过率下降的系数α。
有益效果
本发明采用太阳电池对月球表面尘埃进行在轨监测，其原理简单、成本低、微型化、功耗低。可进行在轨监测，特别是对能够扬起月尘的作业过程进行监测，得到的数据可为进一步进行月球探测提供参考。
附图说明
图1为本发明所述的月表尘埃累积质量的在轨测量方法中地面模拟月球尘埃累积质量试验设备图；
其中，1-全反射镜面、2-模拟太阳光源、3-太阳能电池片、4-负载电阻、5-电压表、6-样品台、7-样品台角度刻度盘；
图2为实施例得到的模拟太阳光入射角度为5°时，模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流关系曲线m-I。
具体实施方式
下面通过具体实施例来详细描述本发明：
如图1所示的一种月表尘埃累积质量的测量装置，所述装置包括模拟太阳光源2、全反射镜面1、太阳能电池片3、样品台6、负载电阻4、电压表5、样品台角度刻度盘7和支持结构。
其中样品台6为横U形支架，有上下两个侧壁，所述上侧壁可在垂直方向转动，转动角度为0～90°；用于测量样品台转动角度θ的样品台角度刻度盘7固定在样品台6上侧壁的下表面，从样平台角度刻度盘7读出样品台6与水平面夹角θ，样品台角度刻度盘7的最小刻度为2.5°。
支持结构支撑全反射镜面1，全反射镜面1位于太阳能电池片3正上方，与水平面的夹角为45°，模拟太阳光源2水平射出的光到达全反射镜面1后又反射到太阳能电池片3上；负载电阻4和电压表5分别与太阳能电池片3并联。
一种月表尘埃累积质量的在轨测量方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一、地面模拟月球尘埃累积质量试验，具体步骤如下：
①将1片标准三结砷化镓太阳能电池片平放在样品台上，打开模拟太阳光源2预热1小时后，调整模拟太阳光源2、全反射镜面1、太阳能电池片3之间的位置，直至在太阳能电池片3上得到光强为1个太阳常数，即光强为135.3mW/cm2的入射光，从而实现了对样平台处模拟太阳光强度的标定；
②在保持模拟太阳光源2、全反射镜面1、太阳能电池片3三者位置不变的情况下，将标准三结砷化镓太阳能电池片更换为待测定的太阳能电池片3，所述待测定的太阳能电池片3与标准三结砷化镓太阳能电池片的尺寸规格相同；
③取大于或等于15片的玻璃盖片分别称重，在每片玻璃盖片上撒上不同质量的模拟月球尘埃后再分别称重，针对每片玻璃盖片用撒有模拟月球尘埃的质量减去玻璃盖片的净质量，得到每片玻璃盖片上撒上模拟月球尘埃质量m；
其中，所述玻璃盖片与太阳能电池片3的尺寸相同；所述模拟月球尘埃为与真实月球尘埃具有近似的松弛状态密度1.3g/cm3的火山灰；
④取单片覆盖有模拟月球尘埃的玻璃盖片盖于待测定的太阳能电池3表面，调节样品台6上侧壁与水平面之间的角度θ；记录电压表5读数，根据负载电阻4计算太阳能电池片输出电流I；
⑤改变样品台6与水平面的角度，重复步骤④，分别单片测试太阳能电池在模拟太阳光入射角度为5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的输出电流，得到尘埃质量m一定时，改变角度θ得到的模拟太阳光入射角度与太阳能电池输出电流关系曲线θ-I；
⑥更换覆盖有模拟月球尘埃的玻璃盖片，重复步骤④、⑤，得到不同角度θ下得到的多条模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流关系曲线m-I，以及不同尘埃质量m下得到的多条模拟太阳光入射角度与太阳能电池输出电流关系曲线θ-I；根据公式I∝exp(-α·m)可计算月球尘埃累积造成的光透过率下降的系数α，其中步骤⑤、⑥的先后顺序可以互换；
步骤二、进行实际监测时，每隔24小时记录一次太阳能电池片在月球表面的输出电流，作为月球表面月球尘埃监测的直接数据；其中在不同时间下太阳光的入射角度为已知值，即为上文中的θ；
步骤三、在太阳光的入射角度θ已知的条件下，针对各个不同时刻t实际监测到的月球表面太阳能电池输出电流I1，获取采集该电流I1时的太阳光实际入射角度θ1，根据θ1下得到的模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流关系曲线m-I进行对比，得到此时太阳能电池片上的尘埃质量；根据不同时间下太阳能电池片上的尘埃质量，得到实际月球尘埃累积质量随时间变化的曲线。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种月表尘埃累积质量的测量装置，其特征在于：所述装置包括模拟太阳光源(2)、全反射镜面(1)、太阳能电池片(3)、样品台(6)、负载电阻(4)、电压表(5)、样品台角度刻度盘(7)和支持结构；
其中样品台(6)为横U形支架，有上下两个侧壁，太阳能电池片(3)放置在上侧壁的上表面，所述上侧壁可在垂直方向转动，转动角度为0～90°；用于测量样品台转动角度θ的样品台角度刻度盘(7)固定在样品台(6)上侧壁的下表面，从样平台角度刻度盘(7)读出样品台(6)与水平面夹角θ，样品台角度刻度盘(7)的最小刻度为2.5°；
支持结构支撑全反射镜面(1)，全反射镜面(1)位于太阳能电池片(3)正上方，与水平面的夹角为45°，模拟太阳光源(2)水平射出的光到达全反射镜面(1)后又反射到太阳能电池片(3)上；负载电阻(4)和电压表(5)分别与太阳能电池片(3)并联。
2.一种月表尘埃累积质量的在轨测量方法，其特征在于：该方法采用如权利要求1所述装置，所述方法具体步骤如下：
步骤一、地面模拟月球尘埃累积质量试验，具体步骤如下：
①将1片标准三结砷化镓太阳能电池片平放在样品台上，打开模拟太阳光源(2)预热1小时后，调整模拟太阳光源(2)、全反射镜面(1)、太阳能电池片(3)之间的位置，直至在太阳能电池片(3)上得到光强为1个太阳常数的入射光；
②将标准三结砷化镓太阳能电池片更换为待测定的太阳能电池片(3)，所述待测定的太阳能电池片(3)与标准三结砷化镓太阳能电池片的尺寸规格相同；
③取大于或等于15片的玻璃盖片分别称重，在每片玻璃盖片上撒上不同质量的模拟月球尘埃后再分别称重，针对每片玻璃盖片用撒有模拟月球尘埃的质量减去玻璃盖片的净质量，得到每片玻璃盖片上撒上模拟月球尘埃质量m；
其中，所述玻璃盖片与太阳能电池片(3)的尺寸相同；所述模拟月球尘埃采用火山灰；
④取单片覆盖有模拟月球尘埃的玻璃盖片盖于待测定的太阳能电池(3)表面，调节样品台(6)的上侧壁与水平面之间的角度θ；记录电压表(5)读数，根据负载电阻(4)计算太阳能电池片输出电流I；
⑤通过改变样品台(6)与水平面的角度θ和更换覆盖有模拟月球尘埃的玻璃盖片，重复步骤④，得到不同太阳光入射角度θ下模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流的对应关系；
步骤二、进行实际在轨监测时，每隔设定时间记录一次太阳能电池片在月球表面的输出电流数据，作为月球表面月球尘埃监测的直接数据；
步骤三、根据电流数据获取时的太阳光入射角度θ，将实际监测到的月球表面太阳能电池输出电流随时间变化的数据与步骤⑤得到的对应关系进行对比，得到实际月球尘埃累积质量随时间变化的曲线。
3.根据权利要求2所述的一种月表尘埃累积质量的在轨测量方法，其特征在于：步骤一中第⑤步得到不同太阳光入射角度θ下模拟月球尘埃累积质量与太阳能电池输出电流的对应关系后，根据公式I∝exp(-α·m)计算月球尘埃累积造成的光透过率下降的系数α。
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