CN113933611A - 一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置及方法 - Google Patents

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CN113933611A CN202111201119.1A CN202111201119A CN113933611A CN 113933611 A CN113933611 A CN 113933611A CN 202111201119 A CN202111201119 A CN 202111201119A CN 113933611 A CN113933611 A CN 113933611A
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王鹢
张海燕
李存惠
孔风连
庄建宏
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赵呈选
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Abstract

本申请涉及月尘带电特性测量技术领域，具体而言，涉及一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置及方法，该装置包括月尘起电带电单元、环境温度控制单元、真空环境模拟单元以及带电月尘测试单元，真空环境模拟单元分别与月尘起电带电单元、环境温度控制单元以及带电月尘测试单元连接。本申请实现了带电月尘荷质比在地面的测试，能够对月尘荷质比‑栅网偏压特性进行地面实验标定，使其在轨测量数据更加安全可靠，此外，不仅可以用于标定在轨月尘带电特性测量仪，还可以研究月尘带电的运动特性。

Description

一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置及方法
技术领域
本申请涉及月尘带电特性测量技术领域，具体而言，涉及一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置及方法。
背景技术
月尘是探月任务执行过程中的第一大环境，根据Apollo任务执行过程中的问题，登上过月球的宇航员均认为月尘是探月任务中遇到的最大阻碍，严重影响了他们的月面行走和任务执行。月尘在太阳辐射环境中，会极易带电，带电后的月尘具有极强的粘附力，吸附在宇航服上，对宇航员生命安全构成威胁；粘附在月球探测仪器上，损坏机械部件性能，降低光学仪器精度；粘附在热控器件表面，影响热控器件散热效率降低甚至失效。
在1969～1972年间完成的6次Apollo载人探月任务中(Apollo 11、12、14、15、16和17)，月尘对航天器主要部件系统造成了性能损伤，主要受影响的部件系统为宇航服、气闸舱、月球车、登月舱内部、暴露的硬件以及漫游车。
对于月尘带电特性的研究已持续很长时间，但对于月尘带电特性的测量较少，在嫦娥五号探测任务中，月尘带电特性测量仪作为月尘带电特性测量载荷，通过阻滞式分析仪来测量月尘在轨的带电特性。为了使得月尘带电特性测量仪在轨测试结果良好，需要对月尘荷质比-栅网偏压特性进行地面实验标定，使其在轨测量数据安全可靠。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置及方法，通过地面标定数据可以对在轨测量数据进行反演，从而获得可靠的月尘荷质比特性，为月尘粘附效应提供参考数据，减轻月尘对探月任务带来的危害。
为了实现上述目的，本申请提供了一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置，包括月尘起电带电单元、环境温度控制单元、真空环境模拟单元以及带电月尘测试单元，真空环境模拟单元分别与月尘起电带电单元、环境温度控制单元以及带电月尘测试单元连接。
进一步的，真空环境模拟单元的真空室的大小为Φ400mm×600mm，有效测量空间为Φ200mm×200mm，真空度为5×10-4Pa。
进一步的，真空环境模拟单元还包括栅网。
进一步的，月尘起电带电单元包括月尘沉积容器、绝缘搅拌棒以及烘烤箱。
进一步的，环境温度控制单元的温控精度为0.5℃，控制真空室内的温度范围为20℃-150℃。
进一步的，带电月尘测试单元包括法拉第筒、三同轴低噪声电缆以及6517A/B高阻计。
进一步的，带电月尘测试单元能够对带电月尘进行质量测量、电荷量测量以及栅网偏压测量。
此外，本申请还提供了一种应用带电月尘荷质比的地面实验标定装置的方法，包括如下步骤：步骤1：模拟月尘粒径筛选；步骤2：通过月尘起电带电单元使月尘烘烤搅拌带电；步骤3：通过带电月尘测试单元对带电月尘进行带电特性测试以及质量测量；步骤4：通过带电月尘测试单元对带电月尘进行荷质比测量；步骤5：通过带电月尘测试单元测量计算带电月尘栅网偏压与荷质比的关系，对栅网偏压与带电月尘荷质比进行标定。
本发明提供的一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置及方法，具有以下有益效果：
本申请实现了带电月尘荷质比在地面的测试，能够对月尘荷质比-栅网偏压特性进行地面实验标定，使其在轨测量数据更加安全可靠，此外，不仅可以用于标定在轨月尘带电特性测量仪，还可以研究月尘带电的运动特性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1所示，本申请提供了一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置，包括月尘起电带电单元、环境温度控制单元、真空环境模拟单元以及带电月尘测试单元，真空环境模拟单元分别与月尘起电带电单元、环境温度控制单元以及带电月尘测试单元连接。
具体的，本申请实施例提供的带电月尘荷质比的地面实验标定装置主要用于在地面测量带电月尘的荷质比，以及对月尘荷质比-栅网偏压特性进行地面实验标定，实现其在轨测量数据进行反演，从而获得可靠的月尘荷质比特性，为月尘粘附效应提供参考数据，减轻月尘对探月任务带来的危害。月尘起电带电单元主要用于使月尘进行带电，环境温度控制单元主要用于控制真空环境模拟单元的温度，真空环境模拟单元的温度主要用于模拟月尘下落的环境状态，为月尘下落提供真空的环境，带电月尘测试单元主要用于测量带电月尘的质量、电荷量以及栅网偏压等地面实验数据，可以实现10fC～2.1μC的月尘带电量的测量。
进一步的，真空环境模拟单元的真空室的大小为Φ400mm×600mm，有效测量空间为Φ200mm×200mm，真空度为5×10-4Pa。真空环境模拟单元主要用于模拟月球的环境，真空室的各项参数根据实际情况进行选择。
进一步的，真空环境模拟单元还包括栅网。栅网上主要用于施加偏置电压，从而测量不同电压下带电月尘穿过栅网的质量，得到偏压与荷质比的关系。
进一步的，月尘起电带电单元包括月尘沉积容器、绝缘搅拌棒以及烘烤箱。通过将月尘放置在烘烤箱中，使用搅拌棒搅拌并同时加热月尘，使得月尘在摩擦和加热的过程中带电。
进一步的，环境温度控制单元的温控精度为0.5℃，控制真空室内的温度范围为20℃-150℃。具体的温度根据实际实验情况进行选择。
进一步的，带电月尘测试单元包括法拉第筒、三同轴低噪声电缆以及6517A/B高阻计。带电月尘测试单元与真空室连接，用于测量从真空室中下落的带电月尘的各项参数。
进一步的，带电月尘测试单元能够对带电月尘进行质量测量、电荷量测量以及栅网偏压测量。带电月尘测试单元主要测量从真空室中下落的带电月尘的各项参数，其中通过质量检测装置能够测出带电月尘的质量，质量检测装置的最大量程优选为2g，精度优选为0.1μg，通过法拉第筒能够测出带电月尘的电荷量，从而计算得出带电月尘的荷质比以及栅网偏压与荷质比之间的关系。
此外，本申请还提供了一种应用带电月尘荷质比的地面实验标定装置的方法，包括如下步骤：步骤1：模拟月尘粒径筛选；步骤2：通过月尘起电带电单元使月尘烘烤搅拌带电；步骤3：通过带电月尘测试单元对带电月尘进行带电特性测试以及质量测量；步骤4：通过带电月尘测试单元对带电月尘进行荷质比测量；步骤5：通过带电月尘测试单元测量计算带电月尘栅网偏压与荷质比的关系，对栅网偏压与带电月尘荷质比进行标定。
具体的，本申请实施例还提供了一种应用带电月尘荷质比的地面实验标定装置的方法，能够得到带电月尘荷质比的测量结果，具体测量结果如表1-表3所示，其中，在步骤1模拟月尘粒径筛选中，首先对模拟月尘的样品进行研磨、烘烤等处理得到颗粒度较细的样品，然后用不同孔径的标准筛对模拟样品进行筛选，在本申请实施例中优选直径20-65μm，间隔5μm的标准筛对模拟月尘样品进行筛选，从而得到颗粒度在不同范围内(比如20到25μm)的模拟月尘；在步骤2中，通过高温烘烤和静电摩擦法相结合的方式可以有效使模拟尘埃带上电荷，首先把筛选后的月尘在烘箱内进行高温烘烤处理，温度优选为100～130℃之间，烘烤过的月尘倒入不锈钢小球(直径为3mm)的容器杯内，充分混合月尘与不锈钢小球，用搅拌棒在顺时针方向进行100次快速搅拌，再沿顺时针进行100次快速搅拌，让月尘在混合的过程中带上电荷，然后把月尘与不锈钢球的混合物用孔径大于2mm的金属网把月尘过滤出，用金属薄片收集，该薄片中心有多个直径为1mm的小孔；在步骤3通过带电月尘测试单元对带电月尘进行带电特性测试以及质量测量中，将装有带电月尘的装置放置在真空室内的顶部，用机械振动的方法使月尘下落进入到带电月尘测试单元的装置内，打开法拉第筒和质量检测装置，给栅网加1.5V～1000V电压，使得一定荷质比的月尘可以通过栅网，最终落入法拉第筒和质量检测装置中；在步骤4通过带电月尘测试单元对带电月尘进行荷质比测量中，使带电月尘均匀落在相同性能的多个法拉第筒内，其中1个用于测量法拉第筒内月尘的累积电荷量及其质量，周围几个用于确定法拉第筒内累积的月尘质量的均匀度，这样就可以得到带电月尘平均的荷质比；在步骤5通过带电月尘测试单元测量计算带电月尘偏压与荷质比的关系，对栅网偏压与带电月尘荷质比进行标定中，具体过程如下：S1、通过摸索试验得到均匀性一致的荷电尘埃云，比如控制摩擦次数，月尘下落时间间隔，下落带电月尘密度等，S2、用荷质比测量装置测量荷电尘埃的荷质比，根据探头测量原理公式
Figure BDA0003304406760000051
预估出栅网需要施加的偏压值范围，S3、在模拟带电尘埃云下方放置月尘带电测量装置，待抽真空后，开始测量，在模拟带电尘埃停止下落时，同时记录此时测量位置处及参考处法拉第筒内带电月尘累积电荷量及质量变化，S4、根据S3可以得到荷质比大于
Figure BDA0003304406760000061
的带电月尘是否被栅网偏压抑制，S5、更换模拟月尘，清洗法拉第筒，重新试验，重复S1～S4，S6、待得到试验曲线后，用月尘带电测量探头进行功能性验证，通过上述步骤给栅网加不同的偏置电压，测量不同电压下带电月尘穿过栅网的质量，得到偏压与荷质比的关系，最终将地面实验中的偏压和荷质比关系曲线进行外延就可以得到在轨实际偏压与荷质比的关系，用于测量在轨不同时刻月尘的荷质比特性。
颗粒度/μm Δm/mg m<sub>1</sub>/mg m<sub>2</sub>/mg Q/nC Q/m(C/kg)
15～20 1.9892 545.8265 547.8157 0.19315 9.710E-05
30～35 1.7037 545.7743 547.4780 0.11175 6.559E-05
40～45 2.8757 545.7864 548.6621 0.15342 5.335E-05
45～50 2.7857 545.7613 548.5470 0.09122 3.275E-05
表1 15～50μm不同颗粒度范围的带电月尘荷质比测量结果
m/mg m<sub>1</sub>/mg m<sub>2</sub>/mg Q/nC Q/m(C/kg)
0.2374 2.7120 2.9494 0.13230 7.492E-04
0.3740 3.6800 4.0540 0.22400 5.573E-04
0.6158 3.7150 4.3308 0.32078 5.989E-04
0.6467 3.8021 4.4488 0.35981 5.209E-04
0.6629 3.8070 4.4699 0.34318 5.564E-04
0.1631 3.6049 3.7680 0.11505 5.177E-04
0.5770 2.9848 3.5618 0.48550 7.054E-04
表2平均5μm模拟月尘荷质比测量结果
Figure BDA0003304406760000071
表3由试验数据得到的颗粒平均荷质比
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，包括月尘起电带电单元、环境温度控制单元、真空环境模拟单元以及带电月尘测试单元，所述真空环境模拟单元分别与所述月尘起电带电单元、所述环境温度控制单元以及所述带电月尘测试单元连接。
2.如权利要求1所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，所述真空环境模拟单元的真空室的大小为φ400mm×600mm，有效测量空间为Φ200mm×200mm，真空度为5×10-4Pa。
3.如权利要求2所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，所述真空环境模拟单元还包括栅网。
4.如权利要求1所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，所述月尘起电带电单元包括月尘沉积容器、绝缘搅拌棒以及烘烤箱。
5.如权利要求2所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，所述环境温度控制单元的温控精度为0.5℃，控制真空室内的温度范围为20℃-150℃。
6.如权利要求3所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，所述带电月尘测试单元包括法拉第筒、三同轴低噪声电缆以及6517A/B高阻计。
7.如权利要求6所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置，其特征在于，所述带电月尘测试单元能够对带电月尘进行质量测量、电荷量测量以及栅网偏压测量。
8.一种应用权利要求1-7任一项所述的带电月尘荷质比的地面实验标定装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：模拟月尘粒径筛选；
步骤2：通过月尘起电带电单元使月尘烘烤搅拌带电；
步骤3：通过带电月尘测试单元对带电月尘进行带电特性测试以及质量测量；
步骤4：通过带电月尘测试单元对带电月尘进行荷质比测量；
步骤5：通过带电月尘测试单元测量计算带电月尘栅网偏压与荷质比的关系，对栅网偏压与带电月尘荷质比进行标定。
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