CN113945496B - 一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及空间环境测试技术领域，具体而言，涉及一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，该装置包括测试舱体、转轴以及多个测试单元，转轴设置在测试舱体的下方，多个测试单元设置在测试舱体的内部，转动转轴，测试舱体会同时进行旋转。本申请实现了测试的微型化和轻量化，测试过程中，不会改变自然状态下表面的粘附力，可以获得星体表面尘埃颗粒在不同材料表面的最小滑落角，以及在不同角度下发生滑落星体表面尘埃颗粒的占比，计算出尘埃颗粒的平均黏附力，还可以同时获得测量着陆过程、推进剂钝化以及排气等过程中激起的月尘沉积质量。

Description

一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的 方法

技术领域

本申请涉及空间环境测试技术领域，具体而言，涉及一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法。

背景技术

在现阶段，星体表面尘埃主要指月尘和火星尘埃，在未来探测中，火星尘埃和月尘都会对人类的探测活动造成威胁。以月尘为例，月尘是月壤中的细小颗粒，它很容易因探测器着陆、起飞、月面活动等人为扰动浮扬，同时细小的月尘颗粒有较高的比表面积和绝缘性，在月球的高温、强辐射环境和各种接触、摩擦等作用下，带上电荷，在静电力作用下自然悬浮。这些浮动的月尘在月球重力作用下沉积在探测器敏感表面，造成太阳能电池片、热控多层等探测器设备性能下降和机械机构卡死等危害。未来无人科研站建设和运营需要多次着陆和起飞，以及大量的行走、驾驶、挖掘、建筑等月面活动，势必激起月表大量的颗粒，对探测器敏感表面造成重大威胁。

因此，月尘防护问题是未来无人科研站和月球基地建设必须解决的关键问题，需要开发适用于月表环境的一系列针对不同敏感表面的月球表土颗粒防护和清除方法。地面试验由于模拟月尘、重力、极高真空以及颗粒荷电特性等因素限制，难以准确模拟和测试月表颗粒的黏附特性，而颗粒的黏附特性是开发有效、低耗、安全的月尘防护清除方法的必要输入，因此对月球表面颗粒的黏附特性进行在轨测量和验证是十分必要的。

传统的测量颗粒粘附力的方法，通常有原子力显微镜分离、微机械分离、离心分离、静电场分离等测量技术，这些技术虽然可以获得更高精度的月尘粘附特性信息，但由于需要庞杂的测量系统和高精密的测量仪器，由于重量、功耗、操作复杂等原因，难以实现在轨测量。在实际开展月球基地的建设中，需要对大量的材料进行月尘的粘附性测试和筛选，这对尘埃粘附特性的测量效率提出了更高的要求。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，高效率，低成本的对月尘的粘附特性进行测量，获得月球表土颗粒在不同材料表面的最小滑落角，以及在不同角度下发生滑落月尘表土颗粒的占比，并推算月尘颗粒的平均黏附力。

为了实现上述目的，本申请提供了一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置包括测试舱体、转轴以及多个测试单元，转轴设置在测试舱体的下方，多个测试单元设置在测试舱体的内部，转动转轴，测试舱体会同时进行旋转；

每个测试单元包括积尘舱、光源、感光元件、待测表面以及挡光板，其中：积尘舱设置在测试舱体的内部；挡光板设置在积尘舱的顶部，待测表面设置在积尘舱的底部；光源以及感光元件分别设置在积尘舱的两侧，并且沿积尘舱的轴线镜面对称；

积尘舱的下方设置有接地桩，待测表面对地悬浮；

光源为半导体激光器或发光二极管，感光元件为光电二极管或光电池；

应用该装置的方法包括如下步骤：步骤1：将测试舱体放置在着陆器的侧面，着陆器在星体着陆后，立即打开每个测试单元的挡光板；步骤2：着陆器在星体进行作业任务，作业任务完成后，关闭挡光板；步骤3：开启光源和感光元件进行测试，测量出尘埃累积质量；步骤4：转动转轴，转动至一定角度，再次测量出尘埃累积质量；步骤5：继续转动转轴，转动至最大角度，测量出尘埃的质量；步骤6：将待测表面接地，再次测量尘埃的质量；步骤7：测试结束，通过公式计算得出星体表面尘埃对敏感表面粘附特性值的范围；

光测量尘埃质量的关系方程如下，

I_p＝I₀exp(-a·M)+b

其中a，b通过地面模拟实验进行标定获得，通过上述公式可以得到尘埃的初始质量；

月尘颗粒主要受重力G；粘附力η(范德瓦尔斯力F_V+静电力F_E)；静摩擦力F_r和支撑力F_b的作用，重力G可分解为法向力G'和切向力G"；

当G">Fr时，颗粒将向下滑动；当G"产生的力矩大于G'+η的力矩时，颗粒将向下滚动，然后每次转动角度为10°，测量每个角度下的残存质量，残存质量与初始质量的质量差记为m：

对于滚动，当转动角度为当倾角为θ时，若有质量为m的月尘刚好滑落，即：

对于滑动，颗粒的与表面的静摩擦系数为μs，则有：

其中：α是接触面对质心张角的半角；

最后，所测月尘颗粒的平均粘附力为

进一步的，步骤1中测试舱体的安装高度≤2m。

进一步的，步骤4中每次转动转轴的角度≤15°，转角稳定度≤0.1°，转角控制精度≤0.1°。

进一步的，步骤5中最大角度≤180°。

本发明提供的一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，具有以下有益效果：

本申请的测试舱体可以同时对多组材料进行粘附特性的测试，并且测试舱体温度总质量不会超过600g，实现了测试的微型化和轻量化，测试过程中，不会改变自然状态下表面的粘附力，可以获得星体表面尘埃颗粒在不同材料表面的最小滑落角，以及在不同角度下发生滑落星体表面尘埃颗粒的占比，计算出尘埃颗粒的平均黏附力，还可以同时获得测量着陆过程、推进剂钝化以及排气等过程中激起的月尘沉积质量。

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测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的示意图；

图2是根据本申请实施例提供的尘埃在倾斜表面的受力示意图；

图中：1-挡光板、2-光源、3-感光元件、4-待测表面、5-接地桩、6-转轴。

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，本申请提供了一种测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置，包括测试舱体、转轴6以及多个测试单元，转轴6设置在测试舱体的下方，多个测试单元设置在测试舱体的内部，转动转轴6，测试舱体会同时进行旋转。

具体的，本申请提供的测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置主要用于测试星体表面尘埃(月尘或火星尘埃)对不同材料表面的粘附特性，通过星体表面尘埃在不同材料表面的最小滑落角，以及在不同角度下发生滑落的占比，可以计算得出星体表面尘埃在不同材料表面的平均黏附力。测试舱体主要设置在着陆器的侧面，用于跟随着陆器停留在星体表面，从而收集星体表面的尘埃，多个测试单元设置在测试舱体的内部，主要用于放置多组不同的材料，使尘埃能够落在多组不同材料的表面上，转轴6主要使测试舱体进行旋转，从而使测试单元内部收集的尘埃沿不同材料的表面进行滑落，后续通过计算，可以得出尘埃在不同材料表面的平均粘附力，从而判断星体表面尘埃的粘附特性。

进一步的，每个测试单元包括积尘舱、光源2、感光元件3、待测表面4以及挡光板1，其中：积尘舱设置在测试舱体的内部；挡光板1设置在积尘舱的顶部，待测表面4设置在积尘舱的底部；光源2以及感光元件3分别设置在积尘舱的两侧，并且沿积尘舱的轴线镜面对称。

具体的，积尘舱主要用于收集星体表面的尘埃，将不同的材料放置到积尘舱的底部，形成待测表面4，挡光板1主要用于将尘埃进行收集，并使其落到待测表面4上，光源2和感光元件3的设置主要用于通过光学测量的方式测量出尘埃的质量，从而得出后续的尘埃平均粘附力。

进一步的，积尘舱的下方设置有接地桩5，待测表面4对地悬浮。初始状态下待测表面4与地不接触，待测表面4上的尘埃对地悬浮。后续测量过程中将待测表面4与接地桩5接触，主要为了释放带电尘埃的电荷，测量带电量对粘附力的影响。

进一步的，光源2为半导体激光器或发光二极管，感光元件3为光电二极管或光电池。

此外，本申请还提供了一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，包括如下步骤：步骤1：将测试舱体放置在着陆器的侧面，其中待测表面4的面积≤1cm²，表面的平整度优于10μm，着陆器在星体着陆后，立即打开每个测试单元的挡光板1；步骤2：着陆器在星体进行作业任务，作业任务主要指着陆器周围20米范围内的，对尘埃产生扰动的活动，比如推进器钝化、巡视器释放、采样等作业活动，作业任务完成后，关闭挡光板1；步骤3：开启光源2和感光元件3进行测试，测量出尘埃累积质量；步骤4：转动转轴6，转动至一定角度，再次测量出尘埃累积质量；步骤5：继续转动转轴6，转动至最大角度，测量出尘埃的质量；步骤6：将待测表面4接地，再次测量尘埃的质量，接地能够释放带电尘埃的电荷，该步骤中主要为了验证带电量对粘附力的影响程度；步骤7：测试结束，通过公式计算得出星体表面尘埃对敏感表面粘附特性值的范围。

进一步的，步骤1中测试舱体的安装高度≤2m。

进一步的，步骤4中每次转动转轴6的角度≤15°，转角稳定度≤0.1°，转角控制精度≤0.1°。

进一步的，步骤5中最大角度≤180°。

下面结合测试月尘颗粒的粘附特性的具体实施例，对本申请提供的应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法进行说明：

首先，光源2选用TO-46型镓砷红外LED L2388-01，波长范围920nm-970nm，峰值波长为945nm，辐射通量为6mW，感光元件3选用硅光电二极管S2386-45K，峰值响应波长为960nm，感光面积为3.9mmx4.6mm，金属封装，无制冷，灵敏度0.6A/W，最大暗电流为30pA，光测量尘埃质量的关系方程如下，

I_p＝I₀exp(-a·M)+b

其中a，b通过地面模拟实验进行标定获得，通过上述公式可以得到尘埃的初始质量；

如图2所示，月尘颗粒主要受重力G；粘附力η(范德瓦尔斯力F_V+静电力F_E)；静摩擦力F_r和支撑力F_b的作用。重力G可分解为法向力G'和切向力G"。当G">Fr时，颗粒将向下滑动。以O点为支点，当G"产生的力矩大于G'+η的力矩时，颗粒将绕O点向下滚动，然后每次转动角度为10°，测量每个角度下的残存质量，残存质量与初始质量的质量差记为m：

对于滚动，当转动角度为当倾角为θ时，若有质量为m的月尘刚好滑落，即：

对于滑动，颗粒的与表面的静摩擦系数为μs，则有：

其中：α是接触面对质心张角的半角，这是和颗粒形状及表面形貌有关的参数，其统计值可以通过地面试验获得，同样颗粒的静摩擦系数μ_s也可以通过地面试验得出；

最后，所测月尘颗粒的平均粘附力为

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 (4)

1.一种应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，其特征在于，所述测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置包括测试舱体、转轴以及多个测试单元，所述转轴设置在所述测试舱体的下方，多个所述测试单元设置在所述测试舱体的内部，转动所述转轴，所述测试舱体会同时进行旋转；

每个所述测试单元包括积尘舱、光源、感光元件、待测表面以及挡光板，其中：

所述积尘舱设置在所述测试舱体的内部；

所述挡光板设置在所述积尘舱的顶部，所述待测表面设置在积尘舱的底部；

所述光源以及所述感光元件分别设置在所述积尘舱的两侧，并且沿所述积尘舱的轴线镜面对称；

所述积尘舱的下方设置有接地桩，所述待测表面对地悬浮；

所述光源为半导体激光器或发光二极管，所述感光元件为光电二极管或光电池；

应用该装置的方法包括如下步骤：

步骤1：将测试舱体放置在着陆器的侧面，着陆器在星体着陆后，立即打开每个测试单元的挡光板；

步骤2：着陆器在星体进行作业任务，作业任务完成后，关闭挡光板；

步骤3：开启光源和感光元件进行测试，测量出尘埃累积质量；

步骤4：转动转轴，转动至一定角度，再次测量出尘埃累积质量；

步骤5：继续转动转轴，转动至最大角度，测量出尘埃的质量；

步骤6：将待测表面接地，再次测量尘埃的质量；

步骤7：测试结束，通过公式计算得出星体表面尘埃对敏感表面粘附特性值的范围；

光测量尘埃质量的关系方程如下，

I_p＝I₀ exp(-a·M)+b

其中a，b通过地面模拟实验进行标定获得，通过上述公式可以得到尘埃的初始质量；

月尘颗粒主要受重力G；粘附力η(范德瓦尔斯力F_V+静电力F_E)；静摩擦力F_r和支撑力F_b的作用，重力G可分解为法向力G'和切向力G"；

当G">Fr时，颗粒将向下滑动；当G"产生的力矩大于G'+η的力矩时，颗粒将向下滚动，然后每次转动角度为10°，测量每个角度下的残存质量，残存质量与初始质量的质量差记为m：

对于滚动，当转动角度为当倾角为θ时，若有质量为m的月尘刚好滑落，即：

对于滑动，颗粒的与表面的静摩擦系数为μs，则有：

其中：α是接触面对质心张角的半角；

最后，所测月尘颗粒的平均粘附力为

2.如权利要求1所述的应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，其特征在于，所述步骤1中测试舱体的安装高度≤2m。

3.如权利要求1所述的应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，其特征在于，所述步骤4中每次转动转轴的角度≤15°，转角稳定度≤0.1°，转角控制精度≤0.1°。

4.如权利要求1所述的应用测试星体表面尘埃对敏感表面粘附特性的装置的方法，其特征在于，所述步骤5中最大角度≤180°。

Images