月球塵埃如何影響航天器？研究人員揭示靜電作用機理。

在阿波羅號宇航員在月球上發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的敵人。他們活動揚起的細小塵埃，在靜電的作用下，會覆蓋所有東西。這些塵埃會滲入密封件，刮傷面罩，即使用力擦拭也無法清除。

尤金·塞爾南將其描述為月球作業(yè)中最令人惱火的問題之一。隨著人類準備攜日益精密的設(shè)備重返月球，解決月塵問題變得至關(guān)重要。

來自北京理工大學、中國空間技術(shù)研究院和中國科學院的研究人員現(xiàn)在開發(fā)了一種詳細的理論模型，可以精確地解釋帶電塵埃粒子在低速碰撞期間如何與航天器表面相互作用。

挑戰(zhàn)始于月球惡劣的環(huán)境。在向陽面，強烈的太陽紫外線和X射線輻射會剝離航天器和月球表面的電子，使它們帶正電。這會在月球表面上方形成一層光電子鞘。而在背陽面，航天器和月壤則會從周圍的等離子體中收集電子，自身帶負電，形成所謂的德拜鞘。太陽風則進一步增加了復(fù)雜性，它不斷地將帶電粒子吹拂到所有物體表面。

在這種電活性環(huán)境中，塵埃顆粒自身會帶電，并在接近航天器時受到三種不同的靜電力作用。電場力作用于顆粒的表面電荷，根據(jù)電荷的異性（吸引）或同性（排斥），將顆粒拉向航天器或?qū)⑵渫齐x航天器。

介電泳力的產(chǎn)生是因為塵埃粒子會扭曲其周圍不均勻的電場，從而產(chǎn)生向電場強度更強區(qū)域的吸引力，而與粒子的電荷無關(guān)。鏡像力則產(chǎn)生于接近的帶電粒子在航天器導(dǎo)電表面上產(chǎn)生相反電荷時，類似于氣球吸附在墻上的原理，從而產(chǎn)生額外的吸引力。

研究人員的模型以精細的數(shù)學方法處理了這些靜電相互作用，但也認識到一旦接觸開始，其他力就會占據(jù)主導(dǎo)地位。當塵埃顆粒撞擊航天器涂層時，表面分子間的粘附范德華力會成為主要作用力，尤其是在月球作業(yè)期間常見的低速撞擊中。

月球風化層特寫

碰撞過程分為三個階段。首先是粘附彈性加載階段，此時顆粒被壓縮并緊貼涂層，表面間的吸引力逐漸增強。如果沖擊能量足夠大，涂層開始變形，材料屈服時能量會耗散。最后，在卸載階段，顆粒要么彈開，要么粘附在涂層上，這取決于碰撞速度是否在臨界范圍內(nèi)。

該模型揭示了幾個實用見解。高厚度、低介電常數(shù)（存儲電荷的能力）的介電涂層可以顯著降低帶電塵埃與航天器之間的靜電吸引力。在決定靜電力強度方面，粒子的表面電荷密度比航天器的電勢更為重要。令人驚訝的是，對于電荷密度低于每平方米0.1毫庫侖的典型粒子，在實際接觸過程中，粘附的范德華力會壓倒靜電效應(yīng)。

這項研究對任務(wù)規(guī)劃人員來說或許最有價值，它表明，采用低表面能材料和粗糙紋理制成的涂層可以顯著降低粉塵附著力。較大的顆粒往往具有更高的恢復(fù)系數(shù)，這意味著它們更容易彈開而不是附著。此外，帶負電荷的顆粒存在一個臨界速度范圍，在該范圍內(nèi)會發(fā)生附著；速度過慢或過快的撞擊都會導(dǎo)致顆粒逸出。

這種新模型可以預(yù)測塵埃積聚模式，指導(dǎo)表面涂層的選擇，并有助于優(yōu)化除塵系統(tǒng)。

隨著登月任務(wù)規(guī)模越來越大、持續(xù)時間越來越長，解決月球塵埃這個棘手的問題已從令人煩惱的小事變成了運行中的必要環(huán)節(jié)。