【摘 要】
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探月工程作为技术难度最大的航天工程之一,其月面着陆和勘测等任务易受到月面扬尘现象影响。因此,对月面带电月壤扬尘特性进行探索具有重要的科研和应用价值。本文在对国内外现状调研的基础上,从自然扬尘和人为扬尘两个角度对月面带电月壤的扬尘机理及特性展开研究。本文主要研究内容与结论如下:（1）基于月尘颗粒几何形态对其带电量的影响,改进Stubbs的动态喷泉模型,定义异形月尘颗粒月面静电迁移理论模型。①当月尘颗
【基金项目】
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山东自然科学基金资助项目（ZR202103070225）；
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探月工程作为技术难度最大的航天工程之一,其月面着陆和勘测等任务易受到月面扬尘现象影响。因此,对月面带电月壤扬尘特性进行探索具有重要的科研和应用价值。本文在对国内外现状调研的基础上,从自然扬尘和人为扬尘两个角度对月面带电月壤的扬尘机理及特性展开研究。本文主要研究内容与结论如下:（1）基于月尘颗粒几何形态对其带电量的影响,改进Stubbs的动态喷泉模型,定义异形月尘颗粒月面静电迁移理论模型。①当月尘颗粒为球体、正二十面体、正十二面体、正八面体、正六面体和正四面体时,月尘颗粒带电量修正系数k分别为1.000、1.065、1.098、1.183、1.241和1.490。②对月尘静电悬浮最大高度Zmax进行修正,修正后的Zmax是动态喷泉模型的1.5～2倍,更接近于真实值。③正四面体月尘颗粒在日下点、中间区域和晨昏线附近发生迁移的最大颗粒半径分别是0.832um、0.538um和1.594um,为球状体月尘颗粒的1.435倍。（2）系统分析了着陆器足垫触月扬尘影响因素,采用离散元数值计算方法,探究各因素对月尘扬尘范围及扬尘量的具体影响。①足垫冲击速度与月尘扬尘范围呈正相关;足垫冲击载荷与月尘扬尘量呈正相关;当足垫存在冲击角度时,月尘扬尘总量减小,沿速度分量方向的月尘扬尘范围增大,背离速度分量方向的月尘扬尘范围减小。②触月点处月壤压缩模量与月尘扬尘范围呈负相关;触月点处月壤内摩擦角与月尘扬尘范围和扬尘量呈负相关。③触月点处月壤的相对密度与月尘扬尘范围和月尘扬尘量呈负相关。（3）针对着陆器着陆瞬间月面扬尘问题,建立可还原月面小重力场及电场环境的月面扬尘仿真模型。以嫦娥三号为例,对实际工况进行数值模拟及对照分析。①球形、长条形和棱角形小颗粒月尘（0.05um＜rd＜0.1um）最大扬尘高度分别是35.92m、45.36m和50.21m。该模拟结果与第2章通过月尘带电量修正系数k修正计算结果基本一致,验证了k值选取的合理性。②异形大颗粒月尘（0.5um＜rd＜1um）最大扬尘高度为0.332m。该模拟结果大于任德鹏室内模型试验反演出的结果(Zmax=0.25m),其原因是月面扬尘仿真模型中考虑了颗粒形态对月尘带电量的影响。③着陆器足垫触月后0.9s时,大颗粒月尘扬尘高度最大,此时月尘沿竖向的分布范围是0～0.332m。因此,对于精度较高、敏感度较大且易受到月尘吸附扰动的探测设备,最小离地高度不应低于0.332m。④着陆器足垫触月后0.3s时,大颗粒月尘扬尘量最大,此时月尘沿竖向的分布范围是0～0.221m。因此,对于不易被月尘吸附,或月尘吸附后扰动较小的探测设备,最小离地高度不应低于0.221m。⑤着陆器足垫触月后0～1s为大颗粒月尘扩散阶段,月尘分布浓度高,此时各探测设备可自行采取防尘措施;足垫触月后1～2.5s为大颗粒月尘回落阶段,月尘分布浓度低,在此之后各探测设备可进行正常工作。
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