月面探测器表面粘附月尘的光电主动清除技术的研究

The degradation of performance and life time of lunar exploration instruments caused by surface adhesion of lunar dust is one of the most important topics faced by lunar landing. The lunar removal methods proposed now are difficult to be performed or hard to guarantee the dust removal efficiency in the lunar surface environment. This project will propose an initiative lunar dust cleaning research based on the photovoltaic effect of PLZT, which is activated by the ultraviolet light extracted from sun light at the lunar surface. The technique of ultraviolet light extraction from sun light and the photovoltaic effect mechanism of PLZT in the lunar surface environment will be studied to guarantee the reliability of PLZT and to improve the practicability of this novel lunar dust removal technique; Mathematical basis for the optimization of dust removal efficiency will be established by the establishment of dynamic model of lunar dust particles, revealing the mechanism of lunar dust electrostatic adsorption and the characteristic of contact mechanics between lunar dust and the sruface of dust removal electrodes and lunar exploration instruments; The motion mechanism and active control system of dust removal electrodes will be designed and developed. The feasibility of this novel technique will be verified by active photovoltaic dust removal experiments in the simulated lunar surface environment. Results of this project will provide a novel technique for lunar dust removal and provide technical support for its engineering application.

由于月面探测器表面吸附月尘而导致其性能下降和寿命衰减等问题是登月工程面临的重大课题之一。目前提出的众多除尘方案普遍存在月面环境下实施困难或除尘效率难以保证等问题。本项目拟研发以太阳光中分离出的紫外光为触发，利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅（PLZT）的反常光生伏打效应主动清除黏附月尘的新技术。项目拟通过开展月面紫外光源获取技术研究及月面环境下PLZT光电特性研究，保障PLZT的月面工作可靠性，提高PLZT除尘技术的实用性；建立月尘颗粒动力学模型，揭示月尘静电吸附机理，分析月尘颗粒与探测器及除尘电极表面间的接触力学特性，从理论上验证PLZT主动除尘技术的可行性，并构建优化除尘效率的数学基础；通过研制除尘电极运动机构及其主动控制系统，模拟月面真空和高低温环境，进行光电主动除尘试验，验证技术可行性。项目的研究成果将为登月工程中解决月尘污染问题提供一个全新的思路，并为这项新技术的工程应用提供技术支持。

月尘粒径细小、不规则、易带电等特性使其具有超强的黏附性，因此有效自动清除月面探测器表面吸附月尘成为探月工程亟待解决的关键问题之一。项目针对目前除尘方案普遍存在的月面环境下实施困难或除尘效率难以保证等问题提出利用铁电陶瓷镧改性锆钛酸铅（PLZT）在紫外光照射下的反常光生伏打效应，在除尘电极与被除尘表面间形成强静电场，极化月尘粒子并使其在电场力的作用下克服重力及黏附力的作用而被除尘电极吸附并脱离探测器表面。项目针对对这一新技术的关键问题展开理论及实验研究。首先，建立了PLZT在光—热—力—电多能场耦合作用下形成的除尘电场强度的数学模型，从月尘粒子本身的电学及力学特性出发，建立月尘粒子在光电场作用下的静电吸附力数学模型，揭示了光照强度、除尘电极面积、月尘粒子粒径、除尘距离及PLZT驱动方式对除尘电场力的影响规律；其次，实验分析了月面高低温环境对PLZT光电压输出特性及其物理性能的影响。通过模拟真空环境下月尘清除实验验证了此月尘清除技术在真空环境下的可行性；再次，提出柔性除尘电极、梳齿电极、共面双极型电极、针状电极等多种电极构型，拓展该技术对除尘表面的材质及形状的适用范围，并通过对各除尘电极构型下除尘电场的仿真分析及实验测试优化电极参数从而提高除尘效率；第四，项目对月面日光提取紫外驱动光源技术展开研究，设计反射式聚光器的几何参数，对其照度和接收角进行了仿真及实验分析。搭建光源自动跟踪系统并通过缩微实验验证其可行性。解决该技术中的激励光源问题；最后，针对不同的除尘电极构型进行除尘电极多自由度运动机构设计，搭建信号采集及运动机构控制系统。通过模拟太阳能电池板表面主动除尘系统试验探索了光照强度、PLZT联合驱动数目以及机构运行速度对除尘机构动态除尘效果的影响规律，同时通过实验分析了不同除尘电极构型可清除的月尘粒径范围，验证了所提出的月尘光电主动清除技术的可行性。