孫 浩，沈志剛，張曉靜，麻樹林

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院粉體技術(shù)研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

月塵特性與模擬月塵研制現(xiàn)狀

孫 浩，沈志剛，張曉靜，麻樹林

（北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院粉體技術(shù)研究開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

月塵問題是人類探測月球過程中需要克服的關(guān)鍵問題之一，研究月塵特性和研制模擬月塵是了解月球環(huán)境、解決月塵問題的有效途徑。受月球空間環(huán)境影響，月塵具有許多獨(dú)特的性質(zhì)。為此，總結(jié)和闡述了月塵的幾何特性、化學(xué)特性、物理特性和力學(xué)特性。根據(jù)月塵的基本性質(zhì)，各種類型的模擬月塵被研制出來，其中重點(diǎn)介紹了NASA研制的JSC月海系列和NULHT高地系列模擬月塵的制備方法和性質(zhì)。高質(zhì)量的模擬月塵可以應(yīng)用于表面活化、荷電特性、漂浮特性、附著特性、防除塵技術(shù)、資源提取等多個(gè)研究領(lǐng)域，為進(jìn)一步探索月球提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備。

月塵特性；模擬月塵；月球環(huán)境；研制

1 引言

在人類探月史上，月塵問題屢屢困擾航天任務(wù)的正常實(shí)施。據(jù)阿波羅任務(wù)報(bào)告記載［1-6］，隕石撞擊、登月艙著陸、月球車行走、宇航員活動(dòng)等都會(huì)引起月塵不同程度的“飛揚(yáng)”，這些漂浮的月塵很容易粘附在航天服和各種設(shè)備表面，影響生命保障系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、光學(xué)儀表、機(jī)械構(gòu)件等的正常運(yùn)作。曾踏上月球表面的阿波羅航天員在回憶他們所見到的月塵時(shí)，無不感慨月塵給登月任務(wù)實(shí)施帶來的不便［7］。阿波羅16號(hào)航天員約翰·揚(yáng)曾表示：“月塵是重返月球的頭號(hào)問題”［8］。阿波羅17號(hào)航天員哈里森·施密特也曾提出“月塵是月面活動(dòng)第一環(huán)境麻煩制造者”的論斷［9］。

NASA在分析阿波羅登月計(jì)劃所獲得的成果、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)過程中指出，月塵對(duì)月面探測活動(dòng)的干擾是人類重返月球必須解決的重點(diǎn)問題之一［10］。為了加強(qiáng)對(duì)月塵的認(rèn)識(shí)，NASA先后發(fā)射數(shù)顆專門用來觀測和研究月球塵埃環(huán)境的衛(wèi)星探測器，以獲取大量月塵特性數(shù)據(jù)［11-14］。另一方面，科研人員利用阿波羅月塵樣品研究月塵的性質(zhì)也取得了豐碩的成果。特別是在月壤表征聯(lián)合會(huì)（LSCC）等NASA附屬機(jī)構(gòu)幾十年的共同努力下，月塵特性、模擬月塵制備、防除塵技術(shù)、原位資源利用（ISRU）等課題得以快速發(fā)展［15-17］。

月塵的特殊性質(zhì)表現(xiàn)在多個(gè)方面，本文將其劃分為幾何特性、化學(xué)特性、物理特性以及力學(xué)特性四部分內(nèi)容進(jìn)行介紹。研究和了解月塵特性的一個(gè)重要目的是為了研制出貼近真實(shí)月塵的工程用模擬月塵，最終有效地防范其可能帶來的危害，并用于指導(dǎo)月球資源的提取、月球基地的建設(shè)等。目前研制較為成功的模擬月塵包括NASA的JSC 和NU-LHT系列以及國產(chǎn)的CLDS-1。在分析國內(nèi)外模擬月塵研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文最后展望了模擬月塵研制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，希望能為我國模擬月塵的研制提供有價(jià)值的建議。

2 月塵特性

2.1 幾何特性

幾何特性是月塵最基本的屬性之一，包含粒度分布和顆粒形貌二方面內(nèi)容。月塵的幾何特性影響月塵的化學(xué)活性、荷電特性、漂浮特性、附著特性等，因此認(rèn)識(shí)月塵的幾何特性十分重要。

2.1.1 粒度分布

根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)的不同，月塵按粒度分為1 mm和20 μm兩種［18-20］。

通過對(duì)美國阿波羅登月計(jì)劃采集到的月壤樣品進(jìn)行篩分可初步得到粒徑小于1 mm的月塵，其粒度均值在70 μm左右［21］，如圖1（a）所示。對(duì)1 mm月塵樣品進(jìn)行濕法篩分，可以進(jìn)一步得到粒徑小于20 μm的月塵，其中有約90%的顆粒小于2 μm，中值粒徑在0.1～0.4 μm之間，如圖1（b）所示。從圖中可以看出無論1 mm月塵還是20 μm月塵，不同登月點(diǎn)的月塵粒度分布略有差異，一般表現(xiàn)為月海月塵顆粒較細(xì)而高地月塵顆粒略粗。

圖1 阿波羅計(jì)劃取回的月球樣品在篩分至月塵級(jí)別后的粒度分布圖［22-23］Fig.1 The PSD of Lunar dust sieved from Apollo lunar samples［22-23］

2.1.2 顆粒形貌

大多數(shù)月塵顆粒表面粗糙、呈不規(guī)則形狀，少數(shù)極細(xì)月塵顆粒近似橢球形甚至球形。月塵顆粒的表面因具有大量的氣泡、隆起和褶皺等結(jié)構(gòu)，因而比表面積較大，如圖2。利用掃描電子顯微鏡（SEM），可以定量給出包含顆粒細(xì)長比、外形復(fù)雜度以及氣泡含量在內(nèi)的多種顆粒二維形貌特征［20，24］。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，隨著月塵粒徑的減小，顆粒細(xì)長比逐漸增大，外形復(fù)雜度不斷下降，但表面粗糙度呈現(xiàn)增加趨勢［22，25-27］。

圖2 不同形貌的20 μm月塵顆粒SEM暗場像［20］Fig.2 Various surface and shape features of 20 μm lunar dust particles via SEM［20］

2.2 化學(xué)特性

在月球表面，1 mm月塵的化學(xué)性質(zhì)與月壤相近，而20 μm月塵在礦物組成、化學(xué)成分、表面化學(xué)活性方面與月壤迥異［28-29］。與幾何特性一樣，月塵的化學(xué)特性同時(shí)也是影響月塵其他特性的重要因素。

2.2.1 礦物組成

月塵是細(xì)粒月壤，因而月塵主要由非晶質(zhì)玻璃、斜長石、輝石、橄欖石、鈦鐵礦、鎂鐵礦、尖晶石等組成，這些組分通過相互結(jié)合，形成不同類型的月塵顆粒［30］。其中膠結(jié)質(zhì)顆粒比較特殊，它是由20%～90%的玻璃與其他巖石碎片、礦物碎屑膠結(jié)而成的一種聚集體顆粒，約占月塵總體的30% ～70%［31-32］，見圖3（a）。月球物質(zhì)的組成成分與粒度大小有關(guān)，平均來講20 μm月塵相比1 mm月塵含有更豐富的斜長石、膠結(jié)質(zhì)和純玻璃成分［33］。而在不同登月地點(diǎn)，同等粒度下月塵的組成成分也不盡相同，高地月塵含有更多的斜長石、膠結(jié)質(zhì)和玻璃，而月海月塵則富集著輝石和橄欖石等深色礦物［34］。

2.2.2 化學(xué)成分

月塵中蘊(yùn)含有地球所有已發(fā)現(xiàn)的天然元素，其中KREEP成分（稀土元素REE與鉀K、磷P元素合稱）含量較普通月壤高［16，29，35-37］。Na和K在月塵中的儲(chǔ)量遠(yuǎn)小于地球塵，且月球上的Fe元素都是以單質(zhì)Fe0或Fe2+氧化物的形式存在。納米尺度的Fe0可以影響月塵化學(xué)活性、光學(xué)特性、磁學(xué)特性以及荷電特性等［38-40］，見圖3（b）。

月塵化學(xué)成分同樣具有多樣性：1 mm月塵與20 μm月塵不同，月海月塵有別于高地月塵。相同采樣點(diǎn)，顆粒粒度愈大，F(xiàn)eO、MgO含量愈高，而相應(yīng)CaO、Al2O3含量較低。同等粒度下，月海月塵FeO、MgO和Sc元素含量較多，而高地月塵含CaO、Al2O3、Na2O更多，如圖4所示。

圖3 月塵膠結(jié)質(zhì)顆粒Fig.3 Lunar agglutinate particle

圖4 月塵化學(xué)成分的影響因素Fig.4 Factors influencing the lunar dust chemistry

2.2.3 表面化學(xué)活性

月塵有一股“火藥味”，這種現(xiàn)象與月塵具有強(qiáng)烈的表面活性有關(guān)，而這種活性可能會(huì)對(duì)人體和材料造成不良影響［42］。生物毒性是月塵幾何特性和化學(xué)活性綜合作用下的人體表象，阿波羅航天員曾因月塵接觸眼睛、喉嚨黏膜和皮膚等導(dǎo)致發(fā)炎和過敏癥狀［28］。與地球塵相似的是，愈細(xì)小的月塵愈容易進(jìn)入人體內(nèi)部，并通過機(jī)械作用造成人體器官的急性或慢性損傷。比地球塵更糟糕的是，由于月球空間中不存在氣體、有機(jī)物的附著，月塵顆粒表面非常“干凈”，這使得顆粒表面的納米鐵顆粒、懸掛分子鍵、缺陷等直接暴露在外，在一定條件下生成可導(dǎo)致人體細(xì)胞氧化損傷的羥基自由基，對(duì)人體造成潛在的危害［28，43-44］。另一方面，形狀不規(guī)則的月塵顆粒比表面積比較大，更會(huì)加劇這種危害性［20，45］。因此，真實(shí)月塵具有很強(qiáng)化學(xué)活性的原因是多方面的。

2.3 物理特性

月塵物理特性包括電、磁、光、熱四方面內(nèi)容，主要由月塵幾何特性和化學(xué)特性所決定。月球的許多天文現(xiàn)象和月塵問題正是基于月塵所具有的獨(dú)特的物理性質(zhì)［46］，研究并掌握它們有助于認(rèn)識(shí)月球環(huán)境和防范月塵干擾。

2.3.1 電學(xué)特性

月塵的導(dǎo)電率和介電損耗很低，很容易攜帶和儲(chǔ)存電荷。阿波羅月面實(shí)驗(yàn)表明月面電阻率高達(dá)109～1014Ω·m，平均介電常數(shù)2.5。而導(dǎo)電率受環(huán)境影響較大，高溫、紫外輻射可引起月塵導(dǎo)電率不同程度的提高［32，47-48］。月塵主要有二種荷電方式。月球向光面受紫外輻照影響較大，光電效應(yīng)致月塵帶正電，并產(chǎn)生圍繞月球向光面的光電子鞘層［49］。月球背光面太陽風(fēng)占主導(dǎo)作用，布朗運(yùn)動(dòng)活躍的電子很快被中性月塵俘獲，月塵由此帶上了負(fù)電，太陽風(fēng)陽離子鞘層隨之產(chǎn)生。進(jìn)一步研究表明，影響月塵電性和電荷量的因素主要有成分、粒度、輻射強(qiáng)度、入射光子或電子能量、光電子產(chǎn)率等，它們共同決定月塵的荷電能力［50］。

2.3.2 磁學(xué)特性

月球不存在像地球磁場一樣的全球性磁場，但這并不意味著月塵不具有磁性。由于含有納米α鐵顆粒，月塵表現(xiàn)出超順磁的性質(zhì)，磁化率很高，因而屬于強(qiáng)磁性物質(zhì)［10］。阿波羅月面實(shí)驗(yàn)曾檢測到粒徑小于10 μm的月塵能夠被磁鐵吸引起來，充分說明磁場的存在可以大大增強(qiáng)月塵的附著能力。地面實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，撤去磁場后的月塵幾乎無剩磁，表明月塵剩余磁化強(qiáng)度及矯頑力都比較低，屬于軟磁性物質(zhì)。月塵的這種性質(zhì)可以被用來輔助開發(fā)防除塵技術(shù)。

2.3.3 光學(xué)特性

月塵的光學(xué)性質(zhì)主要是通過遙感觀測以及樣品分析得到的［15，51］。結(jié)果表明，盡管月塵中的10～20 μm部分在光學(xué)性質(zhì)上與月面物質(zhì)總體最為接近，然而就整體而言，月塵的存在顯著影響月面光譜性質(zhì)，具體表現(xiàn)在三個(gè)方面：第一，月塵會(huì)引起反射光譜向長波方向移動(dòng)，導(dǎo)致某些對(duì)輻照敏感的光學(xué)鏡頭傳回偏紅的圖像［39，51］；第二，月塵會(huì)削弱月面反射光譜強(qiáng)度，造成整體反射率降低；第三，月塵的存在還會(huì)影響到月面反射光譜在某些特征吸收波段的衰減［51-52］。月塵對(duì)月面光譜的這些細(xì)微影響被認(rèn)為與納米鐵顆粒的存在有關(guān)。

2.3.4 熱學(xué)特性

月球表土的熱容量、熱導(dǎo)率都比較低，易于附著在熱控涂層表面的月塵也不例外。阿波羅艙外實(shí)驗(yàn)（EVA）表明，月塵附著并不會(huì)影響輻射面的輻射能力，但會(huì)單方面增加可見光和紫外線的吸收量。月塵就像一層“棉被”一樣，破壞了設(shè)備潔凈時(shí)熱輻射與熱吸收的平衡。月塵溫度快速升高造成熱控面散熱不力，可能影響電源系統(tǒng)和許多實(shí)驗(yàn)裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于熱導(dǎo)率低，月面5 m以下空間的溫差非常小，相較于月面300℃的巨大溫差而言更適宜人類生存［53］。有關(guān)將未來人類月球基地修筑在地下的評(píng)估工作已經(jīng)啟動(dòng)［54］，也許那里才是人類最理想的月球居所。

2.4 力學(xué)特性

月塵的力學(xué)特性也可稱作機(jī)械特性，與月壤不同的是，月塵力學(xué)特性聚焦在漂浮特性和附著特性二個(gè)方面，它們是月塵諸多特性中最綜合也是最貼近實(shí)用的部分。月塵的漂浮與附著常常緊密相連，它們都是月面探測不可避免的自然現(xiàn)象。

2.4.1 飄浮特性

美國調(diào)查者號(hào)探測器曾屢次觀察到飄浮于月面附近的月塵能夠散射太陽光，在特定條件下發(fā)生所謂“月面輝光”現(xiàn)象［55-56］。蘇聯(lián)發(fā)射的月球探測器，也曾發(fā)現(xiàn)漂浮于高空（距月面約100 km處）的少量更加細(xì)小的月球塵埃，能夠引起另一種發(fā)光現(xiàn)象，即“高空光帶”現(xiàn)象。

常見有二種機(jī)制導(dǎo)致月球塵埃漂浮現(xiàn)象，一種是持續(xù)的靜電漂浮，另一種是短暫的受激漂浮。靜電漂浮是指沉積在月面的攜帶大量電荷的月塵在電場力的作用下擺脫引力和內(nèi)聚力的束縛而懸浮起來的現(xiàn)象［57］。此后一些顆粒重新落回月面，而另一些則突破德拜區(qū)間（λD）的約束，上升至高空，做類似于彈道軌跡的運(yùn)動(dòng)［58］，描述這一過程的理論被稱為“噴泉模型”，如圖5所示。Colwell等人通過漂浮實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬證明了“噴泉模型”的合理性［59］。Collier則更為細(xì)致的分析了月塵的局部運(yùn)動(dòng)模式，并提出了詳細(xì)的計(jì)算模型［60］。由于月球晨昏線附近的電勢梯度大，月塵運(yùn)動(dòng)相對(duì)密集劇烈［61］，因此輝光現(xiàn)象一般只發(fā)生在晨昏線附近。此外，噴泉模型同樣也解釋了高空存在零星粒徑在0.1 μm左右的微粒的原因［62］。月塵的另一種漂浮機(jī)制是受激漂浮，即（微）流星體撞擊、人為活動(dòng)等機(jī)械作用觸發(fā)的漂浮現(xiàn)象。與靜電漂浮不同的是，受激漂浮主要是靠月塵顆粒的垂直初速度掙脫月球表面［63］?？梢灶A(yù)見，當(dāng)二種漂浮機(jī)制同時(shí)同地產(chǎn)生且作用疊加時(shí)，理論上可以最大化月塵的漂浮能力，造成局部空間中月塵濃度升高、散布范圍增大的結(jié)果。而這種塵暴環(huán)境可能對(duì)宇航員和儀器設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

圖5 月塵漂浮運(yùn)動(dòng)示意圖［58］Fig.5 Illustration of lunar dust motion［58］

2.4.2 附著特性

月塵附著問題是人類遇到的有關(guān)月塵的最多也是最棘手的問題之一。據(jù)阿波羅任務(wù)報(bào)告記載，月塵能夠附著在所有裸露在月面的物體上，同樣也可被航天員帶入登月艙內(nèi)［23］。月塵顆粒細(xì)小、質(zhì)輕且攜帶大量電荷，在空間干燥潔凈的環(huán)境中具有很強(qiáng)的范德華力和庫倫力吸附能力，月塵的這種強(qiáng)附著特性也間接增強(qiáng)了其對(duì)航天材料的磨損破壞性。月塵的附著能力與月塵基本特性相關(guān)聯(lián)，比如愈細(xì)小的月塵愈容易發(fā)生附著，這與非晶質(zhì)玻璃顆粒容易攜帶電荷，其庫倫作用顯著有關(guān)［64］。月塵的附著機(jī)理比較復(fù)雜，盡管已經(jīng)取得了一些認(rèn)識(shí)，但人們對(duì)于月塵附著特性的了解仍然十分有限，大多數(shù)傾向于從地球塵中找尋答案［65-68］。

3 模擬月塵研制現(xiàn)狀

月塵分為1 mm與20 μm二種級(jí)別，而根據(jù)采樣點(diǎn)位置的不同又可以劃分為月海和高地二種，因而對(duì)于模擬月塵研制來講一般分為四個(gè)方向：1 mm月海模擬月塵、1 mm高地模擬月塵、20 μm月海模擬月塵、20 μm高地模擬月塵。在各型模擬月塵研制過程中，主要是參考了阿波羅14、阿波羅16二處登月點(diǎn)月塵的粒度分布和平均成分，因而模擬月塵的種類和型號(hào)相對(duì)單一，迄今為止只有NASA研制的JSC與NU-LHT二個(gè)系列以及中科院研制的CLDS-1，共計(jì)6個(gè)型號(hào)的模擬月塵，如表1所示。從選材方式來看，模擬月塵主要分為全巖樣品研制和礦物混合配制二種方式，其中全巖樣品研制適合模擬月海月塵，礦物混合配制常見于高地模擬月塵的配制。

表1 國內(nèi)外模擬月塵型號(hào)Table 1 Extant types of lunar dust simulant

模擬月塵中應(yīng)當(dāng)包含膠結(jié)質(zhì)成分，這樣模擬月塵的特性才能正確體現(xiàn)，相較于真實(shí)月塵而言，模擬月塵才具有真實(shí)度。目前，模擬月塵膠結(jié)質(zhì)的研制主要有不完全熔融、熔融混合、溶膠凝膠等制備路線。經(jīng)過制備得到的膠結(jié)質(zhì)顆粒被添加到模擬月塵中，從而使模擬月塵更加接近真實(shí)月塵。

3.1 1 mm模擬月塵

1mm模擬月塵制備過程主要包括成分配比、粉碎、篩分、粒度級(jí)配等。

3.1.1 JSC-1/1A

JSC-1是美國第一種1 mm模擬月塵，由NASA約翰遜空間中心負(fù)責(zé)研制生產(chǎn)。它以阿波羅14163號(hào)月塵樣品為參照標(biāo)準(zhǔn)，模擬低鈦月海月塵。JSC-1模擬月塵的初始物質(zhì)是火山渣，含有天然火山玻璃成分［69-70］。粉碎過程使用了沖擊磨設(shè)備，將上述初始物質(zhì)研細(xì)至多種粒度級(jí)別，通過一系列的級(jí)配處理，最終得到符合標(biāo)準(zhǔn)粒度分布的JSC-1模擬月塵，如圖6所示。JSC-1粉末的粒徑被控制在1 mm以下，并同時(shí)保證了良好的粒度分布，中值粒徑在70 μm左右。JSC-1的晶相主要包括斜長石、輝石、橄欖石、鈦鐵礦等，非晶質(zhì)玻璃相含量約占50%。除Fe元素外，它的化學(xué)成分也十分接近14163號(hào)月塵樣品［70-71］，如表2所示。

圖6 JSC-1模擬月塵粒度分布［70］Fig.6 PSD of lunar dust simulant JSC-1［70］

JSC-1的生產(chǎn)規(guī)模曾達(dá)到13.6 t，但現(xiàn)在已經(jīng)消耗殆盡，由JSC-1A取而代之［72］。作為JSC-1的替代型號(hào)，JSC-1A具有更多更優(yōu)良的性質(zhì)。

JSC-1A由NASA馬歇爾空間飛行中心和ORBITEC公司聯(lián)合研制，如圖7所示。JSC-1A繼承了JSC-1從選材到生產(chǎn)的整個(gè)過程，但JSC-1A 比JSC-1更接近真實(shí)月塵，原因在于首次添加了人造膠結(jié)質(zhì)顆粒和納米鐵。在月球空間環(huán)境影響下，真實(shí)月塵含有膠結(jié)質(zhì)和納米鐵。ORBITEC公司以JSC-1A為初始物質(zhì)［73］，在氫氣環(huán)境下，利用激光局部加熱的方法制備出與真實(shí)月塵膠結(jié)質(zhì)相似的不完全熔融顆粒物，并且摻雜有微納米級(jí)鐵珠。除了ORBITEC公司的方法外，BAE系統(tǒng)公司的S.Sen等人利用等離子體技術(shù)［31］，通過熔融混合的方法也成功制備出含納米鐵的模擬月塵膠結(jié)質(zhì)顆粒。JSC-1A最終產(chǎn)物的中值粒徑在99～ 105μm之間，玻璃相和斜長石比重高達(dá)86.4%，化學(xué)成分與真實(shí)月塵接近，見表2。該型模擬月塵的研制成功預(yù)計(jì)將為NASA月球“原位資源利用ISRU計(jì)劃”提供支持［74］。

圖7 JSC-1A模擬月塵［75］Fig.7 Lunar dust simulant JSC-1A［75］

表2 JSC-1與JSC-1A模擬月塵的化學(xué)成分［78］Table 2 Chemical composition of lunar dust simulants JSC-1 and JSC-1A［78］

3.1.2 NU-LHT-1M/2M

為了研究不同地形處月塵對(duì)月球探測的影響，NASA馬歇爾空間飛行中心與美國地質(zhì)勘探局USGS開始聯(lián)合研發(fā)高地類型的模擬月塵NULHT系列，并以阿波羅16號(hào)月塵樣品平均組成為參照標(biāo)準(zhǔn)［76］。根據(jù)粒度的不同劃分為粗粒（1 cm月壤）、中等粒度（1 mm模擬月塵）和細(xì)粒（20 μm模擬月塵）三個(gè)級(jí)別［77］。其中，NU-LHT-1M和NU-LHT-2M就屬于1 mm模擬月塵，如圖8所示。

圖8 NU-LHT 1 mm模擬月塵Fig.8 NU-LHT 1 mm lunar dust simulants

在初始物質(zhì)的選擇上，NU-LHT-1M與以往各類月球模擬物全巖樣品的研制方式不同，它是由多種巖石混合而成，主要包含：蘇長巖、斜（方）輝橄欖巖、斜方輝石、鈣長石以及一些采石廢料。通過對(duì)每種巖石進(jìn)行成分表征和一系列計(jì)算工序，可以配比出平均成分接近真實(shí)高地月塵的初始物質(zhì)。這種塊狀混合物經(jīng)機(jī)械粉碎，可以篩分出顆粒粒徑小于1 mm的粉末。全部由巖石粉碎得到的這種粉末是不含天然玻璃成分的，與真實(shí)月塵存在一定差距。為此，NASA委托ZAP公司利用改造的等離子體不完全熔融技術(shù)制備膠結(jié)質(zhì)顆粒，并利用真空等離子體熔化反應(yīng)釜（ISSP）制備純玻璃顆粒，最終達(dá)到提高模擬月塵真實(shí)度的目的［76］。NU-LHT系列第一代產(chǎn)品NU-LHT-1M含80%的晶體物質(zhì)（橄欖石、斜長石、輝石），16%的膠結(jié)質(zhì)以及4%的純玻璃，玻璃相含量仍偏低［76］。此后，NASA與USGS進(jìn)一步研發(fā)出NULHT-1M的改進(jìn)型號(hào)即NU-LHT-2M，不僅將膠結(jié)質(zhì)比重增加至30%，而且還酌量加入多種人工合成的單礦物，這意味著NU-LHT-2M與阿波羅16號(hào)高地月塵樣品更為相似，其化學(xué)成分見表3。NU-LHT-2M作為這一系列的第二代產(chǎn)品已在許多研究領(lǐng)域得到應(yīng)用［79］。

3.2 20 μm模擬月塵

20 μm模擬月塵的研制過程更為復(fù)雜，除了對(duì)粉碎方式要求較高外，對(duì)篩分后組成成分特別是玻璃相比例的要求也非常嚴(yán)苛，納米鐵的研制也變得更為必要。

表3 NU-LHT-1M與NU-LHT-2M模擬月塵的化學(xué)成分［79-81］Table 3 Chemical composition of lunar dust simulants NU-LHT-1M and NU-LHT-2M［79-81］

3.2.1 JSC-1Avf

通過篩分JSC-1A可以進(jìn)一步得到JSC-1AF和JSC-1Avf二種粒度更細(xì)的模擬月塵，其中JSC-1Avf屬于20 μm月海模擬月塵［19，82］。為了保證粒度分布的合理性，NASA在篩分20 μm月塵時(shí)使用了濕法篩分技術(shù)，避免了細(xì)小顆粒因?yàn)轱w揚(yáng)造成的質(zhì)量損失。如圖9所示，JSC-1Avf中值粒徑范圍在0.6～0.7 μm之間，小于13 μm的顆粒占總體的90%。JSC-1Avf膠結(jié)質(zhì)和納米鐵的制備沿用了JSC-1A的方法，但是膠結(jié)質(zhì)顆粒在20 μm模擬月塵中的粒度更小，同時(shí)比重也更大［19］。包含膠結(jié)質(zhì)顆粒和納米鐵的JSC-1Avf被廣泛應(yīng)用于月塵表面化學(xué)活性、磁學(xué)特性、光學(xué)特性、漂浮特性和附著特性研究等領(lǐng)域［28，43，83］。

圖9 JSC-1Avf模擬月塵粒度分布［19］Fig.9 PSD of lunar dust simulant JSC-1Avf［19］

3.2.2 CLDS-1

CLRS-1是由中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所與國家天文臺(tái)合作研制的低鈦月海模擬月壤，初始物質(zhì)為吉林輝南金川火山灰，制備過程與CAS-1模擬月壤類似。CLDS-1模擬月塵是基于CLRS-1模擬月壤而制備的20 μm模擬月塵，其加工過程使用了磁法分選和行星式球磨破碎技術(shù)［84］。由于該產(chǎn)物不含納米鐵，Tang等人［85］利用微波加熱技術(shù)和磁控濺射技術(shù)成功制備出了納米鐵顆粒。CLDS-1的粒度分布如圖10所示。CLDS-1模擬月塵主要由玻璃、斜長石、橄欖石、少量的輝石和軟鐵礦組成，其中玻璃含量在50%以上，其次斜長石占20%～30%，橄欖石含量約為8%。CLDS-1與標(biāo)準(zhǔn)參照14163的化學(xué)成分如表4所示。由于CLDS-1中不含膠結(jié)質(zhì)這一月塵重要組成，因此可能在磨損、荷電、漂浮和附著特性方面表現(xiàn)不足。

圖10 CLDS-1模擬月塵粒度分布［86］Fig.10 PSD of lunar dust simulant CLDS-1［86］

表4 CLDS-1模擬月塵的化學(xué)成分［29，86］Table 4 Chemical composition of lunar dust simulants CLDS-1［29，86］

3.2.3 NU-LHT-1D

NU-LHT-1D是第一種高地類型20 μm級(jí)別的模擬月塵，隸屬于NU-LHT系列。通過濕法篩分技術(shù)，選出NU-LHT-1M顆粒粒徑在36 μm以下的部分作為基礎(chǔ)材料［77］。再根據(jù)真實(shí)月塵組成成分的比例關(guān)系，將上述ZAP公司研制的膠結(jié)質(zhì)等玻璃相粉末添加到上述不含玻璃相的材料中，最終得到NU-LHT-1D。由于含有較多斜長石和玻璃相，NU-LHT-1D為乳白色，與月球高地高反照率一致。

圖11 NU-LHT-1D模擬月塵［75］Fig.11 Lunar dust simulant NU-LHT-1D［75］

4 結(jié)論

研究月塵特性具有多方面的意義。首先，掌握月塵特性是抵御月塵威脅，減少設(shè)備故障和航天員體力損耗，提高探月任務(wù)效率的基礎(chǔ)；第二，月塵是空間風(fēng)化作用的結(jié)果，了解月塵特性可以間接認(rèn)識(shí)地球和太陽的演化過程，推斷早期地球的大氣和地殼構(gòu)成等；第三，認(rèn)識(shí)月塵特性可以更好的指導(dǎo)模擬月塵的研制，間接服務(wù)于地面工程試驗(yàn)項(xiàng)目；第四，月面資源開發(fā)利用前景廣闊，認(rèn)識(shí)月塵特性可以幫助開發(fā)月球資源和建立永久基地［87-88］。不僅月球上有塵埃，所有巖石類星體比如火星表面都存在著粉末狀的微塵，有些漂浮在空中，有些則沉積在表面。由此可見，研制模擬月塵具有深遠(yuǎn)的意義。

本文系統(tǒng)介紹了月塵所具有的各種獨(dú)特性質(zhì)，揭示了月塵許多危害和月塵現(xiàn)象的原因。月球所處的空間環(huán)境造就了這種性質(zhì)獨(dú)特的塵埃顆粒。以月塵基本特性為參照研制的模擬月塵，具有與真實(shí)月塵相似的粒度分布、顆粒形貌、礦物組成和化學(xué)成分，這些特性是月塵其他特性的基礎(chǔ)。模擬月塵目前集中于1 mm月海型、高地型和20 μm月海型、高地型的研制，含膠結(jié)質(zhì)和納米鐵的高真實(shí)度模擬月塵也在同步研制當(dāng)中。

關(guān)于月塵特性和模擬月塵的研究涉及眾多交叉學(xué)科，雖然目前已經(jīng)取得了一些成果，但仍有很多有價(jià)值的研究需要開展。在尚未取得真實(shí)月塵樣品的背景下，月塵的一些特性可以通過模擬月塵來研究。研究的重點(diǎn)集中在：模擬月塵粒度級(jí)配、模擬月塵成分配比、不同粉碎方式和篩分對(duì)于月塵成分的影響、模擬月塵膠結(jié)質(zhì)和納米鐵的制備、模擬月塵收集與儲(chǔ)存、模擬月塵活化、模擬月塵荷電實(shí)驗(yàn)、月塵附著機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究、月塵漂浮運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬等。從長遠(yuǎn)角度看，有關(guān)月塵的研究還應(yīng)包括：系列化模擬月塵與量產(chǎn)、防除塵技術(shù)研究、資源提取與轉(zhuǎn)化以及月塵參與的月球永久基地建設(shè)等方面。相信隨著未來月球探測活動(dòng)的不斷開展，人們對(duì)于月塵的認(rèn)識(shí)會(huì)更加深入，許多現(xiàn)存的疑問和猜測將迎刃而解。與此同時(shí)，種類豐富且真實(shí)度較高的模擬月塵將陸續(xù)問世，模擬月塵應(yīng)用范圍不斷拓展，這都將推進(jìn)月球探測進(jìn)入新的階段。

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Properties of Lunar Dust and Research Status of Its Simulants

SUN Hao，SHEN Zhigang，ZHANG Xiaojing，MA Shulin
（Beijing Key Lab.for Powder Technology Research and Development，School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China）

Lunar dust problem is one of the key problems need to be solved for the future lunar exploration projects.Researching on the properties of lunar dust and its simulants can help to understand lunar dusty environment as well as to solve those particle-induced problems.Affected by the complicated space environment，fine powder on the moon displays unique characters including the geometrical feature，the chemical property，the physical property，and the mechanical behavior.Based on its fundamental properties，various types of lunar dust simulants have been prepared.This paper mainly introduced the NASA's JSC mare and the NU-LHT highland lunar dust simulants.High quality lunar dust simulants can be applied to several research fields，such as surface activation，charging，floating，adhesion，dust prevention or removal techniques，resource extraction，etc.All these would provide technical support and promote the future lunar exploration to some extent.

lunar dust properties；lunar dust simulants；lunar environment；development

P184

A

1674-5825（2015）06-0642-11

2015-04-27；

2015-10-09

載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目（060402）

孫 浩（1989-），男，博士研究生，研究方向?yàn)槲⒓{米材料制備與應(yīng)用技術(shù)、空間環(huán)境及其防護(hù)。E-mail：hello_sunhao@aliyun.com