空間粉塵探測(cè)器研究進(jìn)展

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1、第30卷第4期航天器環(huán)境工程2叭3年8月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING339空間粉塵探測(cè)器研究進(jìn)展董尚利，李延偉，呂鋼，楊德莊，何世禹(哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001)摘要：文章在系統(tǒng)地總結(jié)空間粉塵(微小空間碎片和微流星體)探測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了壓電型探測(cè)器、半導(dǎo)體型探測(cè)器、電離型探測(cè)器、組合式探測(cè)器等的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用，同時(shí)簡(jiǎn)要評(píng)述了空間粉塵探測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：空間粉塵；微小空間碎片；微流星體；粉塵探測(cè)器；撞擊：綜述中圖分類號(hào)：V520．7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673—1379

2、(2013)04-0339-07DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2013．04．OOlO引言多年來，國(guó)外在高度關(guān)注尺寸較大的空間碎片的同時(shí)，也十分重視空間粉塵(包括微小空間碎片和微流星體)的探測(cè)研究【1。2】。由于空間粉塵的尺度小，無法用望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)等觀測(cè)手段進(jìn)行探測(cè)，只能通過觀測(cè)航天器表面或分析回收航天器外殼‘3·51以及空間直接探測(cè)【6。91等方法來獲得有關(guān)信息。在空間碎片研究專題的支持下，國(guó)內(nèi)有關(guān)空間碎片研究的廣度和深度不斷擴(kuò)大。幾年來，經(jīng)過各相關(guān)單位的共同努力，已經(jīng)在空間碎片天基和地基探測(cè)、碎片環(huán)境工程模型和數(shù)據(jù)庫建設(shè)、地面模擬

3、研究以及減緩和防護(hù)技術(shù)等方面取得了許多進(jìn)展，其中在空間粉塵探測(cè)領(lǐng)域已研制出原型樣機(jī)[10．11】。本文通過調(diào)研，系統(tǒng)地總結(jié)了國(guó)內(nèi)外有關(guān)空間粉塵探測(cè)技術(shù)及典型空間粉塵探測(cè)器的研究進(jìn)展。1空間粉塵探測(cè)手段1．1對(duì)回收返回物的分析對(duì)從空間回收返回地面的航天器外殼、太陽能電池或材料樣品在地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，是獲取微小空間碎片和微流星體信息的有效手段。通過對(duì)坑中殘留物成分的鑒別分析，能夠識(shí)別出天然粉塵粒子和人造粉塵粒子。美國(guó)的長(zhǎng)期暴露裝置(LongD眥tionEXposureFacil時(shí)LDEF)在高度為450km的軌道上飛行69個(gè)月后由航天飛機(jī)回收帶回地面，通過對(duì)安裝在

4、它不同方向的6個(gè)外面板(見圖1)上的各種目標(biāo)材料進(jìn)行立體光學(xué)分析、電子顯微鏡分析及x射線光譜分析，獲得了大量有關(guān)空間粉塵環(huán)境效應(yīng)的信息01'3J。在LDEF表面共發(fā)現(xiàn)了34336個(gè)撞擊坑，其中尺寸在0．5mm以下的撞擊坑達(dá)27385個(gè)。通過鑒別撞擊坑內(nèi)殘留物質(zhì)成分，發(fā)現(xiàn)多數(shù)坑是由微小空間碎片撞擊形成，同時(shí)也觀測(cè)到B型流星體撞擊坑。圖1在軌飛行的長(zhǎng)期暴露裝置(LDEF)Fig．1In—orbitLongDurationExposllreFacility(LDEF)ESA的EURECA(EUropeanREtrieVableCmTier)航天器[4】在500km軌道

5、上運(yùn)行324天后，于1993年回收返回地面。該航天器配置了專門的探測(cè)器，探測(cè)到大量有關(guān)空間粉塵的信息。此外，技術(shù)人員還研究了微小空間碎片和微流星體環(huán)境對(duì)該航天器太陽能電池的影響。收稿日期：2013．06．03；修回日期：2013．07．3l基金項(xiàng)目：國(guó)家空間碎片專題研究項(xiàng)目“空間粉塵環(huán)境效應(yīng)模擬與評(píng)價(jià)技術(shù)”(編號(hào)：ⅪsP-06212)作者簡(jiǎn)介：董尚利(1966一)，男，工學(xué)博士，教授，目前主要從事航天器用典型材料空間環(huán)境效應(yīng)模擬評(píng)價(jià)研究工作。E-mail：sldong@hit．edu．cn。航天器環(huán)境工程第30卷在軌運(yùn)行超過3．5年的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡(HST)的太

6、陽能電池于1994年由航天飛機(jī)運(yùn)回地面bJ；在軌運(yùn)行超過10年的一塊尺寸為6．0m×1．3m的“和平號(hào)”空間站的太陽能電池由俄羅斯的貨運(yùn)飛船運(yùn)回地面【l2

7、。美國(guó)和俄羅斯的研究人員對(duì)這些電池進(jìn)行了分析，得到了大量有關(guān)空間固體微粒對(duì)太陽能電池撞擊作用的信息【5，l2

8、。日本于1995年3月發(fā)射的探測(cè)器【9】在高度300～500km、傾角28．5。的圓軌道運(yùn)行一段時(shí)間后，于1995年12月由航天飛機(jī)回收返回地面。研究人員經(jīng)過仔細(xì)觀測(cè)分析，在總面積為150m2的探測(cè)器外表面上共發(fā)現(xiàn)有337塊撞擊區(qū)域，總面積達(dá)到18m2，其中3個(gè)最大坑的直徑超過200啪。1．2在軌探測(cè)

9、航天器搭載空間粉塵探測(cè)設(shè)備是另外一種有效手劇*引，所記錄的數(shù)據(jù)可直接通過遙測(cè)數(shù)據(jù)通道傳回地面，也可存入機(jī)載計(jì)算機(jī)后再定期傳回地面u3

10、。這種探測(cè)方法可以獲取關(guān)于空間粉塵的空間和時(shí)間分布信息，近年來獲得越來越多的應(yīng)用。俄羅斯分別利用1993年和1996年發(fā)射的“地平線一41號(hào)”、“地平線一43號(hào)”兩顆衛(wèi)星，在地球同步軌道上進(jìn)行了空間粉塵環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)在軌探測(cè)【l2

11、。探測(cè)使用的是雙薄膜電容傳感器，可記錄尺寸大于2～5岬、速度在0．2～70kIll／s區(qū)間的空間粉塵粒子。兩顆衛(wèi)星分別探測(cè)到的微隕石束流密度為5．9×10。5m-2·s。1和1．2×104m-2·s～，空

12、間粉塵粒子的總束流密度為