空間環(huán)境中飛行的塵埃粒子會(huì)對(duì)進(jìn)行深空探測(cè)的航天器有重大影響，它們會(huì)撞擊并沉積在航天器表面結(jié)構(gòu)中，影響航天器的性能。利用空間塵埃探測(cè)器可以探測(cè)塵埃的質(zhì)量、速度、飛行方向、通量、化學(xué)成分及其元素同位素、所帶電荷等參數(shù)。空間塵埃探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用軟件仿真計(jì)算了撞擊離子在反射式質(zhì)譜計(jì)反射腔內(nèi)的軌跡，驗(yàn)證了其探測(cè)空間塵埃的化學(xué)成分的可行性。隨著深空探測(cè)的逐步深入，空間塵埃探測(cè)器探測(cè)數(shù)據(jù)將成為航天器維護(hù)及未來(lái)空間科學(xué)研究的重要參考。

1、引言

　　根據(jù)天文觀測(cè)，塵埃粒子在太陽(yáng)系和整個(gè)銀河系中都普遍存在著。塵埃粒子和光子一樣，攜帶了空間中某一時(shí)空點(diǎn)的信息，根據(jù)塵埃粒子的起源地和它們的整體性質(zhì)，可以了解塵埃形成區(qū)域周?chē)�的空間環(huán)境。行星大氣周?chē)鷫m埃的各種動(dòng)力學(xué)特性會(huì)影響行星的氣候演變。不僅如此，塵埃粒子還會(huì)對(duì)進(jìn)行深空探測(cè)的航天器有重大影響，當(dāng)這些塵埃沉積在航天器太陽(yáng)電池和光學(xué)敏感器等表面時(shí)，直接影響航天器的電位和性能，影響到光學(xué)敏感器的光學(xué)特性和圖像質(zhì)量。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為通過(guò)發(fā)射圍繞行星旋轉(zhuǎn)的空間塵埃探測(cè)器，或直接安裝在行星表面著陸器上可以更加深入的了解空間塵埃環(huán)境對(duì)航天器的影響，有利于探索行星的起源以及生命的起源。探索了空間塵埃探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了探測(cè)器探測(cè)塵埃的質(zhì)量、速度、飛行方向、化學(xué)成分及其同位素、所帶電荷情況和塵埃流通量的原理，并用軟件仿真計(jì)算了撞擊離子在反射式質(zhì)譜計(jì)反射腔內(nèi)的軌跡，驗(yàn)證了探測(cè)空間塵埃的化學(xué)成分的可行性。

2、塵埃粒子的不同來(lái)源

　　在行星際空間中，塵埃首先來(lái)自太陽(yáng)系中大橢圓軌道運(yùn)行的彗星，彗星表面可揮發(fā)冰狀物的升華氣壓把塵埃粒子推入周?chē)�空間，較大顆粒的塵埃粒子獲得與彗星母體相同的軌道，繼而形成慧尾。盡管慧尾聚集了大量塵埃，但行星攝動(dòng)、星體碰撞等其它效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生大量布于行星際間的塵埃。

　　除了彗星，塵埃的另一個(gè)重要來(lái)源就是小行星帶。小行星之間的碰撞產(chǎn)生的碎片的直徑有很寬的分布，其中一部分形成流星和黃道帶內(nèi)的塵埃云。一般認(rèn)為，來(lái)自小行星的塵埃粒子的成分和結(jié)構(gòu)反映了小行星母體的成分和結(jié)構(gòu)，該類(lèi)塵埃大部分屬于硅酸鹽并富含鐵元素。它們的軌道有很小的軌道交角而且越來(lái)越接近圓形，這和來(lái)自彗星的塵埃的大橢圓軌道有明顯的區(qū)別。

　　塵埃也可能起源于銀河系內(nèi)各種不同的行星和恒星體，例如，富碳行星、紅巨星或超新星。所有這些星體為塵埃提供了典型的但不同的化學(xué)的和同位素的特征，通過(guò)同位素分析，就可以鑒別出古老隕石中太陽(yáng)系形成之前的塵埃。

3、塵埃粒子的探測(cè)

　　空間塵埃探測(cè)器的主要探測(cè)任務(wù)是探測(cè)塵埃的質(zhì)量、速度、飛行方向、化學(xué)成分及其同位素、所帶電荷情況和塵埃流的通量等。空間塵埃探測(cè)器的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)重要的探測(cè)單元: 塵埃軌跡探測(cè)器和反射式質(zhì)譜計(jì)。整個(gè)裝置還包括底部的電子器件箱和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，當(dāng)該裝置處于探測(cè)狀態(tài)時(shí)，為保證反射式質(zhì)譜計(jì)和塵埃軌跡探測(cè)器達(dá)到合適的指向角度，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)的電機(jī)可以使裝置在垂直面內(nèi)傾斜一定角度，同時(shí)可以使塵埃軌跡探測(cè)器圍繞反射式質(zhì)譜計(jì)在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 空間塵埃探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

3.1、塵埃軌跡探測(cè)器原理

　　如圖2 所示，該探測(cè)器包括5 個(gè)格柵，4個(gè)傳感器格柵和1 個(gè)

　　屏蔽格柵。屏蔽格柵的作用是屏蔽外面的電場(chǎng)和電磁波干擾。每個(gè)傳感器格柵內(nèi)接有相互平行的金屬絲電極，每個(gè)金屬絲電極都接有一個(gè)電荷敏感放大器，用于放大塵埃粒子的感應(yīng)電荷信號(hào)，從而獲得塵埃粒子所帶的電荷。相鄰格柵的金屬絲相互垂直以精確測(cè)量塵埃粒子的入射軌跡。感應(yīng)最多電荷的金屬絲電極最靠近塵埃粒子的軌跡，通過(guò)對(duì)比同一格柵上的相鄰金屬絲電極感應(yīng)電荷的多少就可以得出塵埃粒子穿過(guò)該格柵的具體坐標(biāo)，如圖3 所示。

圖2 塵埃軌跡探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖

圖3 塵埃速度矢量的計(jì)算

　　利用各個(gè)格柵輸出的信號(hào)和幾何位置可以得出塵埃粒子的速度矢量在直角坐標(biāo)系中三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影：

　　式中ti( i = A，B，C，D) 為每個(gè)格柵感應(yīng)最大電荷的時(shí)刻。所以塵埃的入射速度大小為：

　　入射速度的方向可以由速度矢量和各個(gè)坐標(biāo)軸之間的夾角確定，與x 軸之間的夾角α 滿足關(guān)系：

　　根據(jù)塵埃粒子的所帶的電荷、密度以及其表面勢(shì)就可以根據(jù)公式計(jì)算塵埃的質(zhì)量，公式如下：

　　式中Q 為塵埃所帶的電荷，m 為塵埃的質(zhì)量，ρ 為塵埃的密度，ε0為真空中的介電常數(shù)，Φ 為塵埃粒子的表面勢(shì)。需要指出的是塵埃離子的密度由元素成分近似計(jì)算，表面勢(shì)在一定情況下，可以近似地認(rèn)為是+ 5V，空間中紫外線引起的光電效應(yīng)為其主導(dǎo)的充電過(guò)程。

3.2、反射式質(zhì)譜計(jì)探測(cè)原理與仿真計(jì)算

　　反射式質(zhì)譜計(jì)主要用于對(duì)塵埃粒子的原位化學(xué)分析。根據(jù)已獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)分析，偌使質(zhì)譜計(jì)能夠探測(cè)行星際間的塵埃粒子( 其通量的量級(jí)為10 - 4 m - 2 s - 1 ) ，質(zhì)譜計(jì)的敏感面積必須足夠大: 至少0.1 m2。同時(shí)，質(zhì)譜計(jì)必須具有足夠高的質(zhì)量分辨率以鑒別出宇宙塵埃中常含有的元素( H，C，O，N，Si，Mg，F(xiàn)e，Ni) ，要求其質(zhì)量分辨率滿足: M/ΔM > 100. 因此采用反射式質(zhì)譜計(jì)能很好地提高質(zhì)量分辨率。

　　反射式質(zhì)譜計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的反射區(qū)圓筒和一個(gè)環(huán)形的撞擊探測(cè)器。撞擊探測(cè)器包括電勢(shì)為U2的撞擊靶和一個(gè)接地的加速格柵，撞擊產(chǎn)生的離子云在撞擊耙和加速格柵之間加速并進(jìn)入場(chǎng)自由區(qū)。在撞擊探測(cè)器上面是離子反射區(qū)，和撞擊靶法線呈一定角度出射的離子經(jīng)加速進(jìn)入反射區(qū)，在頂部拋物面狀的反射格柵的作用下反射，最后聚焦于中間放置的離子探測(cè)器上。拋物面格柵具有很好的空間反射特性，反射聚焦點(diǎn)的軸向位置和拋物面格柵的電勢(shì)U1有關(guān)。對(duì)于攜帶相反電荷的離子的元素探測(cè)，只需改變撞擊靶和拋物面格柵的電勢(shì)值正負(fù)即可。一旦離子探測(cè)器的位置確定，調(diào)節(jié)拋物面格柵的曲率或拋物面格柵與離子探測(cè)器的距離就可以找到質(zhì)譜計(jì)的最佳質(zhì)量分辨率。

圖4 反射式質(zhì)譜計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1. 塵埃2. 離子探測(cè)器3. 撞擊靶( 環(huán)形) 4. 屏蔽格柵5. 反射格柵6. 場(chǎng)自由區(qū)7. 加速格柵

　　圖5 反射腔建模

　　利用分析軟件可以模擬質(zhì)譜計(jì)反射腔內(nèi)的磁場(chǎng)和進(jìn)入反射腔內(nèi)離子的軌跡。這里選擇空間中塵埃粒子中常見(jiàn)的元素———鐵元素形成的離子Fe2 +。首先設(shè)置反射腔的幾何尺寸，如圖5 所示: 腔高40 cm，頂部反射曲面的曲率半徑為拋物面格柵的曲率半徑，底面圓半徑為25 cm。頂部反射曲面上施加電壓5 kV，底面接地，腔內(nèi)可以看作真空環(huán)境，相對(duì)介電常數(shù)為1，經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算可以得出腔內(nèi)的電勢(shì)變化和電場(chǎng)矢量，如圖6 和圖7 所示。

圖6 反射腔內(nèi)的電勢(shì)分布　圖7 反射腔內(nèi)的電場(chǎng)矢量

　　同時(shí)利用軟件可以得出反射腔內(nèi)重要的電場(chǎng)分布如圖8 所示，頂部反射曲面邊界處場(chǎng)強(qiáng)較大，中間較小，有利于反射離子，反射腔底部場(chǎng)強(qiáng)均勻并且方向一致。接下來(lái)模擬鐵離子Fe2 + 在這種電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)置在產(chǎn)生時(shí)具有的初始動(dòng)能為50 eV，在距離約5 cm 電壓為5 kV 的電壓加速格柵加速后，進(jìn)入反射腔時(shí)具有的動(dòng)能約104 eV。鐵離子Fe2 + 質(zhì)量m = 56 u，電荷為2 e. 經(jīng)計(jì)算優(yōu)化盡可能使離子反射到反射腔中部的離子探測(cè)器區(qū)域上，由軟件計(jì)算可以得出鐵離子Fe2 + 軌跡如圖8 所示。圖8 中左圖中拋物面格柵的曲率半徑為65 cm，右圖中拋物面格柵的曲率半徑為55 cm，通過(guò)對(duì)比可知，格柵曲率的改變影響了離子反射后撞擊在離子探測(cè)器上的位置，曲率半徑為55 cm 的格柵對(duì)離子的反射效果較好。因此設(shè)計(jì)合理的離子反射腔結(jié)構(gòu)需要盡可能地優(yōu)化各個(gè)器件的位置。

圖8 不同拋物面格柵曲率半徑下反射腔內(nèi)Fe2 + 的反射軌跡

4、討論

　　隨著載人航天工程、探月工程和火星探測(cè)任務(wù)的實(shí)施，空間塵埃探測(cè)器的搭載將具有現(xiàn)實(shí)的可實(shí)施性。在地球周?chē)�的軌道上，搭載方案有兩種，一種是搭載在高軌衛(wèi)星上，可以探測(cè)地球尾跡上的塵埃顆粒; 另一種是搭載在中低軌道航天器上，如空間站的外部，但這種情況下探測(cè)的塵埃數(shù)據(jù)容易受到地球周?chē)�空間碎片的影響。在圍繞火星環(huán)繞的軌道上探測(cè)塵埃，可以更好地了解火星及其衛(wèi)星上的元素組成。此外，在地球和太陽(yáng)引力平衡的拉格朗日點(diǎn)( L1，L2) 上放置塵埃探測(cè)器，可以使探測(cè)器具有很好的方向穩(wěn)定性，特別是位于L2點(diǎn)的塵埃探測(cè)器可以背向太陽(yáng)和地球，易于校準(zhǔn)和保護(hù)探測(cè)數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段，利用塵埃探測(cè)器探測(cè)從行星際空間飛往月球表面的塵埃是深空探測(cè)的一個(gè)方向，而且月球表面塵埃情況作為月球空間天氣的一部分，可以為未來(lái)建立月球基地，開(kāi)采月球資源提供可靠的環(huán)境資料。經(jīng)過(guò)分析，利用登陸月球的著陸器進(jìn)行探測(cè)，月球著陸器本身作為一個(gè)塵埃觀測(cè)平臺(tái)，同時(shí)也可以和月面天文望遠(yuǎn)鏡平臺(tái)結(jié)合，利用這些平臺(tái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的月球表面塵埃環(huán)境的探測(cè)。