王劉杰， 趙 維， 周雙珍， 逯忠國(guó)， 王東陽(yáng)

（中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094）

1 引言

載人登月面臨特殊的月塵環(huán)境，在月面活動(dòng)中，月塵易吸附到接觸表面，且不易徹底清除，對(duì)載人登月的航天員、艙外服、相關(guān)設(shè)備以及儀器儀表均有負(fù)面影響。 因此，登月設(shè)備研制必須考慮月塵的影響以及相關(guān)的除塵、防塵技術(shù)，并需進(jìn)行充分的地面測(cè)試。

月塵易與物體表面吸附的重要因素是月塵帶有一定量的電荷，帶電因素包括自然因素和人為因素：月晝的太陽(yáng)輻射引起的光電子發(fā)射，月夜期間太陽(yáng)風(fēng)注入電荷，航天員行走或設(shè)備與月面接觸摩擦起電等。 在地面進(jìn)行月塵環(huán)境模擬測(cè)試時(shí)需要模擬帶電因素，模擬方法有物理模擬和等效模擬。 物理模擬指模擬真實(shí)的月面環(huán)境物理要素，再現(xiàn)月面月塵帶電過(guò)程，即在真空環(huán)境中，用紫外輻射、電子槍等模擬太陽(yáng)輻射、太陽(yáng)風(fēng)等因素使模擬月塵攜帶電荷，如Gaier 等與Craven等開展的月塵試驗(yàn)、張海彬等的輝石試驗(yàn)、薛丹研究月塵艙的加電方法均采用了物理模擬。 等效模擬指使用其他技術(shù)模擬月塵攜帶電荷的結(jié)果，如許濱等、孫永衛(wèi)等采用高壓電極接觸傳導(dǎo)帶電，Kruzelecky 等采用電暈放電加電方法等。

電暈放電在電選礦、靜電除塵等方面均有應(yīng)用，加電途徑是在電暈場(chǎng)中細(xì)顆粒物吸附電子、離子等帶電粒子。 何家寧、張桂芳研究的電選礦礦粒與月塵在顆粒粒徑、礦物組成、化學(xué)成分等方面有一定的相似性。 但國(guó)內(nèi)尚未見電暈放電模擬月塵加電相關(guān)研究報(bào)道，因此有必要研究其方法可行性以及航天模擬試驗(yàn)所關(guān)注的電荷保持時(shí)間問(wèn)題。

本文借鑒電選礦、靜電除塵給顆粒物加電的技術(shù)，提出一種通過(guò)電暈放電使模擬月塵帶電的方法，設(shè)計(jì)并搭建研究裝置，并研究電暈電壓對(duì)加電電荷量的影響以及濕度對(duì)電荷保持時(shí)間的影響。

2 裝置研究

2.1 裝置機(jī)理

電暈放電是氣體放電的一種。 氣體中的自由電子從電場(chǎng)中獲得能量，和氣體分子激烈碰撞，電子脫離氣體分子，結(jié)果產(chǎn)生帶陽(yáng)電荷的氣體離子，并增加了自由電子。

以針板式電暈放電為例，如圖1 所示。 在針板式電極場(chǎng)中，針式電極曲率很大，隨著電壓的升高，在高電壓作用下，針式電極周圍空氣被擊穿，在周圍產(chǎn)生電暈放電，產(chǎn)生各種帶電粒子，即自由電子、正離子和負(fù)離子。 正離子沿電場(chǎng)方向向陰極移動(dòng)，而電子和負(fù)離子沿電場(chǎng)反方向向陽(yáng)極移動(dòng)。 在達(dá)到擊穿電壓前，外加場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，電暈電流也越大，達(dá)到擊穿電壓后，如果再增加場(chǎng)強(qiáng)，電壓不能夠再升高，電暈電流會(huì)持續(xù)增大，電流到達(dá)一定值，將產(chǎn)生火花放電。

圖1 電暈放電機(jī)理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of corona discharge mechanism

放電電極可以采用陰電極或陽(yáng)電極。 陰電暈形成只是在很大的電子親和力的氣體或混和氣體中存在可能，比如含氧氣的空氣、硫化物氣體等。

位于電暈場(chǎng)中的顆粒物吸附帶電粒子機(jī)制理論主要有2 種：電場(chǎng)荷電——離子在電場(chǎng)作用下沿電力線作有規(guī)則運(yùn)動(dòng)，與粒子碰撞使粒子荷電；擴(kuò)散荷電——由于離子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而與粒子碰撞以致粒子荷電。 在電暈場(chǎng)中顆粒物可以很快（s 級(jí)）充滿電，理論上顆粒物帶電量最大值與顆粒物粒徑和電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，不會(huì)無(wú)限增加。

根據(jù)剩余荷電分選有關(guān)理論，荷電量可由式（1）表示，是介電常數(shù)、半徑、時(shí)間的函數(shù)，是電場(chǎng)強(qiáng)度的線性函數(shù)。

2.2 裝置組成

設(shè)計(jì)的電暈裝置分為真空系統(tǒng)、電暈放電系統(tǒng)、測(cè)量采集系統(tǒng)3 部分（圖2）。 真空系統(tǒng)具備抽真空和真空保持能力，使電暈放電系統(tǒng)處于低氣壓環(huán)境中；電暈放電系統(tǒng)具有放電電壓可調(diào)、放電電流可監(jiān)測(cè)功能，可控制電暈放電過(guò)程；測(cè)量采集系統(tǒng)具備測(cè)量月塵加電后對(duì)地電位的變化功能，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，便于數(shù)據(jù)分析。

圖2 電暈裝置系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of corona device

電暈放電系統(tǒng)參考針板式電暈放電原理，采用針式陣列放電電極增加效率和均勻性。 在針式電極和接地極之間增加月塵層和金屬基板，使帶電粒子在向接地極移動(dòng)過(guò)程中附著在月塵顆粒上。

測(cè)量采集系統(tǒng)中原有靜電電位動(dòng)態(tài)測(cè)試儀的輸入和輸出為模擬信號(hào)，在原硬件的輸出端加裝數(shù)據(jù)采集模塊，使模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，以便采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。 模擬月塵采用吉林大學(xué)研制的模擬月塵，其以吉林省輝南縣境內(nèi)的火山灰為主要原料，組成礦物為橄欖石、輝石、長(zhǎng)石，粒徑平均約70 ～100 μm。 裝置系統(tǒng)組成及實(shí)物照片見圖3、圖4。

圖3 電暈裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of corona device

圖4 電暈裝置測(cè)試平臺(tái)Fig.4 Test platform of corona device

2.3 電暈放電性能測(cè)試

靜電發(fā)生器間隔1 kV 依次輸出為－1 ～－20 kV ，直到產(chǎn)生電暈放電擊穿，剛剛發(fā)生擊穿放電時(shí)，測(cè)試電位值有數(shù)個(gè)尖峰周期，聽到輕微的噼啪聲。 根據(jù)上述物理現(xiàn)象，確定真空罐內(nèi)電暈放電需要的電極電壓。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在一定氣壓環(huán)境下，電暈放電的電壓值為一定區(qū)間范圍，低于該范圍則達(dá)不到電暈放電條件，高于該范圍則發(fā)生電暈放電擊穿，詳見圖5。 氣壓越高電暈放電電壓范圍越寬；氣壓越低發(fā)生電暈放電的電極電壓越低，即氣壓越低越容易發(fā)生電暈放電，且發(fā)生電暈放電后，再稍增加電壓即發(fā)生擊穿放電／火花放電。

圖5 電暈裝置起電暈電壓Fig.5 Corona initial induced voltage inside the device

3 模擬月塵加電研究

3.1 電荷量測(cè)量方法

如圖6 所示，金屬基板與接地板構(gòu)成平板電容器。 當(dāng)金屬基板上鋪月塵時(shí)，在月塵攜帶負(fù)電荷的作用下，與接地板相對(duì)的金屬基板內(nèi)側(cè)感應(yīng)出與月塵同性電荷。 設(shè)月塵電荷面密度，則金屬基板與月塵之間的電場(chǎng)強(qiáng)度為，見式（2）。

圖6 月塵電荷測(cè)量Fig.6 Electric charge measurement of lunar dust

其中，金屬基板的面積為，則金屬基板上感應(yīng)電荷量為式（3）：

測(cè)得的金屬基板電位即電容器的電位差，電位差與電荷量和電容的關(guān)系見式（4）。

測(cè)得金屬基板電位值，則可表征月塵的電荷量。

3.2 電荷量影響因素

根據(jù)式（1）電荷量影響因素主要有粒徑、加電時(shí)間、電場(chǎng)大?。妷旱龋疚奶骄侩妶?chǎng)大?。妷汉图与姇r(shí)間的因素影響。

先測(cè)試電壓對(duì)電荷量的影響。 在2 ～100 kPa氣壓下施加剛好電暈放電電壓，以產(chǎn)生電暈放電，測(cè)試月塵電荷量。

再測(cè)試加電時(shí)間對(duì)電荷量的影響，施加時(shí)間分別為20，60，180 s，測(cè)試金屬基板上凈電荷的電位值。

3.3 電荷保持時(shí)間

電荷保持時(shí)間采用衰減時(shí)間表示。 月塵吸附電荷后衰減到起始量的1／e 所用時(shí)長(zhǎng)表示為衰減時(shí)間。 本文通過(guò)擬合衰減曲線測(cè)定衰減時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)室條件下，將濕度影響的研究設(shè)置為2組對(duì)比試驗(yàn)。

1）實(shí)驗(yàn)室條件下（測(cè)試時(shí)溫度20 ℃、濕度30%RH）的時(shí)間常數(shù)。 在100 kPa 下，電極電壓－18 kV電暈放電，施加60 s 后斷電，真空罐抽氣，氣壓抽低壓為100，80，60，40，20，10 kPa 及2 kPa以下（實(shí)際氣壓以實(shí)際壓力為準(zhǔn)），分別測(cè)試電荷衰減時(shí)間。

2）干燥條件下不同氣壓對(duì)時(shí)間常數(shù)的影響。100 kPa 下加干燥劑1 d 以上，使罐內(nèi)空氣和月塵保持干燥（測(cè)試時(shí)溫度20 ℃、濕度10%RH 以下）。 測(cè)試過(guò)程同1）。

4 結(jié)果與討論

4.1 電荷量影響因素測(cè)試結(jié)果

不同氣壓、加電時(shí)間對(duì)電荷量的影響如圖7所示。 氣壓主要影響電暈放電電壓，根據(jù)圖5 所示可以看出，在100 kPa 下電暈放電電壓約為－20～－15 kV，在10 kPa 氣壓下電暈放電電壓約為－6～－5 kV，最低測(cè)得在2 kPa 氣壓下電暈放電電壓約為－3 kV。 即電暈放電的電極電壓受氣壓限制，一定氣壓下，電極電壓在一定范圍均可激發(fā)電暈放電，氣壓越高，激發(fā)電暈放電的最低電極電壓也越高，可激發(fā)電暈放電的電極電壓范圍也越寬。從圖7 可以看出，氣壓越高（電暈放電電壓越高），月塵吸附電荷量相對(duì)越多。 電暈放電時(shí)間超過(guò)20 s 后，隨著加電時(shí)間增加，電位值增長(zhǎng)較緩，即延長(zhǎng)加電時(shí)間不能顯著增加電荷量。

圖7 不同氣壓、加電時(shí)間對(duì)電荷量的影響曲線Fig.7 The effects of pressure and charge time on e?lectric charge

電極電壓與吸附電荷量的關(guān)系如圖8 所示。從圖中可以看出，吸附電荷量與電極電壓成線性關(guān)系，與理論公式（1）一致。

圖8 電極電壓與吸附電荷量的關(guān)系曲線Fig. 8 Relation curve of electric charge and electrode voltage

電極電壓是模擬月塵吸附電荷量的主要影響因素，由于氣壓環(huán)境和電極電壓的關(guān)聯(lián)性，氣壓環(huán)境和電極電壓對(duì)月塵電荷量的影響是一致的。 電暈放電的電極電壓越高（氣壓越高），則月塵吸附電荷量相對(duì)越多，二者呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，與理論基本一致。

4.2 電荷保持時(shí)間測(cè)試結(jié)果

測(cè)得的實(shí)驗(yàn)室條件下和干燥條件下電荷衰減擬合曲線見圖9、圖10，其他氣壓下曲線電荷衰減曲線擬合方程見表1、表2。 在10 ～100 kPa 范圍內(nèi)月塵電荷衰減受低壓影響較小，在相同溫度濕度下，不同氣壓下電荷衰減時(shí)間常數(shù)沒(méi)有明顯差別。 在實(shí)驗(yàn)室條件下10 ～100 kPa 下電荷衰減時(shí)間為36～41 s，在干燥條件下10 ～100 kPa 電荷衰減時(shí)間為61 ～65 s。 空氣中濕度越小越干燥，則同樣的電荷量衰減時(shí)間越長(zhǎng)。 在實(shí)驗(yàn)室條件下電荷衰減常數(shù)平均為37.8 s，而干燥條件下電荷衰減常數(shù)平均為63.2 s。

表1 實(shí)驗(yàn)室條件下電荷衰減擬合曲線與衰減時(shí)間常數(shù)Table 1 Fitting decay curve and time of electric discharge under laboratory environment

表2 干燥條件下電荷衰減擬合曲線與衰減時(shí)間常數(shù)Table 2 Fitting decay curve and time of electric discharge under dry environment

圖9 實(shí)驗(yàn)室條件下電荷衰減擬合曲線（100 kPa）Fig.9 Fitting decay curve under laboratory environ?ment（100 kPa）

圖10 干燥條件下電荷衰減擬合曲線（100 kPa）Fig.10 Fitting decay curve under dry environment（100 kPa）

5 結(jié)論

基于靜電技術(shù)的電暈放電機(jī)理，本文設(shè)計(jì)了電暈放電試驗(yàn)裝置，將電荷測(cè)量轉(zhuǎn)換為電位的測(cè)量，并設(shè)計(jì)了模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)并分析。

1）電暈裝置具備可抽真空、放電電壓可調(diào)、可等效測(cè)量電荷量等功能。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試了電暈裝置在2～100 kPa 氣壓下電暈放電基本特性。

2）使用設(shè)計(jì)的電暈裝置進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了采用靜電技術(shù)給模擬月塵加載電荷的可行性，即在電暈場(chǎng)中，月塵能夠吸附電荷。 測(cè)試結(jié)果表明電暈放電電壓越高月塵電荷量越大。

3）在10～100 kPa 范圍內(nèi)測(cè)試兩種不同濕度下電荷保持時(shí)間。 發(fā)現(xiàn)月塵電荷衰減受氣壓影響較小，空氣中濕度越小（越干燥）則電荷衰減時(shí)間越長(zhǎng)。

今后可在兩方面進(jìn)一步深入研究：一是根據(jù)測(cè)試結(jié)果強(qiáng)化除濕，測(cè)試極端干燥下的電荷保持時(shí)間，獲取更長(zhǎng)的保持時(shí)間；二是進(jìn)行拓展測(cè)試，如針對(duì)火星表面富二氧化碳、低壓氣體環(huán)境的火星塵試驗(yàn)，研究模擬環(huán)境中的火星塵加電效應(yīng)等。