月球颗粒与发动机羽流的相互作用

第1章月壤颗粒与发动机羽流相互作用研究概述 作为距离地球*近的天体，月球是人类探索宇宙的**站，也必将成为人类进行星际探索和星际移民的跳板。1957年10月，苏联发射了**颗人造地球卫星，标志着人类进入了太空时代。1969年7月，美国阿波罗11号首次实现载人登月，迈出了人类在月球上的**步。2019年1月，中国嫦娥四号着陆器首次实现人类在月球背面软着陆，标志着世界探月技术迈入了新时代。机遇与挑战并存，每次人类登月任务都会面临一系列重大问题与巨大挑战，目前*关键和*严峻的挑战之一便是“月尘污染”问题。 月球着陆器在接近月表进行软着陆的过程中，发动机喷出的高速、高温和高密度气体迅速向月表外部的真空环境膨胀、扩散，形成羽毛状流场，称为羽流。羽流冲击到月球土壤表面，使风化疏松的月壤颗粒的自然堆积状态遭到破坏，导致月壤颗粒的四处飞扬，从而也在月球表面形成月坑。被羽流喷射的月壤颗粒会严重影响着陆的能见度和视野，图1-1为嫦娥三号着陆器拍摄的月壤颗粒喷射前后对比。同时，月坑对探测器的着陆稳定性带来了极为不利的影响。更重要的是，由于月壤颗粒的细密性和黏附性，月壤颗粒极易黏附在各种设备和敏感仪器表面，导致这些设备和仪器无法正常工作。例如，月壤颗粒可能侵蚀没有完全封闭的轴承、齿轮和其他机械装置，造成机械元件的磨损和密封失效。此外，如果月壤颗粒侵入着陆器内部和航天员的航天服里，会对航天员的舱内行为和出舱活动造成无法估量的危险和损失。 月壤颗粒与发动机羽流相互作用的研究是无人登月任务和载人登月任务无法回避的关键科学问题之一。本章概述了月壤颗粒与发动机羽流相互作用的研究进展和现状，1.1节概述了试验研究进展，1.2节概述了计算方法研究进展，1.3节概述了几个关键问题研究进展，1.4节概述了本书主要研究内容。 1.1试验研究进展概述 人类每次登月任务都会面临一系列重大问题与巨大挑战，发动机羽流与月壤颗粒的相互作用是登月任务首先面临的*关键和*严峻的挑战之一。我国嫦娥系列任务和美国历次阿波罗任务的无人登月或载人登月过程中普遍采用的都是软着陆。月球着陆器接近月表进行软着陆的过程中，羽流冲击到月球表面土壤，导致风化疏松的月表土壤的自然堆积状态遭到破坏，随着被破坏的月表土壤的喷射，向空中四处扩散，并在月球表面形成月坑。20世纪六七十年代，从阿波罗11号到阿波罗17号登月任务过程中都发现，在缓冲着陆阶段月壤颗粒都出现了明显的四处飞扬，而且喷射的月壤颗粒分布范围巨大，空中月壤颗粒浓度比较可观，造成能见度严重下降，宇航员视野明显受限。2013年，我国月球探测器嫦娥三号着陆过程中也清晰地看到月壤颗粒被喷射，造成能见度明显降低，无法观察到着陆月表的真实情况，如图1-1所示。 我们知道，月球没有大气层，空间环境高度真空，仅有少量气体分子存在，主要成分为氖、氦、氢和氩等。由于没有大气层，随着太阳的辐射，月球表面昼夜温差变化接近300K。同时，月球表面直接承受着月球内部地质活动与外部复杂空间环境的共同作用，形成了月表的高地、平原、盆地和环形山(即撞击坑)等特殊月表形貌特征。过去的四十几亿年间，太阳辐射与风化、陨石和微陨石撞击、大幅度昼夜温差变化导致岩石热胀冷缩破碎等物理过程，导致在月球表面广泛覆盖着厚度不一的月表土壤颗粒。月壤颗粒粒径相当微小，表面形状多而复杂，其中以次圆形、玻璃状、棱角状和次棱角状等为主，具有较大的比表面积，不同形状的颗粒之间易于相互联结在一起。月壤颗粒含有丰富的纳米金属铁和硅酸类物质，使得颗粒具有一定的磁性、较低的直流电导率和较低的介电损耗，具有上述特征的月壤颗粒极易积累并长时间保存电荷。月球表面环境的高度真空，使得联结在一起的月壤颗粒间没有吸附层气体的润滑作用，月壤颗粒更易于发生黏附和静电。也就说，月球表面的高真空、强电场、强辐射、大温差和低重力等极端环境，导致月壤颗粒的静电特性和黏附性非常高。航天设备的金属材料和复合材料均对月表环境的紫外辐射等具有不同程度的敏感度，当月壤颗粒靠近探测器时，两者表面产生感应电荷，使得月壤颗粒进一步增强了静电效应和黏附性。由于月壤颗粒的细密性、静电效应和黏附性，月壤颗粒黏附在各种探月设备的表层，覆盖在光学仪器的表面及宇航员的宇航服上，对正常的探测活动造成了极为不利的影响。美国勘测者3号被发现其表面被大量月尘颗粒所覆盖，而且表面受到月尘颗粒的严重磨损而产生很多小坑。因此，着陆器软着陆过程中发动机羽流激起的月壤颗粒四处飞扬和月壤颗粒的高速运动，加剧了对航天探测器设备表面和敏感仪器的各种严峻挑战和严重危险。 目前，月壤颗粒与发动机羽流的相互作用问题的研究主要分为试验研究和数值计算两个方面。我们知道，月球表面是高真空、强辐射和低重力的环境，在地球环境实现高真空和持续稳定的月球重力条件非常困难。因此，试验研究初期大多选择地面重力环境和非真空环境，采用与月壤物理性质较为接近的火山灰来模拟月壤材料。同时，采用喷射空气的管子模拟发动机喷出的羽流，通过高速摄像机记录试验现象，分析火山灰颗粒的分布规律和形成坑洞的尺寸，如图1-2所示。后期，试验研究进一步模拟了月壤堆积、不同角度的气流喷射等条件下月壤颗粒与发动机羽流的相互作用。 为了更加精确地模拟月球表面的高真空和低重力环境，研究人员在航天飞机返回地球的过程中，利用失重条件进行模拟试验。小型密封的真空罐试验装置如图1-3所示，装置顶部是喷口装置，装置底部均匀铺设火山灰模拟月壤颗粒，利用航天飞机返回地球过程中重力的变化得到一系列与重力有关的试验数据。但是，该试验过程比较短暂，试验装置的体积很有限，试验结果具有一定局限性。 图1-3航天飞机返回地球过程中小型密封的真空罐试验装置20世纪六七十年代的历次阿波罗登月任务保留了一些真实的实测数据，以及阿波罗登月软着陆过程的照片和录像等。研究人员基于着陆器和宇航员登陆月表的实测数据，通过光学原理，分析了发动机羽流侵蚀月壤形成月坑的大小和月壤颗粒被喷射在空中的分布情况，如图1-4所示。结合着陆器高度、太阳光照情况以及相机角度，对影像资料中的阴影拉长现象进行分析，得到了月壤颗粒的喷射角度；通过光度变化确定了月壤颗粒的负载密度、月坑边缘侵蚀程度以及发动机喷射角度的影响等。 总之，由于地面试验条件的各种限制，月壤颗粒与羽流场相互作用的试验研究不太多，目前试验研究缺乏有力的支撑数据或者充分可靠的试验结果。但是，人类历次登月任务的实测结果是目前有效和可靠的重要参考数据。 1.2计算方法研究进展概述 由于地球重力和低真空环境限制，地面试验的研究具有很大的局限性，月壤颗粒与发动机羽流相互作用的计算方法研究逐渐成为相对重要的研究手段之一。 1991年，基于月球勘测者3号和阿波罗12号着陆数据，Katzan等采用正态分布函数统计方法分析了月球着陆器在月球表面着陆或升起时发动机羽流对月壤颗粒的侵蚀作用，计算了距离发动机喷口不同位置月壤颗粒的分布情况，估算了被喷射的月壤颗粒对设备可能造成的影响。该方法假设月壤颗粒速度满足正态分布函数： (1-1)其中，Nt为总月壤颗粒数，σ和为待定速度参数。以勘测者3号的采样结果作为样本逼近的目标函数，假设多数月壤颗粒的速度分布在40～100m/s，速度平均值取为。总月壤颗粒数Nt通过一段时间内着陆器在月球表面侵蚀月壤形成月坑的体积计算得到，月坑的体积乘以月壤颗粒的密度得到被侵蚀的月壤颗粒质量总和，月壤颗粒质量总和除以月壤颗粒的平均质量，得到被喷射的月壤颗粒总数。*后，根据实际观测结果对相应变量进行修正，估算出月球着陆器在月球表面着陆或升起时月壤颗粒的分布趋势。 2007年和2011年，王淑彦等和陆鑫等提出了二维和三维颗粒离散元方法(discrete element method，DEM)研究着陆器着陆时月壤颗粒与着陆器的相互作用。如图1-5所示，将月球着陆器模拟为拱形体，将月壤颗粒运动看作颗粒悬浮运动以及颗粒之间碰撞的共同结果，假设月壤颗粒的运动过程满足颗粒动力学，颗粒之间的碰撞过程满足颗粒碰撞动力学。通过模拟拱形体的下落过程和月壤颗粒的运动，分析了月壤颗粒被喷射的高度和颗粒材料性质对月壤颗粒分布的影响。 月球表面真空环境下发动机羽流场中连续流场、过渡流场和不连续流场同时存在。对于连续流场，发动机喷口气体的流动特性符合Navier-Stokes方程，采用计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)计算流场合理而有效。 对于过渡流场和不连续流场，采用直接模拟蒙特卡罗(direct simulation Monte Carlo，DSMC)方法准确而有效。2008年，Lane等采用DSMC和粒子轨迹模型(particle trajectory model，PTM)耦合的方法，研究了月壤颗粒在高速气体分子作用下的运动轨迹。分别采用CFD方法和DSMC方法计算了羽流的密度、速度场和温度场，给出了月壤颗粒满足的控制方程，结合PTM方法求解月壤运动轨迹。结果表明，月壤颗粒直径越小，CFD方法和DSMC方法得到的月壤颗粒速度差别越大；月壤颗粒越大，两种方法得到的月壤颗粒速度差别越小。2010年，Marichalar等基于DSMC方法分析了月球着陆器下降过程中发动机羽流对月壤颗粒的冲击，给出了羽流场特性，计算了羽流场对月球表面的压力和剪力，讨论了羽流效应对月壤颗粒运动的影响因素。同年，Morris等[44]将月壤颗粒假设为气体分子，通过气体分子之间的碰撞原理分析月壤颗粒与羽流的相互作用，整个羽流场的计算区域划分如图1-6所示。2011年，Morris等基于连续假设的Navier-Stokes方程求解器DPLR(data parallel line relaxation)，结合DSMC方法分析了发动机喷口形状对羽流场的影响。同时，分析了羽流场对月表颗粒的冲击作用，引用Roberts理论计算了羽流侵蚀的月壤颗粒的数量和气体分子碰撞月壤颗粒的加速运动。2011年，Liever等提出了一种新的统一流场求解器(unified flow solver，UFS)，该方法中近场的连续流场采用CFD求解器，远场的稀薄流场使用玻尔兹曼(Boltzmann)求解器。通过该方法分析了羽流场以及羽流场对月表的压应力和剪应力，并对计算结果进行了验证。2012年，Liever等进一步引入拉格朗日颗粒跟踪法和碰撞模型分析月壤颗粒运动。同时，对阿波罗登月舱和牵牛星着陆器进行了三维全尺寸模拟，讨论了发动机喷出的高速羽流对月表撞击形成的月坑，以及喷射的月壤颗粒向远场输运的结果。2011年起，蔡国飙等采用DSMC方法计算发动机羽流与月壤颗粒的相互作用。通过DSMC方法计算发动机羽流场气体的速度、密度、温度和压强等，并将月壤颗粒也假设成一类气体分子，使月壤颗粒的气体分子与月壤颗粒