月球尘埃如何影响航天器？研究人员揭示静电作用机理。

在阿波罗号宇航员在月球上发现了一个意想不到的敌人。他们活动扬起的细小尘埃，在静电的作用下，会覆盖所有东西。这些尘埃会渗入密封件，刮伤面罩，即使用力擦拭也无法清除。

尤金·塞尔南将其描述为月球作业中最令人恼火的问题之一。随着人类准备携日益精密的设备重返月球，解决月尘问题变得至关重要。

来自北京理工大学、中国空间技术研究院和中国科学院的研究人员现在开发了一种详细的理论模型，可以精确地解释带电尘埃粒子在低速碰撞期间如何与航天器表面相互作用。

挑战始于月球恶劣的环境。在向阳面，强烈的太阳紫外线和X射线辐射会剥离航天器和月球表面的电子，使它们带正电。这会在月球表面上方形成一层光电子鞘。而在背阳面，航天器和月壤则会从周围的等离子体中收集电子，自身带负电，形成所谓的德拜鞘。太阳风则进一步增加了复杂性，它不断地将带电粒子吹拂到所有物体表面。

在这种电活性环境中，尘埃颗粒自身会带电，并在接近航天器时受到三种不同的静电力作用。电场力作用于颗粒的表面电荷，根据电荷的异性（吸引）或同性（排斥），将颗粒拉向航天器或将其推离航天器。

介电泳力的产生是因为尘埃粒子会扭曲其周围不均匀的电场，从而产生向电场强度更强区域的吸引力，而与粒子的电荷无关。镜像力则产生于接近的带电粒子在航天器导电表面上产生相反电荷时，类似于气球吸附在墙上的原理，从而产生额外的吸引力。

研究人员的模型以精细的数学方法处理了这些静电相互作用，但也认识到一旦接触开始，其他力就会占据主导地位。当尘埃颗粒撞击航天器涂层时，表面分子间的粘附范德华力会成为主要作用力，尤其是在月球作业期间常见的低速撞击中。

月球风化层特写

碰撞过程分为三个阶段。首先是粘附弹性加载阶段，此时颗粒被压缩并紧贴涂层，表面间的吸引力逐渐增强。如果冲击能量足够大，涂层开始变形，材料屈服时能量会耗散。最后，在卸载阶段，颗粒要么弹开，要么粘附在涂层上，这取决于碰撞速度是否在临界范围内。

该模型揭示了几个实用见解。高厚度、低介电常数（存储电荷的能力）的介电涂层可以显著降低带电尘埃与航天器之间的静电吸引力。在决定静电力强度方面，粒子的表面电荷密度比航天器的电势更为重要。令人惊讶的是，对于电荷密度低于每平方米0.1毫库仑的典型粒子，在实际接触过程中，粘附的范德华力会压倒静电效应。

这项研究对任务规划人员来说或许最有价值，它表明，采用低表面能材料和粗糙纹理制成的涂层可以显著降低粉尘附着力。较大的颗粒往往具有更高的恢复系数，这意味着它们更容易弹开而不是附着。此外，带负电荷的颗粒存在一个临界速度范围，在该范围内会发生附着；速度过慢或过快的撞击都会导致颗粒逸出。

这种新模型可以预测尘埃积聚模式，指导表面涂层的选择，并有助于优化除尘系统。

随着登月任务规模越来越大、持续时间越来越长，解决月球尘埃这个棘手的问题已从令人烦恼的小事变成了运行中的必要环节。