月球探测器表面月尘光电清除系统

摘要

月球探测器表面月尘光电清除系统，它涉及在太空中清除月面探测器表面粘附月尘的系统，以解决传统设备清除月尘效果差以及采用电帘除尘存在透光性差、需附加增压设备，电帘除尘的效率受限的问题，它包括月面紫外日光提取装置、铁电陶瓷光电发生器、除尘电极运动机构和除尘电极；月面紫外日光提取装置包括螺纹透镜和紫外透过滤光片；螺纹透镜、紫外透过滤光片和铁电陶瓷光电发生器顺着光射方向依次设置；除尘电极运动机构的输出端连接除尘电极，除尘电极位于月球探测器的上方，铁电陶瓷光电发生器的正极通过导线与除尘电极连接，铁电陶瓷光电发生器的负极通过导线与月球探测器表面镀有的导电薄膜连接。本发明用于月球探测器表面除尘。

说明书

技术领域

本发明涉及在太空中清除月面探测器表面粘附月尘的系统，属于月尘清除技术领 域。

背景技术

月尘粒度较细，极易带电，且具有粘性和研磨性，容易积累在敏感的电力部件(诸 如光电阵列)和散热器的表面，降低其性能。目前，清除累积月尘的措施主要是依靠特制的 刷子，以及真空清洁器等。由于大多数方法清除效果有限，如何有效防止月尘在敏感表面的 沉积成为解决粉尘干扰问题的重要手段。目前国内外学者在众多方案中比较推荐的方法是 电帘除尘。

采用电帘除尘主要存在以下问题：

1、采用电帘除尘需将电帘平铺在除尘表面上，当将电帘应用到太阳电池翼或光学 镜头上时，电帘的透光性是一个问题。Rajesh的试验结果表明，利用ITO电帘后太阳电池的 短路电流和最大功率都下降了15％左右。

2、电帘需航天器的太阳电池供电，并附加增压设备。

3、电帘除尘的效率受电压幅值和频率、电极宽度和间距以及月尘累积质量等很多 因素的影响，因此电帘工作的最佳条件需依赖地面的试验结果，很难做到实时调节。

发明内容

本发明为解决传统设备清除月尘效果差以及采用电帘除尘存在透光性差、需附加 增压设备，电帘除尘的效率受限的问题，进而提供一种月球探测器表面月尘光电清除系统。

本发明为解决上述问题而采用的技术方案是：本发明的月球探测器表面月尘光电 清除系统包括月面紫外日光提取装置、铁电陶瓷光电发生器、除尘电极运动机构和除尘电 极；

月面紫外日光提取装置与月球探测器连接，月面紫外日光提取装置包括螺纹透镜 和紫外透过滤光片；螺纹透镜、紫外透过滤光片和铁电陶瓷光电发生器顺着光射方向依次 设置；

除尘电极运动机构的输出端连接除尘电极，除尘电极位于月球探测器的上方，铁 电陶瓷光电发生器通过导线与除尘电极连接，铁电陶瓷光电发生器通过导线与月球探测器 表面镀有的导电薄膜连接，除尘电极运动机构能控制除尘电极在月球探测器上方实现X轴、 y轴和z轴方向运动。

本发明的有益效果是：本发明提出以太阳光中分离出的紫外光为触发，利用铁电 陶瓷光电发生器的反常光生伏打效应主动清除粘附月尘的新技术，其能源动力来自于月面 太阳能，不需附加增压设备，铁电陶瓷光电发生器本身体积小、质量轻，符合航空、航天轻质 化的要求。本发明系统利用月面阳光中的紫外光触发铁电陶瓷光电发生器光电压发生器产 生光电压，对月尘颗粒施加电场力以克服月尘颗粒与探测器表面间的粘附力及月尘重力， 达到清除月尘的目的。该系统直接利用月面阳光中分离出的紫外光触发铁电陶瓷制成的电 极板产生高压，无需附加升压设备，且除尘效率高。除尘效率可高达95％以上。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为从月球探测器方向看的除尘电极运动机构结构示意图；

图3为从基座方向看的除尘电极运动机构结构示意图；

图4为镧改性锆钛酸铅陶瓷光电发生器极化处理后得到矩形平板结构示意图；

图5为月尘颗粒在除尘电极和月球探测器之间受力分析图；

图6为本发明光电清除系统等效电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图6说明，本实施方式的月球探测器表面月尘光电清除 系统，它包括月面紫外日光提取装置1、铁电陶瓷光电发生器2、除尘电极运动机构3和除尘 电极4；

月面紫外日光提取装置1与月球探测器5连接，月面紫外日光提取装置1包括螺纹 透镜1-1和紫外透过滤光片1-2；螺纹透镜1-1、紫外透过滤光片1-2和铁电陶瓷光电发生器2 顺着光射方向依次设置；

除尘电极运动机构3的输出端连接除尘电极4，除尘电极4位于月球探测器5的上 方，铁电陶瓷光电发生器2通过导线6与除尘电极4连接，铁电陶瓷光电发生器2通过导线6与 月球探测器5表面镀有的导电薄膜连接，除尘电极运动机构3能控制除尘电极4在月球探测 器5上方实现X轴、y轴和z轴方向运动。

本实施方式的螺纹透镜为菲涅尔透镜。

铁电陶瓷光电发生器2的正极通过导线6与除尘电极4或月球探测器5表面镀有的 导电薄膜连接，铁电陶瓷光电发生器2的负极通过导线6与月球探测器5表面镀有的导电薄 膜或除尘电极4连接。图1中箭头方向表示光射方向。除尘电极4与月球探测器5表面有一定 间距以构成电容器。

具体实施方式二：本实施方式的紫外透过滤光片1-2为紫外光波长为365±20nm的 窄带滤光片。本实施方式采用菲涅尔透镜对太阳光进行聚焦，再利用365nm±20nm的窄带滤 光片获得铁电陶瓷光电方法生器的触发光源。光斑半径为21mm,紫外光波长为365nm± 20nm，光斑光照强度为300mW/cm²-600mW/cm²。根据ASTM的太空环境数据，光照度为E_λ＝ 1.152W/m²×nm^-1；接受器为面积为S_P＝π×21²mm²,其目标照度为E_p＝6kW/m²。设聚光器口径 面积为S_c，光源宽度为Δλ，聚光器转换效率为T，由入射能量与出射能量守恒可得：E_λ×Δλ ×S_c×T＝E×S_P；在这里设365光源透过宽度为Δλ＝40nm，转换效率为0.81，代入数据可得： 菲涅尔透镜面积S_c＝0.257m²，则半径r＝0.286m。

具体实施方式三：结合图4说明，本实施方式的铁电陶瓷光电发生器2的铁电陶瓷 采用镧改性锆钛酸铅陶瓷(PLZT)；铁电陶瓷光电发生器2是由镧改性锆钛酸铅陶瓷经高温 高压极化后切割成的沿长度方向极化并沿极化方向两端面镀铜制作而成的矩形平板。如此 设置，镧改性锆钛酸铅陶瓷具有反常光生伏打效应，能主动清除粘附的月尘。其能源动力来 自于月面太阳能，不需附加增压设备。图4中竖向箭头表示高能紫外光，水平箭头表示铁电 陶瓷或镧改性锆钛酸铅陶瓷极化方向。

具体实施方式四：结合图4说明，本实施方式的除尘电极4由导体材料铝或铜制成。 如此设置，材料易得，使用方便可靠。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式的矩形平板的尺寸为：长度为15mm，宽度为5mm，高度 为1mm。如此设置，能产生高达数千伏电压，满足实际需要。其它与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式的除尘电极4为矩形板、棒或空心壳体。如此设置，如 图1-图3所示为矩形板状除尘电极，矩形板表面积适中，满足月球探测器不同表面除尘需 要。其它与具体实施方式一、二、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1-图3说明，本实施方式的除尘电极运动机构3包括基座 3-1、基板3-2、第一电机3-3、第二电机3-4、第三电机3-5、第四电机3-6、第五电机3-7、第六 电机3-8、第一带传动机构3-9、第二带传动机构3-10、第一连杆3-11、第二连杆3-12、第一支 架3-13和第二支架3-14；

基座3-1的上部设置有第一带传动机构3-9，第一带传动机构3-9的一个带轮与安 装在基座3-1上的第一电机3-3的输出轴连接，第一带传动机构3-9的另一个带轮上固装基 板3-2，基板3-2上相对设置有第二电机3-4和第三电机3-5；第二电机3-4的输出轴连接第一 连杆3-11的一端，第一连杆3-11的另一端连接第一支架3-13，第二带传动机构3-10的一个 带轮与第三电机3-5的输出轴连接，第二带传动机构3-10的另一个带轮的轮轴与第一支架 3-13连接；第一支架3-13上安装有第四电机3-6，第四电机3-6的输出轴连接第二连杆3-12， 第四电机3-6的轴向与第二连杆3-12的长度方向平行，第二连杆3-12连接第五电机3-7，第 五电机3-7的输出轴连接直角减速器的输入端，直角减速器的输出端连接第二支架3-14，第 二支架3-14上固装有第六电机3-8，第六电机3-8的输出轴连接除尘电极4。

本实施方式的除尘电极运动机构采用经典6自由度机械臂结构，通过6个旋转关节 实现除尘电极在空间任意姿态的任意运动。该机械臂共6个旋转关节，关节的机构如图2和 图3所示；每个关节由1个步进电机驱动，各个步进电机的位置如图2和图3所示。

除尘电极的运动分析如下：

(1)如图2和图3所示，采用平板式的除尘电极，通过对第二电机3-4、第三电机3-5 和第五电机3-7的协调控制，可以实现沿y轴和Z轴的直线运动；通过对第一电机3-3、第二电 机3-4、第三电机3-5和第五电机3-7的协调控制，可以实现除尘电极沿x轴、y轴和z轴的运 动。当关节5的角度控制合理，也可以实现在任意月球探测器表面上的直线运动。图2中箭头 方向表示旋转方向。

(2)另外，该除尘电极可以采用球壳形，为扩大除尘电极的表面积，可以通过对6个 步进电机协调控制，实现球形除尘电极多角度在工作台上按规定轨迹运行。其它与具体实 施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2-图3说明，本实施方式的第一电机3-3、第二电机3-4、第 三电机3-5、第四电机3-6、第五电机3-7和第六电机3-8均为步进电机；第二带传动机构3-10 的传动带为同步齿形带。如此设置，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于 脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，低速时可以正常运转，满足设计要求和 实际需要。同步齿形带质量轻，使用伸小，耐油耐磨性好，可实现同步传动。其它与具体实施 方式七相同。

工作原理

通过分离-聚焦月面太阳光中的紫外光(中心波长365nm±20nm)照射在铁电陶瓷 光电发生器(镧改性锆钛酸铅陶瓷光电发生器)表面上，铁电陶瓷光电发生器(镧改性锆钛 酸铅陶瓷光电发生器)两电极表面间沿剩余极化方向产生高达数千伏的电压，利用导线将 铁电陶瓷制成的电极板的一个极表面与除尘电极4相连，在月球控测器5表面镀一层透明导 电薄膜，将铁电陶瓷制成的电极板的另一个极表面与月球控测器5表面的导电薄膜相连；当 将除尘电极4靠近带有月尘的探测器表面(约1－1.5mm)时，除尘电极4与月球探测器5表面 构成了一平行板电容器，月尘在除尘电极4和被除尘表面间的受力情况如图5所示。

(1)重力

月球表面的重力加速度约地球表面的1/6。重力计算公式为：

式中V——月尘颗粒体积；

g_月——月球上重力加速度；

ρ——月尘颗粒密度。

(2)粘附力范德华力(粘附力)是月尘球形颗粒7粘附月球探测器表面最主要的束 缚因素，月尘粒径小，比面积大，使得月尘与附着表面的范德华力十分显著。球形颗粒7对无 限大表面的粘附力近似表达式为：

$F_{VDW}=\frac{Ar}{12S^2}$

式中F_VDW——范德华力；

S——颗粒与平面原子间最小间距，通常取S＝4×10^-10m；

A——哈梅克常数，取1-15×10^-19J；

r——月尘颗粒半径；

(3)电场力电场力是除尘的主要作用力，它使月尘在除尘电极和被除尘表面之间 跳动，随着除尘电极的移动，时月尘做有规律的运动，达到类似于刷子清扫的效果，电场力 计算公式为：

F_电＝qE

式中F_电——电场力；

q——月尘电荷量；

E——电场强度。

这时相当于铁电陶瓷或镧改性锆钛酸铅陶瓷制成的电极板与此电容器并联，由于 铁电陶瓷或镧改性锆钛酸铅陶瓷在多能场耦合作用下产生光电压的过程是一个对光照时 间动态响应的过程，可以等效为一个电流源与电容和等效光电阻并联的回路，因此当铁电 陶瓷或镧改性锆钛酸铅陶瓷两电极表面分别与除尘电极及待除尘表面的导电薄膜连接时， 相当于等效电路如图6所示。

月尘粒子在除尘过程中除尘电极和被除尘表面间的电压公式和受到的电场力公 式分别为：

式中V_p——光电发生器两电极表面间产生的电压；

q——月尘电荷量；

C₁——光电发生器的电容；

C₂——除尘电极与除尘表面形成的等效电容；

d——除尘电极与除尘表面间的距离。

根据前边对月尘粒子运动分析可知，如果月尘粒子能够起跳，就可以被除去。而起 跳的主要阻力就是月球引力和范德华力。所以铁电陶瓷或镧改性锆钛酸铅陶瓷的光电除尘 工作的临界条件如下：

式中V_p——光电发生器两电极表面间产生的电压；

q——月尘电荷量；

C₁——光电发生器的电容；

C₂——除尘电极与除尘表面形成的等效电容；

d——除尘电极与除尘表面间的距离；

S——颗粒与平面原子间最小间距，通常取S＝4×10^-10m；

A——哈梅克常数，取1-15×10^-19J；

r——月尘颗粒半径。