0 引言
近年来，月尘的带电特性引起了人们的广泛关注。月尘是由极其微小的颗粒组成，具有带电特性和静电黏附性。这些特性使得月尘在探测器着陆、月球车行驶和人类活动过程中极易被激扬，形成覆盖广泛的扬尘云。月尘污染不仅会对航天器和设备造成磨损，影响其性能，还会对宇航员的安全构成威胁。近期的嫦娥工程也同样面临月尘污染的问题，进一步凸显了这一研究领域的紧迫性。
为应对这些挑战，国内外研究人员提出了多种防尘、控尘和除尘技术，包括表面改性、电磁力除尘和机械力除尘等方法。然而，这些技术的应用仍然面临诸多挑战，特别是它们在月球极端环境下的有效性和长期稳定性。因此，深入研究月尘的特性及其防控技术，不仅对未来的月面探测任务至关重要，还将为更广泛的行星探测活动提供技术支持。
本文将系统探讨月尘的物理化学和电学特性，总结相关的污染案例，并评估现有月尘防控策略的有效性，旨在为未来的月球探测任务提供理论和技术支持。
1 月尘特性分析
1.1 月尘颗粒物化特性
在月球的演变过程中，月尘的构成相当复杂，主要包含晶质颗粒，以及火成岩的大碎块、剥离质的小碎片和金属微粒。月尘实际上是月球表面风化层中的超微成分，其粒径普遍小于1 mm。月海区域的风化层厚度在4~5 m之间。相较之下，高地的风化层则更深，平均深度可达10~15 m。根据采集到的月壤样品的研究统计，其粒径的中位数为40~130 μm，而平均粒径为70μm。值得注意的是，小于20 μm的月尘颗粒在重量上占据了整体的10%到20%[1]。表1 对比了阿波罗样品和嫦娥五号样品的物理性质差异。
表 1 阿波罗样品与嫦娥五号样品物理性质Table 1 Physical properties of Apollo and Chang'e-5 samples |
| 物理参数 | 阿波罗样品[2] | 嫦娥五号样品[3] |
| 等效粒径 | 24~429 μm | 1.40~9.35 μm （平均3.96 μm，95%质量分数） 4.84~432.27 μm （平均49.80 μm，95%质量分数） |
| 中值粒径 | 28~493 μm | 52.54~55.24 μm |
| 众态质量 | —— | 0.0036~0.8304 ng （平均0.5567 ng） |
| 颗粒圆度 | —— | 0.875 |
| 体积密度 | —— | 1.24 g/cm3 |
| 真实密度 | 2.9~3.44 g/cm3 | 3.20 g/cm3 |
| 比表面积 | 0.020.78 m2/g | 0.56 m2/g |
| 孔隙度 | 40%~85% | —— |
| 压缩指数 | 0.05（致密），0.3（疏松） | —— |
| 内聚力 | 0.1~4.9 kPa | —— |
| 摩擦角 | 42 °~ 46° | 53°~56°[4] |
| 渗透率 | 1 × 10−12~7 × 10−12 m2 | —— |
| 热导率 | 8.0 × 10−4 W/(m·K) | —— |
| 热扩散系数 | 0.3~2.5×10−4 cm2/s | —— |
| 比热容 | 0.05~0.21 J/（g·K） | —— |
| 损耗角正切 | 3.3 × 10−3~1.79 × 10−2 | 0.012~0.016[5] |
| 介电常数 | 2.5~3.4 | 2.8~4.04[5] |
| 体积介电常数 | 1.3~5.5 | —— |
| 电导率 | 10−14 S/m（阴影区） | —— |
嫦娥五号月壤大多数分析的主要元素（Na、Mg、Al、K、Ca、Ti、Fe 和 Mn）都具有良好的相关性。嫦娥五号月壤中的稀土元素（REE）总体丰度与阿波罗12号任务采集的月壤样本中的稀土元素丰度具有相关性，并且其丰度高于除阿波罗14号样本外的多数其他月球土壤样本。在稀土元素的分布模式上，嫦娥五号月壤显示出较高的轻稀土元素（LREE）浓度，负铕（Eu）异常，以及相对较低的重稀土元素（HREE）浓度[3]的特征。
嫦娥五号样本表现出较高的辉石和较低的斜长石组成特征，典型的矿物组成特征为月海玄武岩，而非斜长岩和橄长岩。这表明嫦娥五号月壤主要由当地风化的玄武岩组成。嫦娥五号月壤中SiO2含量较低，仅为42.2%，但仍处于阿波罗月海玄武岩范围内（38%~48%）。与地球玄武岩相比，嫦娥五号月壤的SiO2含量明显较低，典型组分为超镁铁质岩石（SiO2 < 45%），而橄榄石含量远低于地球的苦橄玄武岩（25%~40%），这进一步区分了嫦娥五号月壤与地球玄武岩的差异。嫦娥五号月壤被分为低钛/低铝/低钾类型，FeO含量较高（22.5%），镁指数（Mg /（Mg + Fe）摩尔比）较低（33.6%），这种组成显著不同于阿波罗和月球任务中的月海玄武岩。相关的INAA结果显示，嫦娥五号月壤中的铀（1.41 ×10−4%）、钍（4.72 ×10−4%）和钾氧化物（0.19%）含量很低，远低于典型的KREEP玄武岩[3]。这表明嫦娥五号月壤不属于KREEP类型，尽管其稀土元素水平高于典型的月海玄武岩。这些发现凸显了嫦娥五号月壤与地球玄武岩及以往月球返回样品之间的显著化学差异。
大量的月球表面物理和化学（矿物）性质的信息都是通过分析遥感获取的紫外线/可见/红外数据得来的。研究人员运用了光度法、光谱学和偏振法等多种方法来深入探究月球表面的组成以及其物理、热学和力学性能。但值得注意的是，表面的反射率和发射率与上层风化层的孔隙度（厚度从几毫米到厘米不等）密切相关，而这一性质对于了解月球表面的特性至关重要。尽管相关研究已经获取了大量关于月球表面的数据，但在理解和量化风化层的具体结构和性质方面，目前仍然存在一定的局限性。Hapke和Sato等[6]通过比较返回的月球土壤样品的实验室反射率测量结果和月球表面的实际远程测量结果，估计孔隙度为75%~85%。如此高的孔隙率被认为是导致反对激增、热发射率的方向和月球风化层的热物理结构的原因。月球风化层由形状不规则的颗粒组成，其质量加权平均大小为50~200 μm。据推测，上层风化层非常高的孔隙度表现为复杂的三维结构，通常被称为“仙女城堡”结构（见图1 ）。该结构由高度倾斜的塔楼和树枝组成，由花边桥和飞扶壁等结构连接[7]。当微重力下带电的小颗粒可以由一两个接触稳定地支撑，而不是低孔隙度土壤所需的三个或更多接触支撑。一个5~10粒（粒径<1 mm）深的仙女城堡层将足以产生上述的光度和发射率现象[8]。
1.2 月尘颗粒带电特性
月球尘埃不导电，电子无法自由流动，因此在尘埃粒子表面会留下不均匀的电荷。在月表光照区，由于太阳辐射（尤其是紫外辐射）和太阳风与月壤上层风化层的相互作用，风化层表面会带正电，电位接近10 V。由于阴影区没有光电反应，月球表面形成了带电粒子层，其中电子的移动速度远超过离子速度。因此，月球阴影区的电荷逐渐积累为负电势，范围在−50 V~−100 V，这会使部分太阳风粒子返回太空。
在稳定状态下，这些电荷和风化层中的电场力可以超过重力和范德华力，使尘埃粒子上升并扩散至近百公里的高度，形成全球性立体的尘埃分布。在晨昏线处，等离子体鞘层复杂电场作用下，高密度尘埃云出现月尘喷泉和月表辉光等现象。月表尘埃云的密度约为5×105个/m3，同时这些尘埃粒子会积聚电荷，每秒大约有105个电子被探测到[9]。
月球表面长期受到太阳风和宇宙射线的轰击，造成了月尘独特的物化性质。其黏附特性主要源于范德华力和库仑力。范德华力，即粒子与接触界面间的分子相互作用力，主要由粒子的物理、化学性质所决定，可以被看作是粒子表面能的一种体现。据估算，月球尘埃粒子的表面能量在20~2000 mJ/m2的范围内波动。对于直径为10 μm的月尘，其范德华力的大小约为20~30 nN。在月球表面的高辐射环境中，月球尘埃粒子很容易通过光电发射、二次电子发射以及电荷积累等方式获得不同类型的电荷。这些带电粒子会通过库仑力与相反电荷的表面产生静电附着。
月球尘埃颗粒的静电黏附性强弱受到其组成、颗粒大小、颗粒形态以及电磁特性等多种因素的影响。静电黏附性来源方式主要有以下四种。
（1）附着带电[10]：附着电荷是一种常见的月尘带电现象。在太阳风和高能粒子的持续影响下，光照区域的尘埃颗粒会释放电子，这些电子随后会在阴暗区域的尘埃颗粒表面附着，导致这些颗粒积累电荷。
（2）二次电子发射带电[11]：高能粒子流袭击颗粒表面，发出二次电子，月尘颗粒失去电荷并呈现正电性。而阴影区的尘埃颗粒则是在二次电子发射与初级电子吸附共同作用下，使其呈现带负电的电荷状态。
（3）光电效应带电[12]：颗粒的光电效应带电主要是由于颗粒内部的电子会吸收光子的能量。当所吸收的能量足够大时，这些电子便能克服原子核的束缚，从月尘颗粒的表面逸出，成为自由的光电子。由于失去了电子，月尘颗粒整体会呈现正电性。
（4）摩擦带电[13]：颗粒在摩擦撞击中会失去或得到电子。束缚力弱的颗粒因为失去电子带正电，而束缚力强的颗粒会吸收电子带负电。相关实验发现，小的颗粒更易带负电，而大型颗粒倾向于带正电。月尘的带电特性在月球独特的环境下还会产生两种独特的自然现象：地平线辉光（见图2 ）和月尘喷泉。月面明暗交界处的地平线辉光是由于直径为5~6 μm的悬浮月尘颗粒对阳光的散射而形成的。研究显示，微流星轰击不足以产生如此明亮的辉光，因此推测电荷作用是导致月尘悬浮的主要原因[14]。月尘喷泉是月尘埃颗粒在太阳风的作用下进行充电，获得足够电量克服重力和粘附力，月尘颗粒即离开月表在月表近电场中加速运动，飞离德拜半径后在重力作用下做抛物线运动返回月表。由静电驱动的亚微米带电尘埃颗粒可达到月球表面100 km以上的高度。静态悬浮模型非常适用于靠近月表的较重的微米级颗粒，动态喷泉模型最适合解释极轻颗粒在高空的存在[15]。
2 月尘污染与防控案例
无论是自然过程还是人为因素造成的月尘污染问题可归类为（见图3 ）：（1）细碎颗粒极易发生渗透，导致密封失效。（2）附着力强，对非金属的表面能可以达到上千帕，粘在设备上很难清理，造成运动机构卡死、控制时“过冲”、散热器失效、宇航服纤维破损等后果。（3）相对光透过率低，阻碍太阳光的辐照，导致被附着的光学表面和太阳电池性能下降。当月尘累积质量达到3 mg/cm2时，光透过率已下降约50%。（4）尖锐表面意味着磨蚀性强，若吸入人体肺部，则会产生不可逆的健康损伤。（5）带电月尘被扬起，导致着陆器测速雷达误判、摄影系统成像模糊、精密元器件被击穿等干扰。
以下为阿波罗计划和嫦娥探月工程中相关月尘污染记录和防控案例，并根据不同部件的污染问题分类讨论。
2.1 成像系统
2.2 散热系统
2.3 生命保障系统
生命保障系统在月球探测任务中直接关系到宇航员的安全，据相关报告表明，宇航服是受带电月尘影响最严重的部分。阿波罗12号任务曾有过宇航员太空服因月尘附着而严重磨损的公开报告[19]。
在阿波罗15号任务中，如何解决月尘污染带来的危害成为需要解决的关键科学问题。在阿波罗15号任务中，月球着陆器在接近月表进行软着陆过程中，发动机喷出的羽流在真空环境中迅速扩散，并冲击到月球表面的风化疏松月壤颗粒，导致大量颗粒四处飞扬。这些飞扬的月壤颗粒数量巨大，严重降低了能见度，限制了着陆器和航天员的视野。同时，这些悬浮的月尘颗粒易附着在物体表面，引起敏感设备和元器件的磨损与失效。甚至有些悬浮颗粒进入航天器和航天服内部，对探测活动和航天员的行动造成严重影响[20]。另外，月尘的渗透能力也对宇航员的生命构成潜在威胁，有宇航员曾吸入月尘颗粒并出现健康问题。体检结果显示，这些细微的月尘颗粒对肺部和心血管系统尤其有害，对肺部的影响尤为显著[21]。因此，月尘颗粒污染对着陆器的着陆稳定性和航天员的安全构成重大挑战，需要解决发动机羽流与月壤颗粒相互作用的关键科学问题，特别是在无人登月和载人登月任务中。
在阿波罗17号登月任务中，一位宇航员的面罩被月尘颗粒刮坏，以致多个方向无法被观察。此外，在阿波罗17号探测任务后续的钻探实验过程中，宇航员的手套被月尘严重磨损，在实验时不得不抛弃破损的手套[23]。
2.4 测控系统
测控系统为月球探测任务提供了基础的通信和控制手段，确保探测器能够完成任务并将宝贵的数据传回地球，但是敏感的测量器件更容易受到月尘的影响。
阿波罗15号任务中，测速雷达在最后9.14 m受到月尘运动的干扰，影响了任务的进行。阿波罗16号任务中，月尘黏附性着使被动月震仪和宇宙射线监测器的温度上升，严重影响仪器性能。此外，真空吸尘器因月尘吸附而堵塞损坏，无法正常运作。在月球表面的超高真空环境中，月尘沉积密度高且静电黏附强，进一步加剧了月尘颗粒对设备的影响[22]。
根据嫦娥三号着陆器携带的月球尘埃分析仪，嫦娥三号着陆区的尘埃活动最大高度约为28 cm。在“嫦娥三号”的构造中，特别注意了与月球表面潜在的电位差问题，并配备了地线系统以应对。探测器在设计时未包含任何露在外的高压元件，以避免因月尘的电荷影响设备功能。因此，在整个开发阶段，电荷的问题并没有被考虑为主要障碍。此外，从软着陆到巡视探测期间，如推力变化的发动机排气、缓冲机构着陆影响以及探测车行走时对月面的搅动等人为因素，都在一定程度上对月面条件造成了干扰。这些过程共同导致了约1.13 mg/cm2的尘埃积累。由探测器自身导致的月尘激扬因素中，发动机燃气流的影响最大，着陆冲击次之，巡视探测器移动的影响最弱[24]。根据侵蚀模型估算，嫦娥四号降落过程中扬起的月尘约213 kg，相应的月壤侵蚀深度可达0.6 cm（该位置离喷口约1 m）[25]。研究发现，嫦娥四号着陆器发动机喷口高度为0.6 m时，尘埃最大发射角大于7°。
嫦娥五号着陆上升组合体距离月面较近时，主发动机会激起月尘，容易触发月尘污染星敏感器，从而影响上升器后续的月面起飞。为了不让月尘盖住探头，可以在距离月面一定高度时把星敏感器的镜头盖起来，待落月之后月尘散去，再通知星敏感器把盖子打开[26]。
3 月尘防控研究现状
带电月尘的危害与其性质和粉尘运输过程密切相关。颗粒大小和纳米铁组成等因素决定了月尘颗粒的黏附性和静电性能，以及生物毒性。此外，在着陆或月球表面探测活动期间的人为干扰和长期的自然静电尘埃运输都在月球表面附近创造了一个独特的尘埃环境，加剧了对航天器性能和宇航员安全影响的风险。因此，为了减少月球表面对探测任务的负面作用，国内外研究者提出了多种防尘和清洁科学方法，包括喷射、振动、擦拭、增加保护层、表面带电和交替电场等多种策略[29]。这些策略大致可以分为被动方案和主动方案两类。
3.1 被动方案
被动方案主要以表面改性为主。表面改性的研究是通过深入研究月尘与各类功能表面的黏附机理，再剖析附着原理后通过对表面的多方位研究使其黏附的作用力（主要是范德华力和静电力）减弱，从而达到月尘颗粒防护的目的。
针对月尘颗粒的防护，一般利用涂层涂覆的方法降低表面能达到减少摩擦、抗黏附的目的。涂层涂覆方法利用水汽固化、凝结液滴的自跳效应等制备纳米粗糙度的疏尘表面，利用离子刻蚀法、溶胶-凝胶法、电化学法、相分离法等制备具有微纳结构及低表面能的表面。典型应用包括基于荷叶防水原理的Lotus涂层[30]、基于热毛细效应的WFM涂层[31]，以及热降解样品TDS涂层[32]等。研究人员选用高强度材料作为基底，其中聚酰亚胺因其机械强度优异、电性能良好、耐高温、抗辐射等特点受到广泛关注。Gotlib-Vainstein等[33]采用液相沉积法在Kapton基材上涂覆了SnO2，发现该涂层有效阻止了原子氧的侵蚀，并减少了静电放电。通过多种技术制作特殊涂层或增加表面粗糙度，这些措施被用于设备表面以增强防尘效果。Chen等[34]使用聚乙烯亚胺(PEI)与戊二醛(GA)交联，对经碱处理的聚酰亚胺膜进行改性，获得了一种具有金属化表面的薄膜。这种薄膜与铜层紧密结合，具有较低的电阻率，且附着牢固。Quan和Zhang[35]的研究表明，覆盖在太阳能电池上的高透光疏水性涂层能显著降低月尘颗粒与表面的黏附力（见图4 ），使灰尘通过机械振动更容易被去除。此外，还可以利用可伸缩制造工序的玻璃基板制造自清洁疏水纳米涂层(SCHN)[36]。经过处理，涂层的黏附性显著下降，同时能在一定程度上抵抗盐分、酸性和碱性物质的侵蚀，并且具有优异的耐磨性和适中的热分解温度。这种涂层不仅可以用于太阳能电池板的自清洁功能，还能在金属结构的防腐蚀保护中派上用场，同时满足防污要求[37]。使用改性后的材料作为探测设备表面涂层，其低表面能的特性使接触表面对月尘颗粒的粘附作用小，可以减小尘埃对设备的附着力，进而减小尘埃对设备的危害。
3.2 主动方案
主动方案主要通过施加外界驱动力使得黏附月尘脱离设备表面，目前根据除尘原理大致可以归类为以机械力、流体冲击力和电磁力为主的除尘方案。
阿波罗任务中最早采用的除尘策略是尼龙毛刷。但应用尼龙毛刷进行实验时，实验表面有许多明显的划伤，并且表面上依旧残留一层月尘颗粒。基于流体冲击力的除尘手段目前研究较少，该方法主要是利用低温液体的莱顿弗罗斯特效应来清洁表面灰尘，也适用于气闸环境中的宇航服清洁。实验结果表明，在大气条件下使用液氮喷雾可去除90%的月尘颗粒，在真空条件下可去除98.35%的月尘颗粒[38]。然而，机械力和流体冲击力除尘技术，长时间的工作易损伤功能表面，并且在资源紧张的月球环境下有很大的局限性，目前可作为辅助除尘手段，但是具有较大的发展前景。
由于月尘颗粒带电的特性，许多研究人员尝试利用静电场和电磁场来操控月尘，因此以电磁力为主的除尘手段是主动方案中应用最多的技术。对于带电月尘颗粒的防控措施，目前公认除尘效果最好的方法有以下4种。
（1）电帘除尘[39]。1967年，Tatom等提出了一种交变电场除尘技术。这种技术在表面附有尘埃的区域设计了一个由平行交替电极组成的电极层。通过施加交流电，电极表面会形成交替强电场。在这种电场的作用下，月尘颗粒由于电场力的影响可以克服黏附力和重力从而被移除。近年来，该方法得到了进一步研究，并发展成为一种基于电帘结构（见图5 ）的除尘技术。
电帘除尘对于小面积除尘效果显著，是目前研究广泛、比较推崇的方法，但是也有一些不足。首先是大面积应用困难，而且电帘除尘在使用过程中非常消耗能源。另外，受到介电泳力作用的月尘颗粒在除尘表面微观上表现出无规则行为，有可能会降低这种方式的除尘效率。目前，电帘除尘成功应用于沙漠中的太阳能电池板。随着电帘除尘最佳参数的研究和应用，针对于复杂严峻的月面环境中的电压参数较高的问题也需要逐步研究和完善。
（2）静电防尘控制[40]。静电防尘控制这一方案利用弱电子束与月球尘埃颗粒之间的相互作用来实现除尘。在非导电尘埃覆盖的表面上，导电材料会产生微弱的电场，并利用该电场产生的电场力来清除尘埃。接下来，低功耗电子枪在电场的作用下为覆盖月尘颗粒的表面充电，使尘埃颗粒带上相同电荷，从而被排斥并吸附到相对带正电的表面上。
在实际的污染表面会分布各种电荷的粒子，可以通过电子束搭配收集器去除月尘颗粒，即通过电子束将月尘颗粒附加电荷，使其变为高电势能颗粒，然后被附加的低电位区收集，最后通过提高低电位区收集器的电势，去除收集到的颗粒物。但是这种方式需要设计相关的电子枪清洁设备，用于完成表面除尘工作后的清洁枪自身设备清洁与维护，通过相反的电荷去除清洁枪上残留的带电月尘颗粒。上述设备需要的功率较低并且便于携带，但是其操作复杂度高，需要宇航员手持或者机械臂辅助，大大增加探月出舱活动成本，而且对于清洁范围也具有很大的限制，不适用于大面积的月尘清洁作业。
（4）静电月尘反射器（ELDR）[43]。由于静电月尘收集器（ELDC）在放置除尘平板中央会对太阳光的进入以及某些光学元件的正常运作产生影响，Nima Afshar-Mohajer等在ELDC的基础上提出了新的方案，称为静电月尘反射器。静电月尘反射器在除尘表面上放置了一些细长的针状电极，这些电极可以排斥带有同种电荷的月尘颗粒。当这些颗粒悬浮在月表空间时，便会被排斥。电极连接直流电一端，通过落下的带电月尘的电信号反馈选择直流电输出正负电位，即通过选择与月尘相同电位防止月尘落入保护区域。该装置的另一个终端连接到保护区域上方和周围的接地线。接地线的功能是保持静电场方向向上并远离保护表面。ELDR采用离散元方法跟踪月尘颗粒的运动轨迹以评估除尘效率，影响除尘效率的关键因素包括：粒子聚集和分散的程度、施加的电压、电极长度与直径的比例、电极的布置方式和电极的数量等，后续相关研究需要通过优化以上参数来提高除尘效率。
4 结语
月表主动作业引发扬尘浓度急剧增大，会造成月尘覆盖、机构磨损、密封失效、热控失常等危害，因此防尘、除尘的相关研究十分必要。综合分析目前成熟的月尘防控技术，被动方案从接触表面解决月尘污染问题，其核心问题是如何降低月尘接触面的表面能，从本质上减小月尘对于保护表面的吸附性能。主动方案注重控制引导月尘远离保护表面，其核心原理是通过施加驱动力去抵消吸附力。主动方案根据驱动力的类型分为3种，其中机械力除尘简单方便但容易磨损表面，适用于非重要表面清洁工作；流体冲击力除尘适合大面积清洁作业但资源再利用困难，适用于具有密闭空间的宇航服清洁作业；电磁力除尘有效利用月尘带电特性，并且利用月面可获得的电能，但是能源消耗较大，电参数较高，适用于长期性小面积自动化的除尘清洁作业。3种主动方案的优劣与侧重点不同，因此未来的研究方向也趋向于将主动方案和被动方案两者结合，协同工作，从而更好地实现月尘防控。
综上所述，未来的研究工作需要突破月面探测活动扬尘污染防尘-控尘-除尘共性关键技术，初步形成多类不同关键部件带电月尘污染防尘-控尘-除尘综合方案关键技术工程解决方案。紧跟国家重要任务，开展多机构全方位的月尘防控与主被动清除技术验证，获取尘埃防控时效、除尘效率、月面服役等核心工程参数，为后续资源利用载荷工程研制提供工程技术支撑。