專利名稱：一種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量裝置和方法，屬于測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
月球表面覆蓋有長期環(huán)境作用形成很厚的月壤，其中Imm以下的月壤顆粒占總質(zhì)量的95%以上，60 μ m以下的顆粒質(zhì)量份額約為50%，10 μ m以下的顆粒(可吸入顆粒)約為10%。主要成分SiO2占44. 72%,Al2O3占14.86%。由于月球的低重力(是地球的六分之一)和近乎真空的條件，這些細小微粒很容易因自然或人為活動擾動而懸浮在空中，這些懸浮的粒子就是月球塵埃。月球表面塵埃的形成包括自然誘導(dǎo)因素，如流星體撞擊引起的噴射、靜電懸浮、人類活動以及火箭的發(fā)射、著陸等。由于月球塵埃帶靜電和粘性的特點， 易粘附于器件表面產(chǎn)生月球塵埃污染影響月球探測儀器的使用功能，產(chǎn)生的負面效應(yīng)包括阻塞倉艙外活動部件的閉鎖裝置和儀器蓋、隔離器件表面的熱傳遞、粘附于功能表面引起光學(xué)性能、太陽吸收率和紅外發(fā)射率的降低，以及影響光電陣列太陽能電池片和散熱器表面的工作情況等。對月面環(huán)境下月球塵埃進行在軌監(jiān)測，特別是監(jiān)測對月表環(huán)境產(chǎn)生擾動、揚起月球塵埃的作業(yè)過程中月球塵埃累積質(zhì)量的變化，能夠?qū)M一步的月面探測、載人登月、月球基地的建立提供月球表面塵埃環(huán)境的數(shù)據(jù)積累，并為航天器、航天員宇航服的防塵、降塵、 除塵設(shè)計提供參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是通過在軌測量太陽能電池片輸出電流的變化，與地面模擬試驗數(shù)據(jù)進行比對，得到月表環(huán)境下月球塵埃累積質(zhì)量變化隨時間變化的關(guān)系曲線，解決月表環(huán)境下月球塵埃累積質(zhì)量變化的監(jiān)測問題，為月球探測提供參考。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種月表塵埃累積質(zhì)量的測量裝置，所述裝置包括模擬太陽光源、全反射鏡面、太陽能電池片、樣品臺、負載電阻、電壓表、樣品臺角度刻度盤和支持結(jié)構(gòu)。其中樣品臺為橫U形支架，有上下兩個側(cè)壁，太陽能電池片放置在上側(cè)壁的上表面，所述上側(cè)壁可在垂直方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為0 90° ；用于測量樣品臺轉(zhuǎn)動角度θ的樣品臺角度刻度盤固定在樣品臺上側(cè)壁的下表面，從樣平臺角度刻度盤讀出樣品臺與水平面夾角θ，樣品臺角度刻度盤的最小刻度為2. 5°。支持結(jié)構(gòu)支撐全反射鏡面，全反射鏡面位于太陽能電池片正上方，與水平面的夾角為45°，模擬太陽光源水平射出的光到達全反射鏡面后又反射到太陽能電池片上；負載電阻和電壓表分別與太陽能電池片并聯(lián)。一種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量方法，所述方法具體步驟如下步驟一、地面模擬月球塵埃累積質(zhì)量試驗，具體步驟如下①將1片標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片平放在樣品臺上，打開模擬太陽光源預(yù)熱
31小時后，調(diào)整模擬太陽光源、全反射鏡面、太陽能電池片之間的位置，直至在太陽能電池片上得到光強為1個太陽常數(shù)，即光強為135. 3mff/cm2的入射光；②將標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片更換為待測定的太陽能電池片，所述待測定的太陽能電池片與標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片的尺寸規(guī)格相同；③取大于或等于15片的玻璃蓋片分別稱重，在每片玻璃蓋片上撒上不同質(zhì)量的模擬月球塵埃后再分別稱重，針對每片玻璃蓋片用撒有模擬月球塵埃的質(zhì)量減去玻璃蓋片的凈質(zhì)量，得到每片玻璃蓋片上撒上模擬月球塵埃質(zhì)量m ；其中，所述玻璃蓋片與太陽能電池片的尺寸相同；所述模擬月球塵埃為火山灰；④取單片覆蓋有模擬月球塵埃的玻璃蓋片蓋于待測定的太陽能電池表面，調(diào)節(jié)樣品臺上側(cè)壁與水平面之間的角度θ ；記錄電壓表讀數(shù)，根據(jù)負載電阻計算太陽能電池片輸出電流I ；⑤通過改變樣品臺與水平面的角度θ和更換覆蓋有模擬月球塵埃的玻璃蓋片， 重復(fù)步驟④，得到不同太陽光入射角度θ下模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流的對應(yīng)關(guān)系；步驟二、進行實際在軌監(jiān)測時，每隔設(shè)定時間記錄一次太陽能電池片在月球表面的輸出電流數(shù)據(jù)，作為月球表面月球塵埃監(jiān)測的直接數(shù)據(jù)；步驟三、根據(jù)電流數(shù)據(jù)獲取時的太陽光入射角度θ，將實際監(jiān)測到的月球表面太陽能電池輸出電流隨時間變化的數(shù)據(jù)與步驟⑤得到的對應(yīng)關(guān)系進行對比，得到實際月球塵埃累積質(zhì)量隨時間變化的曲線。其中，步驟一中第⑤步得到不同太陽光入射角度θ下模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流的對應(yīng)關(guān)系后，根據(jù)公式I ~ exp(-a · m)計算月球塵埃累積造成的光透過率下降的系數(shù)a。有益效果本發(fā)明采用太陽電池對月球表面塵埃進行在軌監(jiān)測，其原理簡單、成本低、微型化、功耗低?？蛇M行在軌監(jiān)測，特別是對能夠揚起月塵的作業(yè)過程進行監(jiān)測，得到的數(shù)據(jù)可為進一步進行月球探測提供參考。


圖1為本發(fā)明所述的月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量方法中地面模擬月球塵埃累積質(zhì)量試驗設(shè)備圖；其中，1-全反射鏡面、2-模擬太陽光源、3-太陽能電池片、4-負載電阻、5-電壓表、 6-樣品臺、7-樣品臺角度刻度盤；圖2為實施例得到的模擬太陽光入射角度為5°時，模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流關(guān)系曲線m-I。
具體實施例方式下面通過具體實施例來詳細描述本發(fā)明如圖1所示的一種月表塵埃累積質(zhì)量的測量裝置，所述裝置包括模擬太陽光源2、 全反射鏡面1、太陽能電池片3、樣品臺6、負載電阻4、電壓表5、樣品臺角度刻度盤7和支持
4結(jié)構(gòu)。其中樣品臺6為橫U形支架，有上下兩個側(cè)壁，所述上側(cè)壁可在垂直方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為0 90° ；用于測量樣品臺轉(zhuǎn)動角度θ的樣品臺角度刻度盤7固定在樣品臺6上側(cè)壁的下表面，從樣平臺角度刻度盤7讀出樣品臺6與水平面夾角θ，樣品臺角度刻度盤7 的最小刻度為2. 5°。支持結(jié)構(gòu)支撐全反射鏡面1，全反射鏡面1位于太陽能電池片3正上方，與水平面的夾角為45°，模擬太陽光源2水平射出的光到達全反射鏡面1后又反射到太陽能電池片 3上；負載電阻4和電壓表5分別與太陽能電池片3并聯(lián)。一種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量方法，所述方法具體步驟如下步驟一、地面模擬月球塵埃累積質(zhì)量試驗，具體步驟如下①將1片標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片平放在樣品臺上，打開模擬太陽光源2預(yù)熱1小時后，調(diào)整模擬太陽光源2、全反射鏡面1、太陽能電池片3之間的位置，直至在太陽能電池片3上得到光強為1個太陽常數(shù)，即光強為135. 3mff/cm2的入射光，從而實現(xiàn)了對樣平臺處模擬太陽光強度的標(biāo)定；②在保持模擬太陽光源2、全反射鏡面1、太陽能電池片3三者位置不變的情況下， 將標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片更換為待測定的太陽能電池片3，所述待測定的太陽能電池片3與標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片的尺寸規(guī)格相同；③取大于或等于15片的玻璃蓋片分別稱重，在每片玻璃蓋片上撒上不同質(zhì)量的模擬月球塵埃后再分別稱重，針對每片玻璃蓋片用撒有模擬月球塵埃的質(zhì)量減去玻璃蓋片的凈質(zhì)量，得到每片玻璃蓋片上撒上模擬月球塵埃質(zhì)量m ；其中，所述玻璃蓋片與太陽能電池片3的尺寸相同；所述模擬月球塵埃為與真實月球塵埃具有近似的松弛狀態(tài)密度1. 3g/cm3的火山灰；④取單片覆蓋有模擬月球塵埃的玻璃蓋片蓋于待測定的太陽能電池3表面，調(diào)節(jié)樣品臺6上側(cè)壁與水平面之間的角度θ ；記錄電壓表5讀數(shù)，根據(jù)負載電阻4計算太陽能電池片輸出電流I ；⑤改變樣品臺6與水平面的角度，重復(fù)步驟④，分別單片測試太陽能電池在模擬太陽光入射角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°的輸出電流，得到塵埃質(zhì)量m—定時，改變角度θ得到的模擬太陽光入射角度與太陽能電池輸出電流關(guān)系曲線 θ-I ；⑥更換覆蓋有模擬月球塵埃的玻璃蓋片，重復(fù)步驟④、⑤，得到不同角度θ下得到的多條模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流關(guān)系曲線m-I，以及不同塵埃質(zhì)量m下得到的多條模擬太陽光入射角度與太陽能電池輸出電流關(guān)系曲線θ-I ；根據(jù)公式 I - exp(-a -m)可計算月球塵埃累積造成的光透過率下降的系數(shù)α，其中步驟⑤、⑥的先后順序可以互換；步驟二、進行實際監(jiān)測時，每隔M小時記錄一次太陽能電池片在月球表面的輸出電流，作為月球表面月球塵埃監(jiān)測的直接數(shù)據(jù)；其中在不同時間下太陽光的入射角度為已知值，即為上文中的θ ；步驟三、在太陽光的入射角度θ已知的條件下，針對各個不同時刻t實際監(jiān)測到的月球表面太陽能電池輸出電流I1，獲取采集該電流I1時的太陽光實際入射角度θ i，根據(jù)
5Q1T得到的模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流關(guān)系曲線m-I進行對比，得到此時太陽能電池片上的塵埃質(zhì)量；根據(jù)不同時間下太陽能電池片上的塵埃質(zhì)量，得到實際月球塵埃累積質(zhì)量隨時間變化的曲線。 綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種月表塵埃累積質(zhì)量的測量裝置，其特征在于所述裝置包括模擬太陽光源O)、 全反射鏡面(1)、太陽能電池片(3)、樣品臺(6)、負載電阻(4)、電壓表(5)、樣品臺角度刻度盤(7)和支持結(jié)構(gòu)；其中樣品臺(6)為橫U形支架，有上下兩個側(cè)壁，太陽能電池片C3)放置在上側(cè)壁的上表面，所述上側(cè)壁可在垂直方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角度為0 90° ；用于測量樣品臺轉(zhuǎn)動角度θ的樣品臺角度刻度盤(7)固定在樣品臺(6)上側(cè)壁的下表面，從樣平臺角度刻度盤(7)讀出樣品臺(6)與水平面夾角θ，樣品臺角度刻度盤(7)的最小刻度為2. 5° ；支持結(jié)構(gòu)支撐全反射鏡面(1)，全反射鏡面(1)位于太陽能電池片(3)正上方，與水平面的夾角為45°，模擬太陽光源( 水平射出的光到達全反射鏡面(1)后又反射到太陽能電池片⑶上；負載電阻⑷和電壓表(5)分別與太陽能電池片(3)并聯(lián)。
2.—種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量方法，其特征在于該方法采用如權(quán)利要求1所述裝置，所述方法具體步驟如下步驟一、地面模擬月球塵埃累積質(zhì)量試驗，具體步驟如下①將1片標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片平放在樣品臺上，打開模擬太陽光源( 預(yù)熱 1小時后，調(diào)整模擬太陽光源( 、全反射鏡面(1)、太陽能電池片C3)之間的位置，直至在太陽能電池片(3)上得到光強為1個太陽常數(shù)的入射光；②將標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片更換為待測定的太陽能電池片(3)，所述待測定的太陽能電池片⑶與標(biāo)準(zhǔn)三結(jié)砷化鎵太陽能電池片的尺寸規(guī)格相同；③取大于或等于15片的玻璃蓋片分別稱重，在每片玻璃蓋片上撒上不同質(zhì)量的模擬月球塵埃后再分別稱重，針對每片玻璃蓋片用撒有模擬月球塵埃的質(zhì)量減去玻璃蓋片的凈質(zhì)量，得到每片玻璃蓋片上撒上模擬月球塵埃質(zhì)量m ；其中，所述玻璃蓋片與太陽能電池片(3)的尺寸相同；所述模擬月球塵埃采用火山灰；④取單片覆蓋有模擬月球塵埃的玻璃蓋片蓋于待測定的太陽能電池C3)表面，調(diào)節(jié)樣品臺(6)的上側(cè)壁與水平面之間的角度θ ；記錄電壓表(5)讀數(shù)，根據(jù)負載電阻(4)計算太陽能電池片輸出電流I ；⑤通過改變樣品臺(6)與水平面的角度θ和更換覆蓋有模擬月球塵埃的玻璃蓋片，重復(fù)步驟④，得到不同太陽光入射角度θ下模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流的對應(yīng)關(guān)系；步驟二、進行實際在軌監(jiān)測時，每隔設(shè)定時間記錄一次太陽能電池片在月球表面的輸出電流數(shù)據(jù)，作為月球表面月球塵埃監(jiān)測的直接數(shù)據(jù)；步驟三、根據(jù)電流數(shù)據(jù)獲取時的太陽光入射角度θ，將實際監(jiān)測到的月球表面太陽能電池輸出電流隨時間變化的數(shù)據(jù)與步驟⑤得到的對應(yīng)關(guān)系進行對比，得到實際月球塵埃累積質(zhì)量隨時間變化的曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量方法，其特征在于步驟一中第⑤步得到不同太陽光入射角度θ下模擬月球塵埃累積質(zhì)量與太陽能電池輸出電流的對應(yīng)關(guān)系后，根據(jù)公式I ~ exp(-a · m)計算月球塵埃累積造成的光透過率下降的系數(shù)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種月表塵埃累積質(zhì)量的在軌測量裝置和方法，屬測試領(lǐng)域。所述測量裝置包括模擬太陽光源、全反射鏡面、太陽能電池片、樣品臺、負載電阻、電壓表、樣品臺角度刻度盤和支持結(jié)構(gòu)。所述測量方法包括地面模擬月球塵埃累積質(zhì)量試驗和實際監(jiān)測試驗，根據(jù)電流數(shù)據(jù)獲取時的太陽光入射角度θ，將實際監(jiān)測到的月球表面太陽能電池輸出電流隨時間變化與地面模擬月球塵埃累積質(zhì)量試驗得到的曲線進行對比，得到實際月球塵埃累積質(zhì)量隨時間變化的曲線。
文檔編號G01G17/00GK102435664SQ201110321508
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月20日
發(fā)明者姚日劍, 王錫來, 王鹢 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所