论文标题：Charging Properties and Particle Dynamics of Chang’e-5 Lunar Sample in an External Electric Field

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.08.003

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中国工程院院刊《Engineering》发表了一篇关于“嫦娥五号”月壤样品在外部电场作用下的充电特性和粒子动力学研究的论文。该研究由中国航天科技集团钱学森空间技术实验室、清华大学、中国科学院等多家单位合作完成，基于“嫦娥五号”任务带回的月壤样品（CE5 LS），在高真空条件下系统研究了月壤颗粒在外电场作用下的带电特性、粒子动力学行为及其对航天材料的碰撞损伤。

研究团队通过在模拟月球高真空环境下施加外部电场，发现月壤颗粒在高真空条件下的充电过程和静电喷射行为与在大气条件下存在显著差异。实验中，CE5 LS颗粒的粒径范围为27.7~139.0 μm，在3~12 kV/cm的电场强度下，颗粒获得的电荷量为4.8×10^-15~4.7×10^-13 C，荷质比为1.2×10^-5~6.8×10^-4 C/kg。实验表明，CE5 LS颗粒在外电场中更容易带负电。此外，研究还发现，月壤颗粒对航天材料的碰撞损伤较为严重，这为未来月球原位资源利用（ISRU）技术的发展提供了重要的启示。

图1 实验系统图：示意图（a）和实物图（b）。DC：直流电。

月壤作为月球表面的重要资源，其开发利用一直是航天领域的研究热点。月壤颗粒具有强黏附性，且月球处于低重力环境，这使得太空颗粒操纵面临诸多挑战。此前的研究多在大气条件下进行，而真空环境下的相关研究较为有限。该研究通过高真空条件下的实验，填补了这一领域的空白。实验中，研究人员使用两块平行黄铜电极产生电场，并利用高速相机记录颗粒的运动轨迹，通过图像处理算法提取颗粒的尺寸和位置信息，进而计算出颗粒的荷质比和带电量。

研究结果表明，月壤颗粒在高真空条件下的带电特性与大气条件下的研究结果有所不同。在高真空条件下，颗粒需要通过反转电场方向才能实现悬浮，而在大气条件下，颗粒则可以在电场作用下直接悬浮。这一现象表明，空气和真空中的主要带电机制存在差异。在真空中，颗粒的带电过程可能与电子发射和吸收有关，而这一机制在大气条件下并不显著。

图2 文章提出的介电粒子在真空中带电的机制示意图。（a）下电极连接高负电压，上电极连接高正电压或接地；（b）下电极连接高正电压或接地，上电极连接高负电压。

图3 不同典型行为的快照：（a）~（c）为单个颗粒；（d）为颗粒团聚体。（a）悬浮、多次碰撞后的反弹与最终黏附；（b）碰撞后直接黏附，无反弹；（c）从上电极掉落；（d）颗粒团聚体的碰撞与破碎。

此外，研究还发现，月壤颗粒在外部电场作用下的行为表现出多样性，包括碰撞、反弹、黏附、下落以及团聚体破碎等现象。通过显微观察和扫描电子显微镜（SEM）分析，研究人员发现，带电月壤颗粒对航天材料表面的撞击会造成明显的划痕和损伤。这一发现对于理解月壤颗粒在太空环境中的行为以及开发有效的防护措施具有重要意义。

此项研究不仅为深入理解月壤在真空环境下的带电特性提供了实验数据支持，还为开发基于静电方法的月壤除尘、原料运输、矿物富集等新型原位利用技术奠定了理论基础。随着月球探测和深空探测任务的不断推进，月壤原位资源利用技术的发展将为未来的月球基地建设和太空资源开发提供重要的技术支持。

论文信息：

Junping Gu, Xiaoyu Qian, Yiwei Liu, Qinggong Wang, Yiyang Zhang, Xuan Ruan, Xiangjin Deng, Yaowen Lu, Jian Song, Hui Zhang, Yunning Dong, Mengmeng Wei, Wei Yao, Shuiqing Li, Weihua Wang, Zhigang Zou, Mengfei Yang. Charging Properties and Particle Dynamics of Chang’e-5 Lunar Sample in an External Electric Field. Engineering, 2024, 42(11): 280-291 DOI:10.1016/j.eng.2024.08.003

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