2.3 月球空间环境

2.3.1 概述

月球作为地球的天然卫星，与地球空间环境相比，其空间环境的某些要素具有一定特殊性。对于在月面着陆与巡视的探测器，还需面对月球地形地貌、月尘等环境影响。月球基本物理特性见表2-3。

2.3.2 月球辐射环境及其影响

1．月球辐射环境构成

月球自身磁场极其微弱，不能在月球周围形成稳定的带电粒子捕获带，因此月球不存在类似地球辐射带的带电粒子辐射环境。环月轨道及月面的带电粒子辐射主要来源于银河宇宙线、太阳宇宙线及太阳风。

由于月球与太阳的距离可以近似认为与日地距离相同，因此环月轨道及月面的太阳宇宙线、银河宇宙线环境与地球空间环境（尤其是 GEO空间环境）基本相同，本节不再赘述其特点。

月球没有全局性磁场，没有类似地球的磁层结构，太阳风粒子不受磁场的屏蔽，可以到达环月轨道和月面，直接到达探测器表面。太阳风属于稀薄热等离子体，发源于高温日冕，当日冕温度（等离子体温度，一般来说指粒子动能）超过太阳引力对它的约束时，太阳风便从各个方向发射出去。太阳风主要成分是电子和质子，占95%以上；重离子成分主要是氦离子，约占4.8%；其他成分如氧离子、铁离子等，含量甚少。

太阳风主要物理特性见表2-4。太阳风流速不均匀，既有空间分布不均匀，也有速度高低之分，高达900km/s，低至200km/s。太阳风粒子密度波动大，平均密度高达106m-3，太阳风磁场平均值约7 nT。

2．月球辐射环境影响

1）电离辐射剂量的影响

由于月球没有持续、稳定的带电粒子辐射带，因此无论是环月还是月面运行，探测器都不会遭遇类似地球辐射带的长期持续的强辐射环境，在环月及月面运行阶段，无论运行时间是多长，探测器面临的持续性空间辐射剂量均为0 rad（Si）。

在没有太阳质子事件爆发时，探测器面临的带电粒子辐射环境只有低能的太阳风和高能低通量的银河宇宙线，这两种辐射源对辐射总剂量的贡献都很小，只在探测器表面厚度为1～2 μm范围内产生电离总剂量。因此，对于探测器绝大部分材料和电子器件而言，在环月飞行、月面巡视期间，可忽略电离总剂量的影响。

如果探测器任务期内遭遇特大太阳质子事件，则其环月及月面工作期间的辐射剂量，将全部来自太阳高能质子。考虑月球探测器环月飞行、月面工作期间，可能遭遇类似于1989年10月的特大太阳耀斑爆发，表2-5采用实心球屏蔽模型，对月球探测器在此耀斑爆发期间的剂量-深度关系进行了分析。以通常的设备外壳厚度为3mmAl计，由表2-5可见，在一次太阳耀斑期间，设备内部的电子器件所遭遇的辐射剂量将增加2～3 krad，对于一些对辐射敏感的超大规模、高集成度的微电子器件（如FPGA、CCD、大容量RAM等）而言，这一剂量可能导致该器件性能衰退，因此应重点对这些器件进行抗电离总剂量防护设计。而其他器件或材料，通常不会在2～3 krad（Si）的辐射剂量下产生明显的性能衰退，因而受到的电离总剂量影响不大。

2）单粒子效应的影响

在没有太阳扰动期间，对月球探测器产生单粒子效应影响的带电粒子主要是银河宇宙线的高能重离子。在太阳耀斑爆发期间，高能量、高通量的太阳高能质子注入近月空间和月球表面，将成为引发月球探测器单粒子效应的主要粒子源。

图2-4给出了没有太阳质子事件（只有银河宇宙线GCR）和有太阳质子事件（同时有银河宇宙线GCR和太阳宇宙线SCR）期间，环月轨道或月面上经过1mmAl 屏蔽后原子序数Z=1～92的所有粒子成分的线性能量传输（LET）谱（积分谱）。从图2-4明显看出，太阳质子事件期间，可引发单粒子效应的高能重离子通量将急剧上升，上升幅度达4个数量级以上。因此，在太阳质子事件爆发期间，必须关注月球探测器的单粒子效应防护问题，尤其是探测器所使用的FPGA、DSP、CPU、SRAM、总线接口芯片等大规模、小特征尺寸的微电子器件，这些器件如未采用专门的抗单粒子加固工艺来制造，则可能对单粒子效应具有较高敏感度。

3）太阳电池辐射损伤影响

月球探测器将使用太阳电池作为主要的发电装置，需要考虑空间带电粒子辐射对太阳电池性能的影响。在空间高能粒子辐射下，在电离与位移两种物理机制作用下，太阳电池开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax等均可出现衰退。

通常根据太阳电池的辐照试验数据，将不同能量的空间带电粒子对太阳电池的损伤程度，与一定通量的1MeV电子对太阳电池的损伤程度进行等效，并用等效1MeV电子损伤的通量来描述太阳电池的空间辐射损伤。

对于月球探测器，当其在环月轨道和月面工作期间，在没有太阳质子事件爆发时，其太阳电池遭遇的带电粒子辐射为低能的太阳风粒子和低通量的银河宇宙线粒子，这些粒子对太阳电池所造成的性能衰弱极微小，因而在工程设计中可以忽略。

在特大太阳质子事件爆发期间，由于大量的高能、高通量太阳高能质子注入近月空间和月面范围内，这些高能质子将对月球探测器的太阳电池造成较大的性能损伤。

考虑月球探测器环月飞行、月面工作期间，将遭遇类似于1989年10月的特大太阳质子事件，表2-6对月球探测器太阳电池（Si）在此事件爆发期间的性能损伤进行了定量分析，给出了太阳电池（Si）的等效1MeV电子损伤通量。

4）光学器件的位移损伤影响

太阳质子事件爆发期间，高能、高通量的太阳高能质子，可对月球探测器的光学器件（如CCD相机、光学敏感器等）产生一定的损伤效应。这种效应，通常是由高能质子在光学器件中产生的位移效应引起的。

探测器所用的 CCD、CMOS-APS等光学敏感器若具有较低的抗位移损伤阈值，则在强烈的太阳质子事件爆发过后，太阳高能质子对敏感器产生的位移损伤，将使得光学敏感器（少数载流子器件）的暗电流大幅提升，图像背景噪声增加（图2-5），这种损伤对器件而言，通常是永久性的物理损伤。

因此，当月球探测器使用了光学系统时，必须在设计中充分考虑太阳高能质子对光学敏感器的性能影响，以免系统性能、整星性能在这种图像质量下降的状态下受到不利影响。

2.3.3 月球大气及其影响

月球表面大气压力为10-6～10-10Pa。在大气密度方面，月球大气的数密度的典型数据见表2-7。月球大气主要包含惰性气体及 H、CO2、CH4、NH3等，而不包含低地球轨道（LEO）中对航天器具有较大影响的原子氧成分。

为从航天工程的角度了解月球大气，对距离地面高度为100～2500km地球轨道上的地球大气状态进行了分析，分析结果见表2-8。

将表2-7与表2-8进行比较，可以看到，月球大气压力（真空度）与高度为500～2500km的地球轨道上的大气压力相当，而地球轨道航天器的轨道高度通常都在500km以上，乃至36000km。因此，在月球探测器的材料出气、热设计、真空冷焊与干摩擦等方面的工程设计，可以与地球轨道航天器的相关设计相同。

同时可见，月球大气的数密度在数量级上与高度1500km以上的地球轨道相当，因此，在环月轨道设计中考虑月球大气阻力时，可与高度1500km以上的地球轨道航天器设计相同。

2.3.4 月壤/月尘及其影响

1．月壤影响分析

月壤是指由月面岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃物质组成的、结构松散的混合物，覆盖在月球表面。月壤具有松散、非固结、细颗粒等特点，一般呈现为淡褐、暗灰色。月壤主要通过陨石和微陨石撞击、宇宙射线和太阳风持续轰击、大幅度昼夜温差变化导致岩石热胀冷缩破碎共同作用于月球表面而形成的。

在着陆器的软着陆过程中，月壤的物理力学特性参数影响着陆器的着陆冲击和着陆稳定性，具体包括颗粒组成、密度、孔隙度、内聚力、内摩擦角、承载力等。

1）颗粒组成

月壤的分选性普遍较差，粒度分布范围很宽，颗粒直径以小于1mm为主，绝大部分颗粒直径为30 μm～1mm，中值粒径为40～130 μm，平均为70 μm左右。月壤颗粒级配如图2-6所示。

颗粒直径小于20 μm的细粒月壤占10%～20%，这些颗粒易于飘浮，并附着在机械设备上。月壤的颗粒形态极为多变，从球形到极端棱角状都有出现，但长条状、次棱角状和棱角状的颗粒形态相对更为常见。

2）密度

月壤密度是指在未受破坏的情况下，单位体积内的月壤质量。现有的月壤样品分析表明，月壤密度ρ（单位g/cm3）与深度z（单位cm）的关系可用双曲线关系（式（2-1））和指数关系（式（2-2））两种简化函数关系来描述。

月壤密度分析结果如图2-7所示。在0～40 cm深度范围内，月壤密度基本在1.3～1.7 g/cm3范围内。撞击坑内的不同深度月壤平均密度的最佳估计值见表2-9。

3）孔隙度

孔隙度包括孔隙比和孔隙率。月壤的孔隙比e是指月壤中孔隙体积与颗粒体积的比。天然状态下的月壤孔隙比可以用来评价月壤的密实程度，一般e＜0.6为密实的低压缩性月壤，e＞1.0为疏松的高压缩性月壤。孔隙率n是指月壤中孔隙所占体积与总体积之比，用百分数表示。不同深度月壤平均孔隙率和孔隙比的最佳估计值见表2-10。

4）抗剪性（内聚力、内摩擦角）

月壤在外力作用下颗粒之间发生相互错动，引起月壤一部分相对另一部分的滑动。月壤颗粒抵抗这种滑动的性能称为月壤的抗剪性，由内聚力c和内摩擦角ϕ两个指标决定。月壤的剪切特性表示为式（2-3）：

式中，σ为垂直应力。

不同深度处月壤内聚力和内摩擦角的推荐值见表2-11。

5）承载力

承载力是指月壤承载荷载的能力。不同区域内月壤静态承载力与深度之间的关系如图2-8所示。

月壤的机械力学特性在全月面也存在一定的变化。在进行设计和地面试验验证时，将按照偏保守的设计原则，选择对着陆冲击、稳定性最不利的月壤参数进行仿真分析和模拟验证。对于着陆冲击，月壤的物理力学特性参数主要影响着陆缓冲机构的能量吸收，通过选择模拟承载强度偏大的月壤特性可以达到加严考核的目的。对于稳定性分析，主要考虑着陆器在月面的滑移和沉陷特性，应选择模拟承载强度偏小的月壤特性，以达到加严考核的目的。

2．月尘影响分析

月尘是月壤中颗粒较小的部分，且较为松散，在一定的外力作用条件下会产生扬尘，因此其基本理化特性与月壤相同。

月尘的激起机制有两大类：自然的和人为的。自然的激起机制包括因流星和微流星体碰撞而起的二级喷发和微尘静电飘浮。人为的激起机制有三种，按影响程度由小到大为：航天员的行走、巡视器车轮旋转带起、发动机喷流影响和软着陆冲击激扬。

月尘对探测器造成的危害具体表现为：月尘会引起对月测距测速敏感器、光学敏感器测量误差增大或失效；可能会对太阳敏感器、相机镜头、太阳电池阵、热控涂层（OSR片等）等表面形成污染，造成光透过率下降、供电能力和热控性能降低等；此外，细小的月尘颗粒还可能侵蚀没有完全密闭的轴承、齿轮和其他机械装置，造成机械零件的磨损或卡滞。因此，月尘的特性及其对探测器的影响是探测器设计中必须考虑的重要问题。

2.3.5 月面地形地貌及其影响

整个月球表面总体上可分为月海和高地两大地貌单元。月海是月面上宽广的平原，约占月表面积的17%。大多数月海具有圆形封闭的特点，被山脉（细长伸延的山地）所包围，类似于地球上的盆地。高地是指月球表面高出月海的地区，一般高出月球水准面2～3km，面积约占月面面积的83%。月海和高地均覆盖有不同尺寸和形状的石块和撞击坑。撞击坑是指布满月球表面的环形凹坑构造，包括环形山、辐射纹及与撞击坑有关的隆起构造。着陆区地形的斜坡、石块、撞击坑都会对软着陆造成影响。

1．月表坡度分布

不同地貌的月表平均坡度变化如图2-9所示。月面斜坡分布有两个主要特点：平均坡度分布的标准偏差一般为平均坡度的0.3；最大坡度一般不会超过平均坡度的4倍。

2．月表石块分布

图2-10给出了月面不同区域的石块累积数和被石块覆盖的面积所占的面积百分比。

3．撞击坑分布

月表撞击坑的直径与数量分布的规律如图2-11所示，撞击坑的数量和直径近似成反比。直径大于1km 的撞击坑占月表面积的7%～10%。一般撞击坑的深度不大于直径的25%，边缘高度不大于直径的6%，因此环形撞击坑基本是较平缓的。根据撞击坑的年龄（新鲜的、年轻的、成熟的和年老的）不同，撞击坑的深度、坑唇高度分别与直径的比值都存在差异。越老的撞击坑，这个比值越小，坑越浅，所以，建立撞击坑模型时，还要考虑撞击坑年龄的不同所带来的形态差异。