Проблема лунной пыли, остро вставшая еще в эпоху экспедиций «Аполлон», вновь приобрела актуальность в связи с подготовкой к возобновлению пилотируемых полетов на спутник Земли. Мелкодисперсные частицы реголита, обладающие высокой мобильностью, легко оседают на технике, вызывая абразивный износ смотровых щитков скафандров, нарушение герметичности уплотнителей и деградацию чувствительных поверхностей приборов.
Группа исследователей, представляющая Пекинский технологический институт, Китайскую академию космических технологий и Китайскую академию наук, разработала комплексную теоретическую модель. Данная работа детально описывает динамику заряженных частиц реголита при их столкновении с элементами космической инфраструктуры на малых скоростях.
В рамках исследования были проанализированы специфические электрофизические условия лунной среды. В дневные часы под воздействием солнечного ультрафиолета и рентгеновского излучения происходит фотоэлектронная эмиссия, в результате чего поверхность Луны и аппараты приобретают положительный заряд, формируя фотоэлектронную оболочку. С наступлением лунной ночи картина меняется: захват электронов из окружающей плазмы приводит к накоплению отрицательного заряда и возникновению «дебаевского слоя» (области экранирования электрического поля). Эти процессы протекают на фоне постоянного воздействия солнечного ветра, приносящего поток заряженных частиц.
При сближении с искусственным объектом пылинки подвергаются воздействию сложной комбинации факторов. Кулоновское взаимодействие может как притягивать, так и отталкивать частицу в зависимости от ее собственного заряда. Диэлектрофоретическая сила, возникающая из-за неоднородности электрического поля, перемещает пыль в зоны его максимальной концентрации независимо от полярности заряда. Кроме того, существенную роль играет электростатическая индукция, создающая притяжение между частицей и проводящей поверхностью аппарата.
Согласно предложенной модели, в момент непосредственного соприкосновения доминирующее значение приобретают не электростатические эффекты, а адгезионные силы Ван-дер-Ваальса. Это особенно характерно для низкоскоростных соударений, типичных для лунных операций. Процесс контакта разделен на три этапа: первичная упругая деформация, фаза поглощения энергии (сопровождающаяся возможной деформацией защитного слоя) и стадия разгрузки, завершающаяся либо отскоком частицы, либо ее окончательным прилипанием при попадании скорости в критический диапазон.
Исследователи установили, что плотность поверхностного заряда пыли оказывает на процесс адгезии большее влияние, чем электрический потенциал самого космического аппарата. При показателях ниже 0,1 милликулона на квадратный метр межмолекулярное притяжение становится сильнее электростатического взаимодействия. Также было выявлено, что применение толстослойных диэлектрических покрытий с низкой диэлектрической проницаемостью позволяет существенно снизить интенсивность осаждения пыли еще до момента удара.
Результаты работы содержат практические рекомендации по подбору конструкционных материалов: покрытия с низкой поверхностной энергией и выраженной шероховатостью способны минимизировать вероятность прилипания, в то время как более крупные частицы эффективнее отскакивают благодаря высокому коэффициенту восстановления. Авторы также выделили узкий диапазон скоростей, при котором риск захвата отрицательно заряженных частиц наиболее высок. Данные выводы станут фундаментом для проектирования систем пылезащиты и очистки, необходимых для успешной реализации долгосрочных и технически сложных лунных миссий.
Источник: iXBT
