Сложная проблема лунной пыли получила математическое решение

Фото из открытых источников

Астронавты программы «Аполлон» обнаружили на Луне неожиданного врага. Мелкая пыль, поднимаемая их движениями и притягиваемая статическим электричеством, покрывала всё вокруг. Она проникала сквозь уплотнения, царапала забрала и прилипала к скафандрам, несмотря на энергичную чистку. Юджин Сернан назвал это одним из самых раздражающих аспектов лунных операций. Спустя более пяти десятилетий, когда человечество готовится вернуться на Луну с всё более совершенным оборудованием, решение проблемы лунной пыли стало критически важным.

Исследователи из Пекинского технологического института, Китайской академии космических технологий и Китайской академии наук разработали подробную теоретическую модель, которая точно объясняет, как заряженные частицы пыли взаимодействуют с поверхностями космических аппаратов во время столкновений на малых скоростях.

Сложность начинается с суровых условий Луны. На дневной стороне интенсивное солнечное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение отрывает электроны как от космических аппаратов, так и от лунной поверхности, оставляя их положительно заряженными. Это создает фотоэлектронную оболочку, парящую над поверхностью. На ночной стороне космические аппараты и реголит, напротив, собирают электроны из окружающей плазмы, становясь отрицательно заряженными и образуя так называемую дебаевскую оболочку. Солнечный ветер добавляет еще один уровень сложности, постоянно омывая все вокруг заряженными частицами.

В этой электрически активной среде частицы пыли сами заряжаются и испытывают три различные электростатические силы по мере приближения к космическому аппарату. Сила электрического поля действует на поверхностный заряд частицы, притягивая или отталкивая ее от аппарата в зависимости от того, являются ли их заряды противоположными (притяжение) или одинаковыми (отталкивание).

Диэлектрофоретическая сила возникает из-за того, что частица пыли искажает неоднородное электрическое поле вокруг себя, создавая притяжение к областям с более сильным полем независимо от заряда частицы. А сила изображения возникает, когда приближающаяся заряженная частица создает противоположный заряд на проводящей поверхности космического аппарата, подобно тому, как воздушный шар прилипает к стене, создавая дополнительное притяжение.

Модель исследователей описывает эти электростатические взаимодействия с удивительной математической точностью, но также признает, что после начала контакта начинают преобладать другие силы. Когда пылевая частица фактически ударяется о покрытие космического аппарата, адгезионные силы Ван дер Ваальса между молекулами на поверхности становятся доминирующими, особенно при ударах с низкой скоростью, характерных для операций на Луне.

Само столкновение происходит в три этапа. Сначала происходит адгезионная упругая нагрузка, при которой частица сжимается, при этом силы притяжения между поверхностями возрастают. Если удар достаточно энергичный, покрытие начинает деформироваться, рассеивая энергию по мере деформации материала. Наконец, на этапе разгрузки частица либо отскакивает, либо остается прилипшей, в зависимости от того, попадает ли скорость столкновения в критический диапазон.

Модель позволяет сделать несколько практических выводов. Диэлектрическое покрытие большой толщины и низкой диэлектрической проницаемости (способности накапливать электрический заряд) может существенно уменьшить электростатическое притяжение между заряженной пылью и космическим аппаратом. Плотность поверхностного заряда частицы имеет большее значение, чем электрический потенциал космического аппарата, при определении силы электростатических сил. И, что удивительно, для частиц с типичной плотностью заряда ниже 0,1 милликулона на квадратный метр адгезионные силы Ван дер Ваальса преобладают над электростатическими эффектами при реальном контакте.

Возможно, наиболее полезным для планировщиков миссий является то, что исследования показывают, что покрытия из материалов с низкой поверхностной энергией и шероховатой текстурой могут значительно снизить адгезию пыли. Более крупные частицы, как правило, имеют более высокие коэффициенты восстановления, то есть они с большей вероятностью отскочат, чем прилипнут. Существует также критический диапазон скоростей для отрицательно заряженных частиц, при котором происходит адгезия; удары, происходящие медленнее или быстрее этого диапазона, позволяют частицам вырваться наружу.

Эта новая модель может прогнозировать закономерности накопления пыли, помогать в выборе поверхностных покрытий и оптимизировать системы пылеудаления. По мере того как лунные миссии становятся все более амбициозными и продолжительными, решение сложной проблемы лунной пыли перестает быть просто неприятностью и становится оперативной необходимостью.