月球表面温度的数值模拟

通过月球天文计算,建立了以太阳辐射、月球辐射和太阳反照参与的月球表面辐射系统模型,并考虑了月球表面从周围通过导热传入的热量,从而可以模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度.模拟结果表明,随着纬度升高,月球表面太阳辐射强度降低,月球表面的温度也随之降低.月面温度变化周期一般为约29天;受月球的黄赤夹角影响,在纬度为90°时,温度变化周期约为178天.建立的月球表面温度模型,与较缺稀的月球实测资料进行了比较,表明本模型可较准确的模拟任意时刻不同经纬度坐标的月球表面温度,为探月设备的热设计与热控制提供研究基础.     

月球表面土壤温度仿真分析

文章尝试对月表一定深度的土壤的温度变化状况进行模拟分析。首先简要介绍了月壤热物性的探测结果,针对月球表面具有一定深度的土壤层建立了土壤温度变化的一维数学控制方程,探讨了数值求解的方法,并根据月壤探测样本的文献对热物性参数进行了归纳。最后对5个着陆区进行了月壤温度计算和结果分析,以协助深空探测工作的开展。     

月球表面及月壤内温度分布特征的数值模拟

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。     

月球坑内空间环境热流的分布研究

文章推导获得了月面阳光矢量和月球坑内探测器表面关系的表达式,采用蒙特卡罗法数值计算探测器各表面的辐射热流,分析了月球坑内环境辐射热流的分布特征。讨论了月面纬度、月球坑尺寸、月面发射率等参数对探测器表面热流的影响。计算表明:月面纬度增加及月球坑坑口半径的减小均会导致某些时刻阳光无法照射到坑底,从而与其他工况有较大的计算差别,两参数对探测器各面热流的影响规律不同;月面发射率对探测器表面热流的影响作用较大,增加月面发射率能明显降低探测器某些表面的辐射热流。     

月面热环境的反演研究

以嫦娥三号巡视器月面日食期间非稳态的温度遥测数据为基础，通过建立月壤及巡视器的传热模型，反演了日食期间月面温度的变化，并给出了符合巡视器温度遥测的月壤热物性参数取值范围。在此基础上，对月面热环境进行了分析研究。结果表明，本文反演的月壤平均导热系数大于常见取值，而比热却明显小于常见取值。采用反演的热物性值计算的月表温度与之前认识相符，但对月壤内部热环境有新发现，其温度梯度相对减小而恒温层厚度则明显增大。     

火星表面热辐射环境模拟

为了对火星表面的热辐射环境进行模拟,以辅助火星探测等任务,建立了火星大气的一维模型和土壤的一维导热模型,并与NASA的一维火星大气辐射程序相结合,得到了一套整体模拟系统。模拟获得了火星地表温度及接收到的可见光、红外辐射热流密度,分析了季节、纬度、尘暴、云层的变化对地表温度和所受太阳辐射造成的影响。模拟结果表明,纬度和季节的变化影响着太阳高度角和日照时长等因素,进而对可见光辐射造成显著影响;尘埃光学厚度的增加会削弱可见光辐射并增强红外辐射,云层光学性质的改变造成的影响与之相似但较小;四者的改变都会对地表的温度及接收到的太阳辐射热流密度造成不同程度的影响。     

绕月与月面探测热环境及影响因素研究

为全面分析绕月和月面探测器可能经历的热环境作为热控设计依据,文章给出了典型高度和β角的环月圆轨道中,绕月探测航天器接收的太阳和月球红外热流密度及其变化规律。针对复杂月表地形,提出并采用月面三维月壤热模型,计算给出了不同太阳高度角下月面探测器在常规平坦月表的外热流密度情况,定量研究了月面山丘高度及其与探测器距离对探测器表面接收红外热流的影响程度,定性分析了复杂月表地形和月尘对探测器表面红外热流的影响。     

简讯

月表的辐射环境由于没有大气层阻挡,各种辐射可以直接抵达月球表面并与月壤相互作用。月球表面物质主要受到下列3种辐射源的辐照,即太阳风、太阳耀斑和银河宇宙射线。太阳风是由太阳发出的连续的等离子体     

月球坑的温度分布与瞬态热响应特性研究

建立了球状月坑表面热辐射与月壤内一维非稳态导热的耦合传热模型,采用蒙特卡罗法结合控制容积法数值研究了月坑的温度分布与瞬态响应特性。考察了月坑表面与平面月表的热响应差别以及月坑形状因子、月坑所处纬度对月坑表面温度分布的影响。研究结果表明,月坑表面与平面月表的热响应有明显差别,月昼期间坑内的最高温度总是高于同时刻、同纬度的平面月表温度;低纬度、深度较大的月坑内温度分布存在很大的瞬态不均匀性。     

浅表层月壤铲挖采样的振动减阻技术仿真研究

文章对振动铲挖技术在浅表层月壤采样过程中的适用性进行了研究。根据月壤宏观、细观参数,采用离散元法建立了月壤模型,对月球表面低重力低气压环境下的月壤应力—应变特性进行仿真,并结合采用Balovnev机—土交互模型描述的月壤铲挖阻力公式,对月壤的振动减阻机理进行了分析。在此基础上,通过向采样器施加不同振幅和频率的振动,开展了浅表层月壤铲挖仿真,给出了铲挖过程中不同振动参数与月壤采样阻力的关系。同时,通过对比不同工况下的月壤孔隙率,验证了月壤的振动铲挖减阻机理及适用性。     

双探针法测量月壤热物性参数的影响因素分析

针对双探针法测量月壤热物性过程,建立了探针与月壤组成的多层介质在太阳辐照加 热与月表辐射散热作用下的二维非稳态传热模型。通过数值模拟,分析了探针长度、直径、 中心间距和加热功率等因素对测量结果的影响。结果表明,若月壤导热系数在0.01W／
(m·K)左右,则月壤的弱导热性是双探针探测设计中需考虑的主要因素。在上述分析的基 础上,设计了双探针结构,对一导热性能较差的松散介质进行了地面测量实验,通过试错法 反演测量数据得到该介质的热扩散率与导热系数,为进一步应用研究提供了参考。     

An inversion approach for lunar regolith layer thickness using optical albedo data and microwave emission simulation

An approach to inversion of the lunar regolith layer thickness by using multi-channel brightness temperature observation in passive microwave remote sensing is developed. To first make simulation of brightness temperature from the lunar layered media, the lunar regolith layer thickness (d) is proposed being constructed by available lunar DEM (digital elevation mapping) and on site measurements. The physical temperature distribution (T) over the lunar surface is also empirically assumed as a monotonic function of the latitude. Optical albedo of the lunar nearside from the telescopic observation is employed to construct the spatial distribution of the FeO+TiO₂ content (S) in the lunar regolith layer. A statistic relationship between the DEM and S of the lunar nearside is further extended to construction of S of the lunar farside. Thus, the dielectric permittivity (ε) of global lunar regolith layer can then be determined. Based on all these conditions (d,T,ε), brightness temperature of the lunar regolith layer in passive microwave remote sensing, which is planned for China's Chang-E lunar project, is numerically simulated by a parallel layering model using the strong fluctuation theory of random media.Then, taking these simulations with random noise as observations, an inversion method of the lunar regolith layer thickness is developed by using three- or two-channels brightness temperatures. When the S is low, and the four channels brightness temperatures in China's Chang-E project are well distinguishable, the regolith layer thickness and physical temperature of the underlying lunar rock media can be inverted by the three-channels approach. When the S becomes high that the brightness temperature at high frequency channels such as 19.35, 37 GHz are saturated, the regolith layer thickness is alternatively inverted only by the two-channels approach.Numerical simulation and inversion approach in this paper make an evaluation of the performance for lunar passive microwave remote sensing, and for future data calibration and validation.     

月球表面热环境测量技术调研分析

月面热环境探测是我国探月工程中的一项必要工作,具有重要的工程和科学意义。文章从工程角度确定了月面热环境测量的主要物理参数,分析了现阶段我国探月工程中实现月面热环境测量的技术条件和要求;对国内外有关材料热物性测量技术进行了综合调研,了解了国内外关于开展行星表面热环境探测的技术及应用现状;在结合我国航天测量技术的基础上对月面热环境测量所涉及的关键技术进行了分析,并初步勾勒出我国探月工程中月面热环境测量装置的指标、任务和实现方案。     

月面钻取采样回转齿轮副啮合生热试验研究

针对月面钻取采样装置的回转齿轮副啮合热进行理论分析,依据辐射换热定律建立了理论温升模型;模拟实际月面真空、带载工况并开展试验研究。分析了啮合热在月面高真空环境的制约条件下,向机体外传播的方式、传热途径以及散发不畅时的积聚作用对附近运动副工作特性的影响。研究结果表明：回转齿轮副作为钻具驱动单元动力传递的中间环节,在20Nm负载转矩工况下持续运行40分钟,理论预测最大温升28.66℃,与试验测量的最大温升结果28℃相吻合,充分验证了钻进驱动单元热设计的正确性,准确地识别出回转齿轮副啮合热积聚的潜在风险。     

Performance of a small and low-cost chamber to simulate lunar surface environment

The performance of a small and low-cost metal chamber built to simulate the pressure and temperature conditions of lunar surface was assessed and the results are presented. This chamber is intended for studying the physical properties of lunar surface and subsurface (using soil simulants) and also to validate the technology readiness of certain newly developed payloads planned for future lunar surface missions (Lander/Rover). It is possible to reach down to ∼10⁻⁷ Pa under specific conditions and maintain the temperature of the sample under investigation to lunar day and night temperatures. The designed system has been subjected to various tests to evaluate its performance and suitability for carrying out experiments in a simulated lunar environment.     

Diurnal change of MW and IR thermal emissions from lunar craters with relevance to rock abundance

Abnormal “hot spots” during a total eclipse on the lunar surface were revealed by using a ground based infrared (IR) scanner and visible telescope in the early 1960s, which turned out to be “cold spots” on the microwave (MW) brightness temperature distribution at night according to the Chang'E (CE)-1 radiometer's observations. In this paper, a theoretical analysis of radiative transfer is presented to explain this abnormal phenomenon of diurnal changes. Two typical craters, representing the abnormal fresh craters rich in rock abundance and an old one almost free of rocks located at similar latitudes are chosen for comparison of the diurnal temperature change. Using the measurements of CE-1 multi-channel microwave radiometer, brightness temperatures from these two craters are presented and applied to inversions of the physical temperatures of lunar regolith media, based on a three-layer radiative transfer model. The correlation between the diurnal MW and IR thermal changes of the lunar surface and the rock abundance is discussed.     

月食过程月表太阳辐照和温度变化模拟

月食对月球轨道探测器的温度有重要的影响,分析月食时月表的太阳辐照和温度,具有重要意义。文章给出了通用的月表温度模型和月食时月表太阳辐照模型,根据某次月食的天文参数,用太阳辐照模型可求出月表任一点在月食时的太阳直接辐照变化过程,代入温度模型可求出任一点的温度变化过程。此模型和方法可用于对任何一次月食的分析,并以2007年8月28日的月食为例,模拟了该次月食的表面太阳直接辐照和温度的变化过程。