大型十公斤级微米月球尘埃高真空环境模拟装置的开发与表征

　　为解决月球探测中尘埃环境模拟的技术瓶颈，研究人员开发了新型高真空(10-5 Pa)月球环境模拟装置，突破性地实现500 kg级尘埃负载下的稳定真空性能，为研究月球尘埃静电吸附机制及探测器可靠性验证提供了关键实验平台。

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Research article

　　

月球表面覆盖着独特的风化层，这些由太阳风离子(H⁺
, He²⁺
)和微陨石撞击形成的微米级尘埃(20-200 μm)具有强静电特性。阿波罗任务中，这些带电尘埃造成仪器机械卡死、光学系统退化等严重问题，其中亚微米级颗粒更可能引发不可逆的肺部损伤。然而现有模拟装置面临两大难题：无法在10^-5
Pa级高真空下处理公斤级尘埃负载，且多数设备实验容积不足。

哈尔滨工业大学的研究团队在《Vacuum》发表的研究中，成功研制出世界首台兼容500 kg尘埃负载的高真空(≤10^-5
Pa)模拟装置。该设备采用三级联合抽气系统：机械泵(10^-1
Pa级)预抽、分子泵(10^-4
Pa级)主抽、无油低温泵(10^-5
Pa级)维持，特别设计了抗尘埃堵塞的真空单元布局。使用中国产JSC-1A模拟月壤(30%颗粒<50 μm)进行验证。

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【设计目标】
通过整合真空、低温(-173°C~127°C)、多源辐照(电子/UV/X射线)等模块，建立全球首个支持多因素耦合研究的超大容积(1m×1m×10cm尘埃层)模拟系统。

【真空系统设计】
创新采用"机械泵+分子泵+低温泵"组合，解决尘埃脱气(10^-2
Pa·m³
/s)导致的常规系统过载问题。特别设计的挡板结构防止微粒进入泵体，相比不锈钢表面处理能力提升10⁴
倍。

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【系统组装】
完成热沉实验验证后，对16.9 kg预处理月壤(200°C烘烤4小时)进行测试，系统在48小时内达到并维持3.2×10^-5
Pa，远超同类设备性能。

【高尘量实验】
在500 kg极限负载下，系统仍保持5.6×10^-5
Pa的稳定真空度，同时成功模拟出尘埃静电悬浮现象，为研究带电颗粒粘附机制提供真实环境。

这项突破性工作首次实现工程尺度下月球尘埃环境的高保真模拟，其创新的无油真空设计有效解决了传统系统在尘埃环境中的可靠性问题。设备不仅能复现月球表面特有的"粉尘暴"现象，更为评估宇航服纤维渗透、太阳能板污染等实际问题提供实验平台。该技术已应用于中国空间环境模拟基础设施建设项目，为后续载人登月任务中的尘埃防护策略制定提供关键技术支撑。研究团队特别指出，未来将重点优化等离子体环境模拟模块，以更完整地复现太阳风与月尘的相互作用机制。

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