月面“风蚀”作用研究─澳科大在嫦娥四号科学数据应用中取得新成果

风蚀,即风的侵蚀作用,是在具有大气的类地行星表面发生的基本地质过程之一。月球作为一个无大气天体,通常情况下很难研究风蚀作用对其表面形貌的影响。然而,在航天器着陆过程中,变推力发动机产生的羽流会对月球表面产生强烈冲击,导致月面尘埃的快速输运和表面侵蚀。因此,探测器软着陆过程为研究无大气天体表面的风蚀过程提供了重要机会。

近期,澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室张小平副教授领导的科研团队采用图像分析和数值模拟相结合的创新方法,对嫦娥四号降落相机及全景相机数据进行分析,获得了嫦娥四号着陆器降落时的扬尘发射角、扬尘量、月壤侵蚀深度、侵蚀范围等关键数据。参加该项研究的还有澳科大博士生游击林、兰州空间技术物理研究所李存惠高级工程师、张海燕工程师、嫦娥四号探测器项目执行总监张熇研究员等。

研究团队利用嫦娥四号降落图像测得的尘埃最大发射角在7°以上,大于仿真模拟水平月表水平条件下得到的3°左右的尘埃发射角。这主要是因为嫦娥四号着陆在4~5°的倾斜表面上。同时,测得的羽流侵蚀范围远大于侵蚀模型的估计值,表明前期的侵蚀模型需要改进,局部地形、尘埃发射角分布、月壤力学特性等重要因素不可忽略。

基于嫦娥四号降落图像的分析结果不仅检验了现有羽流-尘埃侵蚀模型,为模型改进提供了优化方法,还为后续探月任务的工程策略选择提供指导。例如,嫦娥四号喷口离月表13m高时,尘埃开始被扬起,因此,与嫦娥四号类似的登月器应该在13m以上的高度选定着陆点,以避免扬尘的遮挡影响。测量的尘埃最大发射角和扬起位置(内侵蚀半径r0)可用来估计扬尘的冲击范围,为后续任务中的防尘设计提供参考。同时,分析表明月壤的侵蚀深度与所处的局部地形高程呈正相关关系,这意味着从工程安全角度出发,着陆器应该优先选择在月表平坦区域着陆,以减小扬尘对着陆器上设备产生的不利影响。

研究成果以"Analysis of plume-lunar surface interaction and soil erosion during the Chang'E-4 landing process" 为题发表于Acta Astronautica。论文获得审稿人的高度评价——"This is an extremely interesting subject. It is highly important research and it represents crucial improvements in technique. It is an excellent manuscript on a crucially important topic. I give it my highest recommendation to be published"。“中国探月工程”官方微博及微信公众号、“行星科学”微信公众号等都介绍了该项研究成果。该工作获得了澳门科学技术发展基金(008/2017/AFJ, 0042/2018/A2)及国家自然科学基金(11761161001、41941001)等项目资助。

图1:(a) 尘埃侵蚀示意图; (b) 嫦娥四号降落相机数据