火星车太阳翼如何除尘

　　
　　上个世纪末到本世纪初，美国已经发射了4辆火星车，即“索杰纳号”、“勇气号”、“机遇号”和“好奇号”。探测车的质量从11.5公斤的微型探测车，发展到约900公斤的中型探测车，最远的行驶距离已经超过马拉松比赛的长度。前苏联其实也曾经努力将一辆微型的火星车送到火星表面，但任务没有成功。目前，美国国家航空航天局和欧空局都有火星车发射计划，将利用2018年、2020年附近合适的窗口发射。
　　
　　火星车设计时，首先需要考虑风的影响。通常情况火星表面的风速夜间时为2m/s，白天为6~8 m/s，虽然火星表面气体密度只有地球表面的1/120，但是火星风仍然可以导致尘埃飞扬。发生尘暴时，风速更可以达到50m/s以上。
　　
　　探测器工作在火星表面，不可避免地会受到火星尘的影响。火星尘主要是由四个因素导致的：发动机羽流喷射、着陆冲击、火星车移动携带和自然激扬。对火星车而言，影响最大的因素是火星尘暴引起的火星尘自然激扬。

　　
　　火星尘的影响主要表现在这几个方面：吸附在光学设备表面，导致其成像性能的降低；进入机构内部，影响其正常运动；吸附在太阳电池阵表面，影响太阳电池阵的输出功率；OSR片、热控涂层表面黏附火星尘后会导致其性能下降，改变探测器的温度分布；火星车释放过程中如转移机构上附有火星尘，则影响车轮与转移机构间的接触状态，影响释放过程的安全性。最直接的影响就是导致太阳能电池输出功率下降。

　　
　　基于“索杰娜”号火星车获得的数据，尘埃覆盖率为0.28%/天，太阳电池发电效率衰减率为0.29%/天。基于“勇气”号火星车获得的数据，前150天衰减率为0.2%/天，之后衰减率为0.06%/天。2004年2月“机遇”号刚刚开始火星探测任务的时候，太阳能电池板每天可以提供900Wh的电能，然而到6月，随着“机遇”号火星车 的太阳能面板上慢慢沾满火星灰尘，太阳能电池板的功能大大降低，每天提供的电能降到了500Wh至600Wh。
　　
　　为了降低火星尘沉积对火星车太阳能电池输出功率的影响，科研人员考虑到了以下几种除尘方法：
   
　　一、自然除尘。也就是利用火星风进行尘埃清除的方法。在低气压的火星环境下，除尘所需要风速比在地球大气压下的要高，当在火星风速大于35m/s时，才能清除大部分微尘。而从“海盗号”探测器对风速100多天的探测结果表明：其着陆点的最大风速仅为25m/s，因此通过风除尘的方案可靠性差。

 
　　根据海盗号镜头竖直安装后没有落尘的经验，太阳翼倾斜后，重力可能会减少落尘，因此在休眠前可将太阳翼竖直甚至反转。
   
　　二、机械除尘。利用擦拭、喷吹、摇动、振动或超声波等方式除尘。擦拭除尘类似汽车雨刷，但在擦拭过程中，火星尘颗粒可能会划伤太阳电池表面。喷吹除尘是采用压缩气体直接喷吹太阳翼上的微尘。摇动、振动除尘则需增加摇动、振动机构，或利用太阳翼自身驱动机构实现太阳翼的抖动。还可以增加超声波发生器，利用超声波除尘。机械除尘方法均需要付出较大的重量代价。
   
　　三、静电除尘。火星尘在射线作用下以及在与大气摩擦中会产生电荷，利用电荷同性相斥原理，实现除尘。
   
　　四、隔离除尘。可以选用滚轴更换薄膜方案或者充气脱膜方案。滚轴更换薄膜方案中，薄膜位于太阳翼上部，阻挡灰尘，当薄膜变脏时，通过滚动滚轴，更换干净的薄膜。充气脱膜方案将带有囊体的透明薄膜覆盖在火星车太阳翼上，灰尘直接落在透明薄膜上，当薄膜落尘较多时，通过充气膨胀薄膜囊体，实现薄膜与太阳翼脱离。这两种方案均无法长期保证除尘效果。
   
　　五、表面工程技术除尘。夏季观察荷叶上的水珠，可以发现荷叶与水间并没有发生浸润，荷叶随风摇曳的过程中，水珠可以很容易滚落。
　　
　　超疏基结构最早也是发现于超疏水结构，这是一种材料表面与水的接触角大于150度的结构，鉴于超疏水材料表面特殊的润湿性，其表面具有自清洁、防腐蚀，可用于防雾、自清洁、舰艇防污、抗菌等应用，并逐渐推广到汽车防尘玻璃、防尘贴膜、地面光伏自清洁太阳能板等地方。
　
　　随着在超疏基材料制备上的突破以及相关技术的不断发展，如何制备超疏基表面成为了近些年来的热点之一。构建超疏基表面的结构通常需要两个步骤，一是在材料表面构建微观结构，如脊状结构、柱状结构、球状结构等；二是在粗糙的表面修饰低表面能物质。由于降低表面能在技术上容易实现，因此超疏基表面制备技术的关键在于根据材料特性采取合适的技术构建合适的微观结构。
　
　　利用表面工程技术实现太阳翼除尘，具有代价小，性能稳定等特点，具有较大的发展前途。 （南山）