图1:消光因子与侵蚀半径对比
基于嫦娥四号降落图像的分析结果不仅验证了现有羽流-尘埃侵蚀模型,为模型改进提供了优化方法,还可以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信息。同时,侵蚀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,以减小扬尘可能对着陆器上设备产生不利影响的可能。
根据侵蚀模型估算,嫦娥四号降落过程中扬起的月尘约213kg,相应的月壤侵蚀深度可达0.6cm(该位置离喷口约1m)。研究发现,嫦娥四号着陆器发动机喷口高度为0.6m时,尘埃最大发射角大于7°,大于仿真模拟月表水平条件下得到的尘埃发射角,这可能受到嫦娥四号着陆在4~5°的倾斜表面上的影响。
研究团队还分析了尘埃开始扬起的径向位置r0变化,分析降落图像的结果表明当喷口在3m~11m高的恒推力阶段(约2000 N),内侵蚀半径随喷口高度的降低逐步缩小,从3m缩小至约为喷口半径的0.4m(见图1)。
嫦娥四号着陆器喷口离月表约2m高时,发动机开始关机。利用消光模型计算发现,在关机之前扬尘的消光因子随高度的降低呈近似线性增加,在关机之后不再增加(见图2)。这意味着变推力发动机在触月前关机可减少扬起的尘埃量,进而降低尘埃对着陆器上设备的损伤可能。侵蚀模型需要考虑局部地形、尘埃发射角分布、月壤力学特性等在月壤侵蚀过程中的影响。
图2:(a)基于嫦娥四号降落图像获取的月壤侵蚀深度(圆圈位置处代表测量值,平均测量值为0.71±0.2cm,其它区域的数值通过插值获得);(b)基于降落图像获取的高程图,基平面是着陆区的斜面(圆圈位置处代表测量值,其它区域的数值通过插值获得)
上述的研究成果对评估月球着陆任务中发动机扬尘的影响提供了借鉴依据,同时可对后续进一步研究表面月壤力学及迁移特性提供参考。