一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法

本发明涉及带电月尘清除技术，具体涉及一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法。

背景技术：

1、覆盖月球表面的带电月尘是阻碍在月球上建立人类定居点的主要挑战之一。在过去的阿波罗任务已证明，在静电力作用下，微小尖锐的月尘牢牢黏附在登月服表面，造成视野模糊、表面磨损和密封失效等严重危害。更令人担忧的是，当月尘被带入登月舱时，弥散的月尘会严重刺激宇航员的眼睛和肺部，妨碍任务开展。美国航空航天局（nasa）的研究表明长期暴露在月尘环境会导致宇航员的呼吸系统和心血管疾病。因此，高效清除黏附在登月服表面的月尘是保障宇航员生命健康和月面作业顺利开展的前提。

2、在月表高真空、低重力和强带电的环境下，地面常见的除尘方法如机械刷除法和流体清洗法难以清除微米级带电月尘。为了实现高稳定、非接触、高效率地清除月尘，nasa开发了电帘除尘技术，并计划将其应用于最新一代登月服。该技术是将织入登月服最外层的叉指型电极通过千伏级交流高压源激励，营造强非均匀交变电场。吸附在登月服表面的带电月尘在电场力作用下脱离。然而电帘除尘系统所需的千伏级高压，不仅大幅增加了登月服的能耗，而且在宇航员活动时最外层褶皱接触使得极易发生静电放电，产生高放电电流，损坏登月服设备。为了顺利开展登月任务，迫切需要具有低功耗、高静电安全和覆盖面积广的登月服除尘技术。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于驻极体的登月服除尘系统及其除尘方法，实现低功耗、高静电安全、覆盖面积广地清除微尘，还能够防止带电月尘二次黏附，具有稳定性好和适用性高等特点。

2、登月服从内至外依次包括内衣舒适层、保暖层、液冷层、气密限制层、真空隔热层和外防护层；登月服相应于宇航员的头部位置安装有面罩，为宇航员提供视野，面罩选用高透光率材料；登月服中的电气设备连接共同的登月服的地端。

3、本发明的一个目的在于提出一种基于驻极体的登月服除尘系统。

4、本发明的基于驻极体的登月服除尘系统包括：嵌入式驻极体除尘装置和分立式驻极体除尘装置；其中，

5、嵌入式驻极体除尘装置包括驻极体摩擦高压发生模块、信号检测与控制模块和嵌入式柔性电极模块；其中，多个驻极体摩擦高压发生模块安装于登月服的气密限制层外表面或真空隔热层内表面；信号检测与控制模块安装于真空隔热层；多个嵌入式柔性电极模块安装于登月服的外防护层外表面织物和面罩外表面；驻极体摩擦高压发生模块连接至信号检测与控制模块，并且驻极体摩擦高压发生模块通过信号检测与控制模块连接至嵌入式柔性电极模块；

6、驻极体摩擦高压发生模块包括摩擦正极性驻极体、摩擦负极性驻极体、接地背电极和高压背电极；接地背电极的表面设置有摩擦负极性驻极体；在高压背电极的表面设置有摩擦正极性驻极体；摩擦正极性驻极体与摩擦负极性驻极体的功函数不同；接地背电极连接至登月服的地端；高压背电极与接地背电极互相平行并贴敷于气密限制层外表面或真空隔热层内表面，摩擦正极性驻极体的表面正对摩擦负极性驻极体的表面，且二者初始状态之间有气隙；

7、嵌入式柔性电极模块包括第一组和第二组柔性梳状电极，第一组和第二组柔性梳状电极分别包括梳脊电极和梳齿电极阵列；其中，梳齿电极阵列包括多个互相平行且等长的长条形梳齿电极，多个互相平行且等长的长条形梳齿电极沿平行于梳脊电极的一维方向排布，形成梳齿电极阵列；梳脊电极的长边与梳齿电极的长边垂直，梳齿电极阵列的一侧连接至梳脊电极；第一组和第二组柔性梳状电极的梳齿电极阵列相互平行且交叉排列形成沿一维方向排布的电极阵列，电极阵列的一维方向排布垂直于长条形的梳齿电极的长边；

8、信号检测与控制模块包括第一转换开关、第二转换开关、控制器和脉冲电压比较器；第一转换开关的第一端连接至控制器，并连接至第一组柔性梳状电极，第二端连接至脉冲电压比较器的输入端，并连接至驻极体摩擦高压发生模块的高压背电极，第三端连接至登月服的地端；第二转换开关的第一端连接至控制器，并连接至第二组柔性梳状电极，第二端连接至脉冲电压比较器的输入端，并连接至驻极体摩擦高压发生模块的高压背电极，第三端连接至登月服的地端；

9、分立式驻极体除尘装置包括双极性驻极体模块和操作适配模块；双极性驻极体模块安装在操作适配模块上；双极性驻极体模块包括顶层保护膜、多层剥离基底膜、多层双极性驻极体膜和基底膜材料；基底膜材料安装在操作适配模块的表面；在基底膜材料上依次设置多层剥离基底膜与多层双极性驻极体膜相间的结构，每相邻的两层双极性驻极体膜之间设置一层剥离基底膜，在最顶层的双极性驻极体膜上设置顶层保护膜；双极性驻极体膜包括多个周期性交替沿一维方向排列的长条形的剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元；

10、登月服除尘系统包括自动除尘模式和手动除尘模式；

11、在自动除尘模式下，在宇航员运动外力作用下，摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体发生变形，从而互相接触并产生摩擦，在接触面发生电子或离子的转移，使得摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体相对的表面带上等量的异种电荷；相互接触摩擦的摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体的表面电荷极性由功函数决定，功函数大的驻极体摩擦后带负电，功函数小的驻极体摩擦后带正电；摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体表面的异种电荷，使得在高压背电极与接地背电极之间形成感应电势差，形成高压脉冲；脉冲电压比较器将高压背电极的高压脉冲的峰值与阈值比较，当脉冲电压比较器检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第二端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第三端，将高压脉冲通过第一转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第一组柔性梳状电极，第二组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成沿电极阵列的一维排布方向上确定方向的电场；当再次检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第三端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第二端，将高压脉冲通过第二转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第二组柔性梳状电极，第一组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成与前一次方向相反的电场；通过第一和第二转换开关相应不断切换档位，平行的第一组和第二组柔性梳状电极分别交替被施加高压脉冲，在沿电极阵列的一维排布方向上形成交替变化的非均匀脉冲驻波电场，非均匀脉冲驻波电场沿垂直登月服表面方向呈指数衰减；带电月尘在非均匀脉冲驻波电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用下脱离吸附的登月服表面，实现无高压电源自动清除粒径大于5μm的带电月尘；在自动除尘模式下，登月服除尘系统无需高压电源，极大地降低了系统所需能耗，不仅能够自动清除带电月尘，还能够防止带电月尘吸附在登月服表面；

12、在手动除尘模式下，控制器控制第一转换开关和第二转换开关的第一端均接通第三端，使得嵌入式柔性电极模块的第一组和第二组柔性梳状电极均连接地端；宇航员手持操作适配模块，将分立式驻极体除尘装置的顶层保护膜或位于最外层的剥离基底膜剥离，从而使得顶层保护膜或剥离基底膜与下层相应的双极性驻极体膜发生剥离极化，在剥离表面发生电子或离子的转移，使得双极性驻极体膜剥离面带上剥离极化电荷，并且在剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元表面的剥离极化电荷极性相反；将带有剥离极化电荷的表面正对登月服，双极性驻极体膜的剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元与嵌入式柔性电极模块的梳齿电极互相平行，沿电极阵列的一维排布方向移动分立式驻极体除尘装置，并保证双极性驻极体膜的表面与电极阵列所在的平面平行；双极性驻极体膜与柔性梳状电极之间构成平行极板结构，每个梳齿电极与正对的剥离正极性驻极体单元或剥离负极性驻极体单元之间形成均匀电场；双极性驻极体膜在沿电极阵列的一维排布方向运动时，电场伴随双极性驻极体膜运动，柔性梳状电极交替与剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元正对，在双极性驻极体膜与柔性梳状电极间的间隙形成交替变化的行波电场；带电月尘在交变电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用下脱离登月服表面，粘附至双极性驻极体膜的表面，实现无高压电源手动清除粒径5μm以下的带电月尘。

13、在自动除尘模式下，电极阵列产生沿垂直登月服表面方向呈指数衰减的电场；在手动除尘模式下，双极性驻极体膜与电极阵列之间产生沿垂直登月服表面方向的均匀电场；自动除尘模式下的高压脉冲的峰值与手动除尘模式下双极性驻极体膜的表面电位相等时，手动模式下的电场要强于自动除尘模式下的电场，能够实现5μm以下的带电月尘的清除。

14、驻极体摩擦高压发生模块的摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体为薄膜结构或者织物结构，正面为摩擦面，背面分别镀有高压背电极和接地背电极；摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体的正面相对。根据宇航员的运动特性，将多个驻极体摩擦高压发生模块分别嵌入登月服的肩部、手肘和胯部等活动频繁部位中。摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体的材料分别采用尼龙、氟化乙烯丙烯fep、聚四氟乙烯ptfe、聚酰亚胺pi、聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚丙烯pp、聚萘二甲酸乙二醇酯pen和硅胶中的一种。摩擦正极性驻极体与摩擦负极性驻极体之间的功函数相差越大，产生的高压脉冲的峰值电压幅值越高。

15、本发明采用驻极体摩擦高压发生模块产生的高压脉冲相比现有技术采用高压电源模块产生的高压脉冲，无需电源模块供电，极大地降低了登月服除尘系统所需的电能，并且具有电压幅值高和能量低的特性，需要更高的电压幅值才能发生放电，即使发生静电放电也无法产生大电流，造成设备损坏，极大地提高了登月服的静电安全。摩擦正极性驻极体的表面正对摩擦负极性驻极体的表面的初始状态的气隙为0.5~2mm。

16、信号检测与控制模块中脉冲电压比较器存储的有效高压脉冲的阈值为500~1000v。脉冲电压比较器向控制器发送的高电平脉冲为3.5~5v。

17、嵌入式柔性电极模块的第一组和第二组柔性梳状电极宽度相同，间隙相等；柔性梳状电极表面覆盖一层绝缘涂层，防止电极间电气击穿。柔性梳状电极采用柔性织物叉指电极或柔性透明叉指电极。多个嵌入式柔性电极模块分别安装于登月服的易积尘区域，如足部、小腿部、小臂部和面部等区域。在登月服足部、小腿部和小臂部区域，柔性梳状电极采用柔性织物叉指电极，通过编织嵌入登月服的外防护层表面织物中。柔性织物叉指电极采用导电丝线，如铜丝、银丝或导电石墨线材质。在登月服的面罩，柔性梳状电极采用柔性织物叉指电极。柔性透明叉指电极通过溅射后刻蚀的方式嵌入在登月服的面罩表面，采用ito导电透明材质。绝缘涂层的耐电压能力≥5kv，光学透明，采用环氧树脂、聚氨酯树脂和丙烯酸树脂聚酰亚胺的一种。

18、由于自动模式下电极阵列产生的电场在垂直方向呈指数衰减，因此难以清除粒径≤5μm的带电月尘，需要宇航员手动清除。分立式驻极体除尘装置的操作适配模块支撑展开双极性驻极体模块，方便宇航员进行手动除尘。操作适配模块采用手套、抹布和刷头中的一种。剥离基底膜与双极性驻极体膜的功函数不同，三者之间的关系为剥离正极性驻极体单元的功函数<剥离基底膜的功函数<剥离负极性驻极体单元的功函数。顶层保护膜与剥离基底膜的材质一致。剥离基底膜与剥离正极性驻极体和剥离负极性驻极体之间的功函数相差越大，驻极体剥离极化后带电量越高。相互剥离材料的表面电荷极性由功函数决定，功函数大的材料，剥离后带负电，功函数小的材料，剥离后带正电。剥离后双极性驻极体膜上相邻的驻极体单元的表面极化电荷的极性相反；多个周期性一维排列、正负极性交替的驻极体单元形成双极性驻极体阵列。剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元的宽度与梳齿电极的宽度相同，宽度为100μm~1mm。

19、剥离基底膜通过旋涂方式制备。剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元通过刻蚀和沉积的方式制备在剥离基底膜的表面。双极性驻极体模块从最底层开始，层层制备，直至顶层保护膜。双极性驻极体膜与剥离基底膜的剥离强度，通过控制沉积时的气压、温度和等离子体浓度进行调控，剥离强度为400~2000n/m，既保证双极性驻极体膜与剥离基底膜的结合强度，又使得宇航员容易剥离剥离基底膜。

20、分立式驻极体除尘装置中剥离正极性和剥离负极性驻极体膜以及剥离基底膜的材料分别采用尼龙、氟化乙烯丙烯fep、聚四氟乙烯ptfe、聚酰亚胺pi、聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚丙烯pp、聚萘二甲酸乙二醇酯pen和硅胶中的一种。

21、宇航员手动除尘时，正对登月服积尘区域的表面一侧的双极性驻极体膜与积尘区域的表面之间的间隙为5.0~15mm。

22、多个驻极体摩擦高压发生模块并联连接至信号检测与控制模块；多个嵌入式柔性电极模块并联连接至信号检测与控制模块。

23、本发明的另一个目的在于提出一种基于驻极体的登月服除尘方法。

24、本发明的基于驻极体的登月服除尘方法，包括以下步骤：

25、一、设置登月服除尘系统：

26、a）将多个驻极体摩擦高压发生模块分别安装于登月服的气密限制层外表面或真空隔热层内表面；

27、b）将信号检测与控制模块安装于真空隔热层；

28、c）将多个嵌入式柔性电极模块分别安装于登月服的外防护层外表面织物和面罩外表面；

29、d）将驻极体摩擦高压发生模块连接至信号检测与控制模块，并且驻极体摩擦高压发生模块通过信号检测与控制模块连接至嵌入式柔性电极模块；

30、二、除尘包括自动除尘模式和手动除尘模式：

31、a、自动除尘模式：

32、i.第一转换开关和第二转换开关的第一端分别接通各自的第三端；

33、ii.在宇航员运动外力作用下，摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体发生变形，从而互相接触并产生摩擦，在接触面发生电子或离子的转移，使得摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体相对的表面带上等量的异种电荷；相互接触摩擦的摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体的表面电荷极性由功函数决定，功函数大的驻极体摩擦后带负电，功函数小的驻极体摩擦后带正电；

34、iii.摩擦正极性驻极体和摩擦负极性驻极体表面的异种电荷，使得在高压背电极与接地背电极之间形成感应电势差，形成高压脉冲；

35、iv.脉冲电压比较器将高压背电极的高压脉冲的峰值与阈值比较，当脉冲电压比较器检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；

36、v.控制器控制第一转换开关的第一端接通第二端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第三端，将高压脉冲通过第一转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第一组柔性梳状电极，第二组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成沿电极阵列的一维排布方向上确定方向的电场；

37、vi.当再次检测到高压脉冲的峰值超过阈值时，判定为有效高压脉冲，脉冲电压比较器向控制器发送高电平脉冲；控制器控制第一转换开关的第一端接通第三端，并且控制器控制第二转换开关的第一端接通第二端，将高压脉冲通过第二转换开关传输至嵌入式柔性电极模块的第二组柔性梳状电极，第一组柔性梳状电极连接地端，从而在两组柔性梳状电极间形成与前一次方向相反的电场；通过第一和第二转换开关相应不断切换档位，平行的第一组和第二组柔性梳状电极分别交替被施加高压脉冲，在沿电极阵列的一维排布方向上形成交替变化的非均匀脉冲驻波电场，非均匀脉冲驻波电场沿垂直登月服表面方向呈指数衰减；

38、vii.带电月尘在非均匀脉冲驻波电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用下脱离吸附的登月服表面，实现无高压电源自动清除粒径大于5μm的带电月尘；在自动除尘模式下，登月服除尘系统不仅能够自动清除带电月尘，还能够防止带电月尘吸附在登月服表面；

39、b、手动除尘模式：

40、i.控制器控制第一转换开关和第二转换开关的第一端均接通第三端，使得嵌入式柔性电极模块的第一组和第二组柔性梳状电极均连接地端；

41、ii.宇航员手持操作适配模块，将分立式驻极体除尘装置的顶层保护膜或位于最外层的剥离基底膜剥离，从而使得顶层保护膜或剥离基底膜与下层相应的双极性驻极体膜发生剥离极化，在剥离表面发生电子或离子的转移，使得双极性驻极体膜剥离面带上剥离极化电荷，并且在剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元表面的剥离极化电荷极性相反；

42、iii.将带有剥离极化电荷的表面正对登月服，沿电极阵列的一维排布方向移动分立式驻极体除尘装置，双极性驻极体膜的剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元与嵌入式柔性电极模块的梳齿电极互相平行，并保证双极性驻极体膜的表面与电极阵列所在的平面平行；双极性驻极体膜与柔性梳状电极之间构成平行极板结构，每个梳齿电极与正对的剥离正极性驻极体单元或剥离负极性驻极体单元之间形成均匀电场；

43、iv.双极性驻极体膜在沿电极阵列的一维排布方向运动时，电场伴随双极性驻极体膜运动，柔性梳状电极交替与剥离正极性驻极体单元和剥离负极性驻极体单元正对，在双极性驻极体膜与柔性梳状电极间的间隙形成交替变化的行波电场；带电月尘在交变电场中受到库仑力和介电泳力的驱离作用下脱离登月服表面，粘附至双极性驻极体膜的表面，实现无高压电源手动清除粒径5μm以下的带电月尘；

44、v.当当前层的双极性驻极体膜表面黏附满了带电月尘时，剥离最外层双极性驻极体膜，露出下一层洁净的双极性驻极体膜，继续手动清除带电月尘。

45、本发明的优点：

46、本发明在登月服内层设置驻极体摩擦高压发生模块，利用宇航员运动摩擦极化驻极体，产生相应的低能量高幅值电压脉冲激励登月服最外层嵌入式柔性电极模块营造强交变驻波电场驱离带电月尘；对于小颗粒带电月尘，通过剥离极化效应在双极性驻极体体膜产生剥离极化电荷，利用双极性驻极体与电极阵列间营造的无电源均匀电场清除残留带电月尘；相比依赖高压电源供电的传统的电帘除尘系统，本发明提出的登月服除尘系统及其除尘方法，能够实现低功耗、高静电安全和覆盖面积广地清除带电月尘，还能够防止带电月尘二次黏附，具有稳定性好和适用性高等特点。