随着未来月球探测车在月球表面阴影区域的移动，它们的轮子可能会产生有害的电荷积聚。科罗拉多州太空科学研究所的比尔·法雷尔与约翰霍普金斯大学的迈克·齐默尔曼在《太空研究进展》上发表的一项新分析中，概述了减轻这一风险的现实预防措施，为未来月球任务的工程师提供了宝贵的设计指导。
随着全球对月球探索的兴趣重新点燃，多个航天机构正在考虑如何使用轮式探测车以前所未有的细致方式来探索月球表面。这些车辆面临的一个挑战是，当它们的轮子在月壤上移动时，会产生'摩擦电'的积累：这是一层干燥、颗粒状且高度绝缘的尘土和岩石，覆盖着月球表面。如果这种电荷积累得不到控制，可能会引发放电，威胁探测车的敏感电子设备和仪器。
在很多情况下，电荷的积累会受到太阳风的自然限制——这是一种从太阳发出的连续带电粒子流。因为这种等离子体的导电性远高于月壤，它为多余电荷提供了散失到周围环境的通道。然而，这种有益的效果并不总是可以保证。
月球缺乏等离子体区域的挑战
当月球穿过太阳风时，它在夜间一侧形成了一个长长的等离子体“尾迹”，在这里，粒子密度急剧下降。“法雷尔解释说：‘如果等离子体通量水平降低，电荷耗散会减缓。’从本质上说，在这些缺乏等离子体的区域，缓解电荷积累会变得越来越困难。”
这些条件也出现在月球的永久阴影极地陨石坑内——这些地方可能藏有冰冻水和二氧化碳，是即将到来的任务的主要目标。在这些环境中运行的探测器，工程师必须采取措施，防止摩擦电充电达到过高水平。
模拟洞察与工程建议
法雷尔和齐默尔曼利用先进的模拟技术，研究了在真实月球条件下摩擦电充电与基于等离子体的电荷耗散之间的平衡。他们的结果表明，保持探测器的速度极低——低于约0.2厘米每秒——可以有效防止电荷积累。
“如果探测器在给定的等离子体环境中移动的速度超过这个速度上限，那么轮子的摩擦电荷电流将超过等离子体耗散电流，轮子将积累电荷，”法雷尔说。“如果探测器的移动速度低于这个速度上限，那么等离子体电流将在电荷积累到较高水平之前就将其耗散。”
研究人员还发现，探测器进入陨石坑的路径可以强烈影响其充电环境。“如果它从下风口进入陨石坑——面向太阳和太阳风——它可以保持在相对密集的等离子体流中，”法雷尔继续说。“如果探测器从陨石坑的背风边缘进入——背对太阳移动——探测器进入一个局部微尾刚开始形成的区域。”
最后，这对研究人员研究了探测器轮子与机身的电气连接方式。虽然隔离轮子似乎是保护机载电子设备的一种方法，但模拟结果显示，这种隔离实际上限制了电荷的耗散——只会让问题变得更糟。
相反，“我们建议对探测器轮子进行测试，以确保它与更大探测器结构电气连接，确保轮子与更大结构之间具备导电路径。然后可以利用探测器主体来提高等离子体电流的收集效率，以更快地消散轮子的摩擦电荷的积累，”法雷尔说。
这些发现共同突显了太空天气对月球的影响对表面操作构成微妙而严重的风险。法雷尔和齐默尔曼希望在设计过程中尽早考虑这些因素，他们的工作能够帮助实现对月球最极端和科学价值最高区域的更安全的探索。
更多信息： W.M. Farrell 等，月球阴影区域的探测车轮摩擦充电：推导出电荷积累的速度限制，航天研究进展 (2026)。 DOI: 10.1016/j.asr.2025.10.102
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