综述与述评 | 王永军：空间尘埃探测进展与发展建议
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全文刊载于《前瞻科技》创刊号“航天科学与技术专刊”，点击文末“阅读原文”获取全文。
王永军
-高级工程师
-中国计量测试学会真空计量专业委员会委员
-《真空与低温》青年编委
李得天（通信作者）
-中国工程院院士
-中国真空学会副理事长
-中国计量测试学会副理事长
文章摘要
空间尘埃探测能为太阳系起源、演化和生命起源等重大基础科学问题的研究提供重要线索。文章简要回顾了近年来国内外在空间尘埃探测领域取得的重要进展，在比较国内外技术水平和研究现状的基础上，探讨了未来空间尘埃探测的发展趋势，并提出以空间尘埃探测载荷技术、模拟标定技术、模型构建及数据分析技术等为核心的发展建议。此外，还要加强空间尘埃探测领域人才培养，打造一批本领域高素质专业技术人才队伍。
文章速览
空间尘埃是普遍存在于浩瀚太空的固体颗粒，它们在恒星与行星系统的形成、星系以及整个宇宙演化中起到重要作用。空间尘埃可能较为完整地保存着太阳系形成初期最原始的信息，被认为是记录太阳系起源和演化历史的“活化石”。另外，空间尘埃还有可能携带着生命构成的原材料，它们就像是生命的使者，向各个星球传播生命起源的火种。因此，对空间尘埃的研究能为太阳系起源、演化和生命起源等重大基础科学问题的研究提供重要线索。另外，在工程实施上，空间尘埃密切关系着探测科学目标的实现，甚至整个任务的成败。例如，在“阿波罗15号”着陆过程中，推力器发动机反推羽流吹起的尘埃挡住了宇航员的视线，导致着陆器降落在一个陨石撞击坑的边缘，使登月舱向坑内倾斜11°，已接近登月舱最大允许倾斜角度（14°），对任务实施造成了潜在危害。
空间尘埃及相关现象的观测已有一个多世纪的历史。早在1863年，意大利天文学家乔瓦尼·多梅尼科·卡西尼通过天文观测就对黄道光的形成原因作了科学解释，认为它是绕太阳运行的尘埃颗粒散射的太阳光。直到20世纪50年代，随着航天技术的发展，美国、欧洲、日本相继通过发射探测器对空间尘埃开展研究。近年来，随着探月工程的实施，中国对月球尘埃及其带电特性开展了原位探测，中国还计划发射小天体探测器，对主带彗星311P的尘埃特性开展探测。俄罗斯将要发射“月球-25”和“月球-27”探测器，并搭载相关载荷对距离月面几米范围内的尘埃和尘埃等离子体开展科学探测。目前，国际上的尘埃探测主要集中在月球尘埃、行星际/行星尘埃、彗星尘埃、小行星尘埃以及某些行星卫星（如土卫二和木卫二）的羽流喷泉尘埃等。通过上述探测活动，国际上已经积累了大量的空间尘埃探测数据，取得很多重要的研究成果和科学发现。在理论研究方面，建立了多个尘埃模型，例如，美国国家航空航天局（NASA）的Divine模型、MEM模型、MEMR-2模型；欧洲航天局（ESA）的Staubach模型、IMEM模型、IMEM-1.1模型、IMEM-2模型。在科学产出方面，多项研究成果发表在Nature、Science上，此外，还有超过300篇研究论文发表在国际知名期刊上。随着新的探测计划的逐步实施，人类对空间尘埃的认知将会进一步加深。
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国外空间尘埃探测研究进展
1.1 月尘探测
月尘通常是指粒径小于20 μm的月壤颗粒，它是月球表面非常重要的空间环境因素，也是月球表面着陆探测或载人登月探测需要面临的首要环境问题。月尘的静电悬浮和迁移会对航天器探测载荷以及宇航员造成潜在危害，密切关系着空间探测科学目标的实现甚至整个探测任务的成败。因此，对月面空间环境中月尘带电和迁移机制开展探测，在科学上可为“阿波罗”探月时期观测到的“地平线”辉光现象成因提供关键证据；在工程上可为后续探月任务中月尘防护、清除及危害规避方案设计提供依据。
早在20世纪60年代中后期，美国“勘测者5、6和7号”携带的电视摄像机在月面日落之后拍摄到了“地平线”辉光现象（图1），这是人类首次观测到可能与带电月尘有关的空间现象。此后，美国“阿波罗11、12、14、15、17号”和苏联“月球-19”“月球-21”均给出了月面上空存在静电悬浮月尘的间接证据。
图1 “勘测者7号”探测器在月面日落后拍摄的
“地平线”辉光现象
1994年，美国发射的“克莱门汀号”（Clementine）月球探测器搭载一台星跟踪器相机，从背光面对月球边缘上空拍摄成像。早前，Zook等分析数据也发现月球晨昏线上空有微弱的辉光现象。2014年，研究人员对早期探测数据重新分析发现，当扣除背景黄道光后，“克莱门汀号”的星跟踪器相机并未拍摄到月面晨昏线上方的辉光现象。
2009年，美国发射的“月球勘测轨道器”（LRO）搭载“莱曼-阿尔法测绘项目紫外摄谱仪”（LAMP）开展月球外层空间中的尘埃探测。研究人员通过分析LAMP光谱找寻尘埃散射的太阳光，但最终并没有发现任何由尘埃散射导致的辉光现象。此外，LRO上还搭载激光测距望远镜。2019年，研究人员分析激光测距望远镜探测数据发现，在无流星雨的时段，1~20 km的空间范围内，月尘密度的上限要比“阿波罗15号”推测值小2~3个数量级；在流星雨期间，月尘密度上限也要比“阿波罗”时代的推测结果小1个数量级。
2013年，NASA发射了“月球大气和尘埃环境探测器”（LADEE），它搭载有一台“月球尘埃实验设备”（LDEX），如图2所示，主要用来确定月球外层空间中月尘密度随时间和空间的变化情况。在80 d的累积观测时间内，LDEX总共计录了140000次月尘碰撞事件。通过分析这些碰撞事件发生的时间和位置，研究人员发现，月球外层空间存在一个永久的、稀薄的、不对称分布的尘埃云环境，而且尘埃的空间密度分布和轨道高度没有显著的依赖关系。另外，如图3所示，还发现月球晨昏线上空的月尘密度并不比其他地方更高，而且LDEX测得的月尘密度要比“阿波罗”时代测算值小2~3个数量级。LADEE上还搭载有一台“紫外可见光谱计”（UVS），UVS探测结果表明，月球外层空间存在一个在时间和空间上动态变化的纳米尺寸的尘埃云，而且和LDEX探测结果相同，月球外层空间纳米尘埃云的丰度也受流星雨的影响。
图2 LADEE上的月球尘埃实验设备
图3 LDEX探测的月尘空间密度上限随轨道高度的变化
1.2 行星际/行星尘埃探测
行星际尘埃主要来源于行星及其卫星和尘埃环、小行星和彗星，这些小天体相对比较疏松，它们之间的碰撞、瓦解甚至碎裂以及挥发物的蒸发导致行星际尘埃的产生。由于这些小天体的演化程度较低，可能保存有太阳系形成时的原始信息。因此，研究行星际空间尘埃，有望为太阳系起源和演化等重大基础科学问题的研究提供重要线索。
1990年，美国发射的“尤利西斯号”（Ulysses）是NASA与ESA联合研制的一颗太阳探测器，该探测器携带有撞击电离型尘埃探测系统。1992年2月，“尤利西斯号”运行轨道与木星相遇，它的尘埃探测系统在国际上首次发现木星或其附近卫星产生的亚微米级的尘埃喷发流，喷发周期为（28±3）d，每次喷发持续时间在几小时到2 d不等。该探测系统在大约17年的任务期内，总共探测到6719个空间尘埃碰撞事件。虽然“尤利西斯号”尘埃探测系统记录的这些碰撞事件中只有一小部分是由行星际尘埃产生的，但这已经弥补了之前黄道面以外行星际尘埃观测的不足。图4为“尤利西斯号”尘埃探测系统工作原理示意图。
图4 “尤利西斯号”尘埃探测系统工作原理示意图
1989年，美国采用“亚特兰蒂斯号”航天飞机释放的研究木星及其卫星的“伽利略号”（Galileo）探测器搭载了一台尘埃探测系统，如图5所示，该系统采用与“尤利西斯号”尘埃探测器相同的结构设计。1995年12月7日，“伽利略号”探测器到达木星并进入围绕木星的大椭圆轨道。该系统探测发现，木星环主要是由尘埃粒子组成，可分为主环、晕环和薄纱环3部分。还发现微流星体撞击会产生微小尘埃喷射的现象。此外，“尤利西斯号”和“伽利略号”的尘埃探测系统都探测到由木卫一火山活动喷发产生的纳米量级高速尘埃流。
图5 “伽利略号”尘埃探测系统实物照片
1996年，NASA发射的“火星探路者号”（Mars Pathfinder）于次年7月在火星表面成功着陆，它携带的火星车“索杰纳号”（Sojourner）上搭载一台“材料黏附实验设备”（MAE），用于测定火星表面尘埃沉积速率，以评估太阳电池在火星长期任务中的应用情况。如图6所示，MAE安装在火星车左前角，它由太阳能电池传感器和石英晶体监测器构成。MAE的测试表明，在探测任务期的前40 d，火星尘埃每天对太阳电池的遮挡率大约为0.28%，该值与着陆器太阳能电池板的性能衰减率一致，即同一时期太阳能电池板功率每天也以大约0.29%的速率下降。
图6 “材料黏附实验设备”在火星车上的
安装位置示意图
1997年，NASA、ESA和意大利航天局合作的“卡西尼-惠更斯号”（Cassini-Huygens）探测器上搭载了宇宙尘埃分析仪，如图7所示，该分析仪主要目的是测量土星环中尘埃的速度、质量、带电量、化学成分等。宇宙尘埃分析仪主要包括两部分：高计数率探测器，使用双层的聚偏氟乙烯（PVDF）压电膜测量宇宙尘埃的撞击速度和流量通量；尘埃分析仪，用于测量宇宙尘埃携带的电荷、入射速度、入射方向、尘埃质量及其化学组成。
图7 “卡西尼-惠更斯号”探测器搭载的
宇宙尘埃分析仪实物照片
“卡西尼-惠更斯号”搭载的宇宙尘埃分析仪与其他尘埃探测载荷联合探测了太阳系内不同位置处的尘埃通量，如图8所示。这些探测发现如下结果：在太阳附近由于辐射压和行星际磁场的作用，尘埃通量下降2个量级；尘埃粒子在土卫二附近出现峰值，确认了土卫二南极区域羽流喷泉的存在；发现土星E环中存在富含盐的尘埃粒子，这些尘埃被认为起源于土卫二的地下海洋；发现土卫二喷射出的尘埃粒子含有大分子有机物质，这表明土卫二中具有生命物质存在的可能性。
图8 不同尘埃探测器测得的行星际尘埃的通量
2018年，NASA发射的“帕克号”太阳探测器（Parker Solar Probe）是人类首个飞入太阳日冕的飞行器，搭载的电磁场测量仪器对穿越太阳大气中的等离子体、电场、磁场、无线电辐射及激波进行直接测量，还充当一个大型的宇宙尘埃探测器，提供了一种尘埃对航天器撞击率的测量手段。2019年4月，当“帕克号”太阳探测器抵达35个太阳半径的远日点时，在200 ms的时间内探测到135个明显的行星际尘埃颗粒碰撞事件，通过校准，确定这次探测结果与其他技术预期的1000个尘埃事件数量一致。
1.3 彗星尘埃探测
彗星主要由松散的小岩石、冰、尘埃以及冻结的气体组成。当彗星接近太阳系的内侧时，会受较强的太阳辐射作用，其内部挥发性物质将会蒸发，带走一些尘埃颗粒，形成巨大的彗发和彗尾，并把它们散失到行星际空间。由于彗星长期在太阳系靠外的寒冷轨道环境中运行，内部很少发生演变，能较完整地保存太阳系形成初期最原始的物质状态。另外，彗星尘埃还有可能携带氨基酸、水、碳等构成生命的基本元素，并在与地球撞击过程中带到地球，使生命在地球上诞生。因此，对彗星尘埃的研究可为生命起源等重大基础科学问题提供重要信息。
1986年，ESA发射的“乔托号”（Giotto）哈雷彗星探测器从距哈雷彗星彗核中心607 km处掠过，利用携带的尘埃撞击检测系统对彗发的尘埃进行探测。该系统包括多个压电陶瓷传感器，主要测量质量在10-19~10-6 kg范围内尘埃通量，并比较研究了接近彗核之前和远离彗核之后尘埃环境的变化。
2001年，NASA的“深空一号”（Deep Space 1）探测器以16.5 km/s的速度飞越包瑞利19P彗星（19P/Borrelly）的彗发，利用携带的光学载荷轻型集成相机/成像光谱仪获得彗核及彗发的图像和红外光谱。2004年，NASA发射的“星尘号”（Stardust）探测器飞越维尔特2号彗星（81P/Wild-2），探测了81P彗星周围尘埃的组成。该探测器携带3种与尘埃探测相关的科学载荷，包括尘埃通量监测器、彗星与行星际尘埃分析仪和气凝胶尘埃收集器。尘埃通量监测器采用一种聚偏氟乙烯压电膜来测量尘埃颗粒的通量，如图9所示。彗星与行星际尘埃分析仪采用飞行时间质谱计测量尘埃的成分，如图10所示。气凝胶尘埃收集器将收集到的彗星尘埃带回地球进行实验室分析。
图9 “星尘号”探测器上的尘埃通量监测器
图10 “星尘号”探测器上的彗星与行星际尘埃分析仪
2005年，NASA发射了坦普尔1号（9P/Tempel-1）彗星探测器——“深度撞击号”，并于同年7月3日释放撞击器，成功撞击9P彗星。“深度撞击号”任务旨在解答关于彗星的基本问题，例如彗核的成分、撞击造成的撞击坑深度、彗星的形成地点等。通过对撞击及其余波的观测，确定了内核与外层的差异，以研究彗星的形成过程。该探测器携带了用于观测撞击前后彗核表面变化的高分辨率相机、中分辨率相机和红外光谱探测仪。这次彗星探测任务未携带专门的尘埃特性分析设备。“深度撞击号”在完成9P彗星撞击任务后，任务扩展为EPOXI（Extra-solar Planet Observation and Deep Impact Extended Investigation）彗星探索。2010年11月4日，EPOXI从距离哈特雷2号彗星（103P/Hartley-2）700 km处发回照片，照片显示其花生形状的彗核结构，并发现几处尘埃喷发事件。
2014年8月，“罗塞塔号”（Rosetta）探测器经过10年的飞行到达木星轨道外的彗星67P，该探测器主要用来探测彗星尘埃的特性和彗星的挥发组分。“罗塞塔号”探测器由“罗塞塔”轨道器和“菲莱”着陆器两部分组成。“罗塞塔”轨道器携带了10台科学载荷，用于对67P彗星的科学探测。“菲莱”着陆器携带10台科学载荷，其中用于尘埃特性分析的仪器有COSIMA、GIADA、MIDAS、OSIRIS。GIADA用于测量来自彗核和其他方向尘埃的粒径、动量、质量、通量和速度等参数，如图11所示。GIADA包括3个不同的探测分系统，利用它们进行联合测量。3个测量分系统分别是：①颗粒探测系统（Grain Detection System, GDS），主要探测每个进入GIADA的尘埃颗粒粒径，但不影响颗粒动态特性；②撞击传感器（Impact Sensor），用感应板测量颗粒碰撞时释放的动量；③微量天平（Micro- balance），用于测量来自不同方向尘埃颗粒的通量，如图12所示。GIADA是在低速伴飞条件下对彗星尘埃进行原位综合探测的唯一仪器。
图11 “罗塞塔号”探测器上的尘埃探测载荷GIADA
图12 尘埃探测载荷GIADA上的颗粒探测系统、
撞击传感器和微量天平
在绕飞彗星67P探测过程中，尘埃探测载荷GIADA获得大量关于彗发和彗尾中尘埃的相关特性。发现彗星67P周围分布有2种不同迁移方向的尘埃，即直接从彗核喷发的尘埃和被太阳光压反射的尘埃；发现彗星周围存在致密颗粒和蓬松尘埃团两种类型的尘埃颗粒，其中，致密颗粒粒径80~800 μm，蓬松尘埃团粒径0.2~2.5 mm；还发现彗核的喷发机制，即可能是冻结在彗核内的水冰和气体在靠近太阳时剧烈挥发引起的。
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中国空间尘埃探测研究进展
国外空间尘埃探测历史已超过半个世纪，近年来，伴随着深空探测工程的实施，中国也逐步开展了空间尘埃探测。
2.1 月尘探测
2013年，中国发射的首颗地外天体软着陆探测器——“嫦娥三号”（CE-3）上搭载了一台由兰州空间技术物理研究所研制的月尘原位探测器（图13），该探测器由两个探头构成，即黏性石英晶体微量天平（SQCM）和太阳电池探针（SCP），其中，SQCM主要用来测量自然因素在月昼导致的月尘沉积量，SCP主要用于测量CE-3任务期内人为因素和自然因素共同导致的月尘沉积质量。
图13 CE-3月尘探测器两个探头在着陆器上的
安装位置及高度
中国CE-3月尘探测是继“阿波罗”探月之后首次在月面开展的月尘原位测量试验。CE-3的SQCM探头安装在着陆器左前侧的温控箱里，它的视场是一个半角约为75°的圆锥体。在CE-3一年的任务期内，SQCM探测表明自然因素导致的月尘沉积量大约是6.5 μg/cm2，鉴于SQCM探头在月面实际开机测试的时间不到1/3年，因此，在月昼期间，CE-3着陆区自然因素导致的月尘年度沉积量大约是21.4 μg/cm2，这是国际上首次利用SQCM实现了月面月尘累积质量的原位测量。这项研究成果得到“阿波罗11、12、14、15号”月尘探测试验设计者O’Brien教授的高度评价。2019年7月，在NASA艾姆斯研究中心举行的“阿波罗11号”载人登月50周年庆祝活动中，O’Brien教授对这项研究成果向参会者进行了介绍。
CE-3月尘探测器SCP探头安装在着陆器的顶端，直接暴露在月表空间中。因此，SCP能监测整个任务期内任意时刻沉积的月尘。SCP利用月尘沉积前后电池短路电流的减小量来确定月尘的沉积量。研究表明，CE-3着陆过程中反推羽流吹起的月尘沉积量大约0.82 mg/cm2。NASA刘易斯研究中心根据“阿波罗12号”着陆过程建立的模型预测值（1.63 mg/cm2）和这一结果相近。月面自然因素导致的尘埃年度累积量大约0.15 mg/cm2，该值远小于“阿波罗”时代的估算值（30 mg/cm2）。另外，SCP还监测了月全食期间月面“晨昏线”途经CE-3着陆区时激扬的月尘沉积量。结果表明，月全食期间，当“晨昏线”经过CE-3着陆区时激扬起的月尘量和其他时段并无显著差异，说明月面“晨昏线”上方并不存在大量的静电悬浮月尘，这一观测结果也不支持“阿波罗”探月时期有关月面“晨昏线”上方存在大量静电悬浮月尘的观点。
2020年，在中国首个实施无人地外天体取样返回任务的探测器——“嫦娥五号”（CE-5）上，搭载一台由兰州空间技术物理研究所研制的带电月尘探测器。该探测器由两套相同的测量探头组成，每套探头分别由一组阻滞势分析仪和一台石英晶体微质量天平（QCM）组成，如图14所示。实际测试过程中，通过设置不同的扫描电压，并根据相应电压下两个探头测得的尘埃沉积质量差，就可以得到不同荷质比月尘在总沉积量中所占的质量分数。2020年11月CE-5带电月尘探测器随CE-5探测器发射，并于同年12月2—3日在月面进行了10多个小时的原位探测，相关探测成果正在分析当中。
图14 CE-5带电月尘探测器实物图和
工作原理示意图
在中国即将实施的探月工程四期任务中，“嫦娥七号”（CE-7）探测器将飞往月球南极对极区进行科学探测。由于月球极区的太阳高度角极低，太阳风与月面几乎相切，且与撞击坑等大型障碍物相互作用，月球尘埃活动可能会非常活跃，是理想的尘埃运动实验场。CE-7科学载荷分系统配置有一台由兰州空间技术物理研究所研制的尘埃特性测量仪，可获取极区尘埃迁移的关键参数及其时空变化规律，将观测参数与尘埃迁移理论模型对比，实现不同地形和光照条件下的尘埃活动的预测。月球南极是月球基地建设及载人登月的候选区域之一，对于极区尘埃的探测，无疑对后续探月工程的顺利实施是必要而且非常重要的。
CE-7尘埃特性分析仪包括传感器单元、防尘盖、电子学系统、工程保障单元等4部分。其中，传感器单元主要包括尘埃粒径测量传感器和尘埃通量测量传感器。尘埃粒径测量传感器位于仪器入口内，该入口尺寸为25 mm × 40 mm。尘埃通量测量传感器由3个不同朝向的QCM组成，分布于尘埃特性分析仪入口的周围。电子学系统位于仪器箱底部，主要作用是完成对数字信号的处理、分析和整理。工程保障单元主要包括各用电部件的DC-DC电源模块和主动热控模块，尘埃分析仪结构如图15所示。
图15 CE-7尘埃特性分析仪结构示意图
2.2 彗星尘埃探测
中国已制定了主带彗星探测任务规划，计划搭载多个科学载荷对主带彗星进行近距离综合探测。其中包括采用尘埃分析仪对主带彗星彗发和彗尾中尘埃特性进行原位探测。尘埃分析仪设计方案包括尘埃粒径测量传感器、尘埃动量测量传感器、尘埃通量测量传感器、微型成像系统以及电子学系统，如图16所示。尘埃粒径测量传感器位于仪器入口内，利用激光的散射原理对尘埃粒径进行探测。尘埃动量测量传感器位于仪器入口的正下方，用于测量进入仪器箱内的尘埃的动量。尘埃通量测量传感器即QCM，位于仪器的上表面以探测尘埃颗粒的流量通量。微型成像系统位于仪器箱上方，相机正对尘埃沉积板进行相对静止的成像，用于分析尘埃的形貌和光谱信息。电子学系统位于仪器箱底部，主要完成对探测信号的处理、分析和整理工作。主带彗星尘埃分析仪由兰州空间技术物理研究所牵头研制，该尘埃探测载荷方案将进行进一步的改进和优化，未来有望对主带彗星周围分布的尘埃特性进行详细探测。
图16 主带彗星尘埃分析仪的设计方案
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国内外对比分析与发展建议
3.1 国内外对比分析
在空间尘埃探测领域，中国已开展了月尘探测，即将实施彗星尘埃探测。但是，在探测的广度和频次方面，与国外航天强国相比仍有较大差距，主要表现在以下几个方面。
（1）探测目标单一，原创性成果少。国外已经开展月球尘埃、行星际尘埃、彗星尘埃等多种尘埃的探测，积累了大量的科学数据，而中国仅对月尘开展了原位探测和研究。因此，对空间尘埃特性的认识非常有限，缺少重大的、原创性的科学发现。
（2）科学主载荷缺失，数据积累少。在探月工程中，尘埃探测器仅作为辅助载荷，在有限的条件和时间段开展了原位探测，而国外LDEX作为科学主载荷，对月尘开展了全方位主动探测，获得月球外层空间不同时刻、不同位置的尘埃丰度。因此，对探测对象的时空演化规律仍然缺乏全局性的科学认知。
（3）载荷功能单一，测试参数受限。在空间尘埃探测中，国内目前只能测量月尘累积量和电荷属性等参数，而国外已经开展尘埃成分、通量、形貌、速度、质量等多参数综合测量。因此，对尘埃特性的研究缺乏全面性和系统性。
（4）计量保障能力不足，测量参数溯源难。地面模拟校准和空间原位标定是尘埃探测载荷研制、试验、应用和数据分析的前提和基础。国外经过半个多世纪的发展，在计量方法、技术和标准等方面建立了相对完整的体系，确保测试数据准确可靠。中国近年来在空间尘埃环境模拟、尘埃特征参数标定等方面开展了一些初步研究，尚未建成完善的测试计量保障体系。
（5）人才队伍不足，学科方向尚未形成。空间尘埃探测技术的发展和原创性成果的产出依赖于人才队伍，美国早在“阿波罗”探月时期就开始组建空间尘埃探测团队，中国起步较晚，还未形成专业的尘埃探测团队，相关研究机构还未形成明确的学科方向，在该领域缺少一批具有国际影响力的技术专家。
3.2 空间尘埃探测发展建议
针对空间尘埃探测技术发展现状和国内外差距，未来中国仍需要不断创新尘埃探测载荷技术，发展空间尘埃探测计量新方法，提高探测数据分析能力，具体可以从以下几个方面开展研究工作。
3.2.1 空间尘埃探测载荷技术
结合中国的空间科学与深空探测发展规划，尽早制定中国空间尘埃探测规划，并根据不同阶段的尘埃探测要求，按优先级别发展相应尘埃探测科学载荷，实现尘埃颗粒质量、通量、速度、成分、形貌、电荷携带量等关键参数精确测量的能力。一般而言，科学载荷从概念的提出到设计，再到研制出相对成熟的产品往往需要数年的周期。因此，建议分阶段分批次支持空间尘埃探测技术的预先研究，攻克关键技术，研制轻小型化、低功耗、长寿命、高可靠、多功能的空间尘埃探测载荷。
3.2.2 空间尘埃探测模拟标定技术
空间尘埃探测模拟标定技术主要包含地面空间尘埃环境模拟校准技术和空间在轨原位标定技术。未来空间探测目标的多样化发展，尘埃质量、形貌、成分等特征参数差异性更大，在地面，亟需构建更加复杂的空间尘埃模拟环境，建立模拟校准方法，为保证测量结果“天地一致”提供计量保障。另外，对于地面无法完全准确模拟的复杂环境，建议针对不同探测载荷，开展可原位工作的标准模拟源研制，实现在轨周期性原位实时标定。在此基础上，逐步建立包含测量技术、量值溯源、标准规范等为一体的空间尘埃探测计量保障体系。
3.2.3 空间尘埃模型构建及数据分析技术
国际上，NASA、ESA率先建立了不同的空间尘埃模型。中国空间尘埃探测数据有限、理论研究较少、尚未建立空间尘埃模型，不能为后续空间科学探测任务中载荷的设计、应用及数据分析提供科学支撑。因此，建议深入开展空间尘埃喷射、迁移、悬浮等机制研究，结合空间探测数据，在已有空间尘埃模型基础上，不断完善以空间尘埃动力学等为核心的理论模型，优化数据分析方法，加深对空间尘埃时空演化规律的认识，为科学研究和航天器设计提供理论依据。
3.2.4 空间尘埃探测专业队伍建设
在中国，空间尘埃探测属于新兴领域，学科方向尚未建立，专业不强，人才匮乏，希望未来能够在学科建设和人才队伍培养上加大力度。同时，积极引进国际化人才，培养本土专业团队，加强与国际高水平科研院所的交流合作，逐步培养出一支具有本领域专业素养的高水平科研团队。
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结束语
主要回顾了国内外在空间尘埃探测领域取得的重要进展，比较分析中国在空间尘埃探测领域与国外的差距，并对中国将来的空间尘埃探测发展提出一些建议，即发展空间载荷技术，提升空间尘埃探测能力；发展空间尘埃探测的计量保障能力，从数据分析、模型构建、试验标定等多个维度，确保空间尘埃探测活动的可靠性、准确性和有效性；加强人才培养，打造一批高素质的专业人才队伍。随着中国国力的提升和投入的增大，未来的空间探测将走向更远的深空，空间尘埃探测将迎来全新的发展机遇，有望取得具有国际影响力的研究成果，为厘清太阳系起源、演化和生命起源贡献中国智慧。
END
引用本文
王永军, 赵呈选, 李得天, 王鹢, 张海燕, 李存惠, 庄建宏, 张虎忠. 空间尘埃探测进展与发展建议[J]. 前瞻科技, 2022, 1(1): 38-50.
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