我国于年和年圆满完成了嫦娥三号和嫦娥四号探测器分别在月球正面和背面的软着陆，在年由嫦娥五号着陆器实现了月球表面月壤自主采样返回。随后几年，我国将陆续有嫦娥六号着陆器实施月球南极地区的采样返回，嫦娥七号着陆器实施月球南极地区的综合探测，嫦娥八号着陆器实施探测试验和关键技术的月面试验。更进一步，我国计划将在年前后实现载人登月，在年前后建立月球基地。从嫦娥三号着陆器开始，无人登月任务和载人登月任务面临一系列重大问题与巨大挑战，其中最关键和最严峻的挑战之一便是“月尘污染”问题，它甚至影响着着陆器、敏感设备以及航天器登月任务的成败。
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《月球颗粒与发动机羽流的相互作用》的研究是面向国家重大科技专项“探月工程”亟须解决的月球探测器着陆过程中遇到的一个关键科学问题。月球着陆器接近月表进行软着陆过程中，发动机喷出的羽流迅速向真空环境膨胀扩散，羽流冲击到月球表面，使风化疏松的月壤颗粒遭到破坏，导致月壤颗粒的四处飞扬。由于飞扬的月壤颗粒数量巨大，造成能见度严重下降，使着陆器和航天员视野明显受限。同时，大量悬浮的月壤颗粒极易附着在物体表面，造成敏感设备和元器件的磨损与失效，并侵入航天器和航天服里，对正常的探测活动和航天员的行动造成极为不利的影响。因此，“月尘污染”对着陆器的着陆稳定性和航天员的安全登月任务带来了很大的不确定性和严峻挑战，月壤颗粒与发动机羽流相互作用是无人登月任务和载人登月任务中亟须解决的一个关键科学问题。
本书针对五个关键问题：月壤颗粒被喷射的临界质量和月表形成月坑的尺寸、月壤颗粒受力影响因素、羽流场中月壤颗粒的相互碰撞问题、羽流场中月壤颗粒的扩散问题以及月壤颗粒与发动机羽流的双向耦合问题等，提出了原创的分析方法，并与阿波罗登月实测数据进行了对比验证。本书的部分分析方法尚属国内外首次提出，填补了该研究方向的部分空白。
本书面向国家重大科技专项“探月工程”遇到的月球着陆器着陆过程中亟须解决的一个关键科学问题，以月壤颗粒与羽流相互作用为研究对象，研究羽流冲击月表形成月坑、月壤颗粒在羽流场中受力的影响因素以及月壤颗粒与羽流相互作用几个关键问题。本书研究包括以下三个方面的内容。
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月壤颗粒与发动机羽流场相互作用的流固耦合计算方法
第2章根据着陆器登陆月球的实际物理现象，从基本力学方程出发建立了羽流侵蚀月壤颗粒和月壤颗粒在发动机羽流作用下的受力平衡方程，分析了月壤颗粒的临界剪应力，推导了月壤颗粒被喷射的临界质量和月表形成月坑的尺寸。第3章针对月球表面稀薄气体环境，基于CFD/DSMC耦合方法分析羽流场，给出羽流场的分区。第4章给出了计算参数的影响和精确性验证。第5章分析了月壤颗粒在羽流场中受力的主要影响因素，通过量级分析确定了月壤颗粒的主要作用力和次要作用力，并提出了月壤颗粒受力的修正因素。
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月壤颗粒与发动机羽流场相互作用的几个关键问题研究
第6章提出月壤颗粒之间的完全弹性和非完全弹性碰撞计算方法，分析了月壤颗粒相互碰撞的影响机理和影响因素。第7章提出守恒方程离散元方法和对流扩散方程有限差分法研究了羽流对月壤颗粒的扩散问题，分析了月壤颗粒扩散现象的影响机理和影响因素。第8章提出宏观双向耦合方法和微观双向耦合方法，给出了两种双向耦合方法对月壤颗粒的影响机理与影响因素。
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与阿波罗登月实测数据的对比验证
第9章采用本书提出的6种研究方法，与阿波罗登月过程的实测数据进行了对比分析，验证了本书研究方法的精确性和可靠性。
本书作者崔玉红教授、王建山教授和谢宇新副教授近十年参与了国家重大科技专项“探月工程”和“火星探测”计划等项目，配合中国空间技术研究院完成嫦娥三号、嫦娥五号、天问一号及神舟七号等着陆器地面环境试验上百个工况。本书的研究方法和研究结果已应用于嫦娥三号、嫦娥四号和嫦娥五号任务，为我国探月工程提供了重要研究方法和参考数据。中国载人航天办公室与探月和航天工程中心认为具有重大的科学意义、国防价值以及经济社会效益，有重要的推广应用价值。
在中国探月工程的实施过程中，需要解决一系列关键问题，包括探测器着陆月面时与月球环境的相互作用问题。该书主要是针对这一问题展开研究的结果总结。月球着陆器接近月表进行软着陆过程中，发动机喷出的羽流迅速向真空环境膨胀扩散，羽流冲击到月球表面，使风化疏松的月壤颗粒产生运动，导致月壤颗粒的四处飞扬；不但造成能见度严重下降，还会对探测器的着陆过程造成力、热和敏感器环境场等方面的影响。因此，开展这方面的研究对探月工程任务的成功实施也是非常重要的，研究很有价值。
该书系统阐述了研究进展、理论推导、计算方法、关键问题和实测验证，提出的研究方法填补了该研究方向的部分空白，为月球探测器着陆月面环节提供参考数据，研究成果已成功应用在我国探月工程中。该书为从事月球探测研究和应用的科研技术人员提供参考，也为航天、航空、力学、物理、土木、机械以及材料等相关领域的专家学者和技术人员提供参考。
杨孟飞
中国科学院院士
嫦娥五号探测器总指挥、总设计师
年9月于北京
内容简介
本书共10章，第1章是月壤颗粒与发动机羽流相互作用研究概述，第2章是月壤颗粒被喷射的临界质量和月表形成月坑的尺寸，第3章是发动机羽流场与分区，第4章是计算参数的选择，第5章是月壤颗粒受力影响因素，第6章是羽流场中月壤颗粒的相互碰撞问题，第7章是羽流场中月壤颗粒的扩散问题，第8章是月壤颗粒与发动机羽流的双向耦合问题，第9章是与阿波罗登月实测数据的对比验证，第10章是总结与展望。
目录速览
序
前言主要符号第1章月壤颗粒与发动机羽流相互作用研究概述11.1试验研究进展概述21.2计算方法研究进展概述51.3几个关键问题研究进展概述91.3.1月壤颗粒间的相互碰撞问题91.3.2月壤颗粒的扩散问题.3.3月壤颗粒与羽流的双向耦合问题.4本书主要研究内容12参考文献13第2章月壤颗粒被喷射的临界质量和月表形成月坑的尺寸.1发动机羽流侵蚀月坑的机理.2月壤颗粒被破坏的受力临界平衡方程.3月壤颗粒被喷射的临界质量和月表形成月坑的尺寸推导.4月壤颗粒在羽流场中的动力学方程.5本章小结27参考文献27第3章发动机羽流场与分区.1羽流场CFD/DSMC耦合方法.1.1CFD/DSMC耦合方法.1.2DSMC方法的基本理论.1.3CFD方法概述.2羽流场CFD/DSMC耦合方法的验证.3羽流场中连续流场、过渡流场和不连续流场的分区.4本章小结38参考文献39第4章计算参数的选择.1计算参数对月表形成月坑尺寸的影响.1.1网格划分对月表压应力和月表剪应力的影响.1.2试验系数Φ的影响.1.3月壤颗粒参数的影响.2计算参数对月壤颗粒运动轨迹的影响.2.1计算时间步长对月壤颗粒运动轨迹的影响.2.2月壤颗粒直径对月壤颗粒运动轨迹的影响.2.3升力系数对月壤颗粒运动轨迹的影响.2.4初始速度对月壤颗粒运动轨迹的影响.3本章小结48参考文献49第5章月壤颗粒受力影响因素.1月壤颗粒的受力分析.1.1Stokes曳力.1.2升力.1.3重力.1.4其他的力.2月壤颗粒受力影响因素的分析.3月壤颗粒受力影响因数的修正.4本章小结63参考文献63第6章羽流场中月壤颗粒的相互碰撞问题.1引入月壤颗粒相互碰撞问题的原因.2月壤颗粒的完全弹性碰撞方法和分析.2.1月壤颗粒的完全弹性碰撞方法.2.2月壤颗粒的完全弹性碰撞分析.3月壤颗粒的非完全弹性碰撞方法和分析.3.1月壤颗粒的非完全弹性碰撞方法.3.2月壤颗粒的非完全弹性碰撞分析.4月壤颗粒相互碰撞问题的不同方法对比分析.4.1月壤颗粒碰撞的平均次数和平均速度.4.2月壤颗粒的运动轨迹和月表颗粒所占比例.4.3与未考虑碰撞问题的比较.4.4与软球模型的比较.4.5与其他人结果的比较.5本章小结88参考文献89第7章羽流场中月壤颗粒的扩散问题.1引入月壤颗粒扩散问题的原因.2守恒方程离散元方法和结果分析.2.1守恒方程离散元方法.2.2无能量损失的守恒方程离散元方法的计算结果.2.3有能量损失的守恒方程离散元方法的计算结果.3对流扩散方程有限差分方法和结果分析.3.1对流扩散方程有限差分法.3.2对流扩散方程有限差分法的计算结果.4未考虑与考虑扩散问题计算方法的对比分析.5本章小结参考文献第8章月壤颗粒与发动机羽流的双向耦合问题.1引入月壤颗粒与发动机羽流双向耦合问题的原因.2宏观双向耦合方法.2.1羽流场对月壤颗粒的作用力和热传递.2.2月壤颗粒对羽流场的反作用.3微观双向耦合方法.3.1气体分子对月壤颗粒的作用力和热传递.3.2气体分子在月壤颗粒表面的反射.4宏观双向耦合和微观双向耦合方法的对比分析.4.1月壤颗粒的空间分布.4.2月壤颗粒的喷射角度.4.3月壤颗粒的速度.4.4月壤颗粒的温度.4.5羽流场边界的月壤颗粒流量.4.6月壤颗粒的运动轨迹.5与其他双向耦合方法的对比分析.6本章小结参考文献第9章与阿波罗登月实测数据的对比验证.1阿波罗登月着陆过程中羽流侵蚀月壤颗粒的实测结果.2阿波罗登月着陆过程的计算结果与实测数据对比验证.2.1阿波罗登月着陆过程的计算.2.2阿波罗实测数据与本书结果对比验证.3本章小结参考文献第10章总结与展望.1总结.2展望附表后记