月面重力環境效應的地面模擬方法

朱戰霞， 張志昊， 孫 沖， 鄭子軒， 袁建平

(1.西北工業大學航天學院， 西安 710072； 2.航天飛行動力學技術國家級重點實驗室， 西安 710072)

1 引言

月球作為地球的唯一衛星，其特殊的空間位置以及豐富的潛在資源已經引起了全球的關注，建設永久性載人月球基地成為各航天大國的目標之一，如歐空局的月球村計劃以及NASA 的Artemis 重返月球計劃。 隨著嫦娥計劃的順利實施，中國也應盡早開啟月球基地建設計劃，以開發和利用豐富的月球資源。

月球基地的建設離不開航天員和各類機器人的協同合作，執行月球表面的各種巡視、挖掘、搬運、搭建、維護等任務，為人類向月球的遷徙做好基礎設施搭建和服務保障。 航天員月面活動的適應性訓練以及各類機器人任務可靠性檢驗都必須在發射前進行充分的地面試驗和測試。 為了獲得能夠反映月面操作真實效果的試驗結果，必須模擬月球環境。 從動力學和運動特性方面考慮，首先需要模擬月面重力環境。 因為地面重力環境與月面重力環境有較大差異，航天員和機器人在不同的重力環境下所表現出的運動特性也存在較大差異，通過地面試驗系統等效模擬月面的重力環境，才有可能使航天員和機器人的動作和運動特性與月面重力環境中的等效或一致。

本文旨在對月面重力環境模擬方法進行分析。 首先對空間微重力環境的模擬方法進行闡釋，分析其優缺點及應用于月面重力環境模擬的可能性，并對月面操作地面試驗的現狀及面臨的問題進行分析。 在此基礎上，介紹一種液磁混合模式的月面重力環境效應模擬方法，并展望其在月面操作活動及相關技術驗證中的應用前景。

2 空間微重力環境/效應模擬方法

縱觀已有的空間微重力環境/效應模擬方法，主要包括2 類:①環境模擬，即利用重力加速度創造微重力環境，包括自由落體法、拋物線飛行法；②環境效應模擬，即試驗件持續受到可以平衡或近似平衡重力的外力，而使視重為零，包括氣浮法、懸吊法和液浮法。

2.1 自由落體法

自由落體法利用一定高度差下的自由落體原理進行失重模擬，微重力水平可達10～10(為地面重力加速度)，一般可獲得5 ～10 s 的微重力時間。 主要設施包括探測火箭和微重力落塔，具有微重力水平高、試驗費用低、試驗機會多等優點，主要用于科學試驗。 但其持續時間很短，只有幾秒鐘，并不適合于模擬長時間空間運動。

2.2 拋物線飛行法

拋物線飛行法通過飛機俯沖過程中產生短時間類似自由落體的環境模擬微重力狀態，主要設施是失重飛機，微重力水平比自由落體法低一些，可達10～10，一次拋物線飛行提供的失重時間比較短，一般只有幾十秒到一分鐘，也不適合于模擬長時間空間運動。 而且該方法不支持體積龐大的試驗系統，目前主要用于航天員的訓練和一些科學試驗。

2.3 氣浮法

氣浮法依靠壓縮空氣形成氣膜，使試驗件浮起，通過高壓氣體的作用力平衡物體重力，從而實現微重力效應的模擬，同時可實現近似無摩擦的相對運動。 由于其氣膜高度只有毫米級，因此沒有垂向自由度，目前大多用于平面相對運動試驗和姿態模擬與仿真試驗。 近年來，在二維平面氣浮的基礎上，通過增加垂直方向的無摩擦機構，基于運動合成的機理，也可實現三維空間內的六自由度試驗。 但是這種方法無法模擬姿軌耦合效應，很難從動力學本質上對復雜的空間三維運動進行模擬。

2.4 懸吊法

懸吊法利用懸掛重力補償原理，通過隨動控制方法使吊絲保持豎直，采用配重塊平衡豎直方向的重力，利用牽引裝置實現三維空間的運動，模擬微重力效應。 但是懸吊法基于靜態平衡原理，且施加在試驗件上的力是一種集中力，而非分布式力，且機構復雜、運動精確性不高，特別是動態情況下微重力模擬水平較低，約為10，應用受到很大限制，目前主要用于配合氣浮法進行空間機器人的地面試驗。

2.5 液浮法

液浮法是利用液體對試驗件的浮力平衡重力，使試驗件在液體中處于懸浮狀態(也稱中性浮力狀態)，以模擬微重力效應，主要設施是中性浮力水池。 中性浮力水池容積可以很大，可供大型試驗件六自由度長時間、無限制地連續運動測試。 但中性浮力法的微重力模擬水平受試驗件特性(體積和質量)的影響，浮力重力配平精度較低，且每一對象都必須經過復雜繁瑣的線下配平，無法通過環境力進行在線自主配平和調控，因此使應用范圍受限。 目前主要用于航天員訓練和有航天員參加的接觸性空間操作活動的訓練。

以上方法和設施各有特點，雖然可用于不同試驗目的下的微重力環境/效應模擬，但是并非完全適用于深空探測的星體表面重力效應的模擬。拋物線法和自由落體法都只能實現一種且僅僅一種狀態，即失重的狀態，無法實現低重力狀態；氣浮法的原理導致了一旦物體被浮起，則氣體壓力完全平衡物體重力，難以滿足低重力模擬要求。因此，以上3 種方法不適合星體表面重力的模擬。懸吊法中絲繩的拉力可人為控制，液浮系統中試驗件浮力是其體積的函數，都可以通過合理設計實現試驗件部分重力被平衡，從原理上講，可用于星體表面重力效應的模擬。

3 星體表面機器人操作的地面試驗現狀

目前星體表面機器人操作的地面試驗和研究，針對不同試驗目的，大致可以分為星體表面地貌特征模擬環境下的機器人運動性能試驗與星體表面重力模擬環境下的機器人運動和操作試驗。

3.1 星體表面地貌特征模擬

星體表面地貌特征模擬環境下的機器人運動性能試驗大多模擬火星或月球的地形地貌特征。例如美國LRV 月面巡視車地面試驗(圖1)、約翰遜中心的月球地貌試驗場(圖2)、 JPL 的MarsYard 火星地形試驗場(圖3)等。 以上試驗可以驗證部分技術，如目標識別、導航、移動、避障、遙操作等，但由于忽略了星球重力特征的模擬，無法有效驗證星球重力環境下機器人的運動特性和操控性能。

圖1 美國LRV 月面巡視車的地面試驗[8]Fig.1 Ground test of American LRV lunar rover[8]

圖2 約翰遜中心的月球地貌試驗場[8]Fig. 2 Johnson center’s lunar geomorphology proving ground[8]

圖3 JPL 的MarsYard 火星地形試驗場[8]Fig.3 JPL’s Mars yard[8]

3.2 星體表面重力模擬

對于星體表面重力模擬環境下的機器人運動和操作試驗，較常用的是懸吊法。 懸吊法通過吊絲拉力在垂直方向平衡試驗對象部分重力，就可以模擬星體表面的重力效應。 例如美國蘭利研究中心的門型框架低重力模擬器(圖4)、馬歇爾航天飛行中心的月球重力模擬器(圖5)、哈爾濱工業大學的星球車重力補償系統(圖6)。

圖4 門型框架重力模擬器[10]Fig.4 Gravity simulator of portal frame[10]

圖5 月球重力模擬器[11]Fig.5 Lunar gravity simulator[11]

圖6 星球車重力補償系統[12]Fig.6 Gravity compensation system of planetary vehicle[12]

懸吊法可以實現不受時間限制的低重力效應模擬，在一定空間范圍內進行機器人運動和操作的研究與試驗。 例如，機器人的運動分析與試驗、月球車行走系統性能試驗、月面巡視器的控制試驗、月壤采樣相關技術研究與試驗、月球車的車輪與月壤之間的動力學試驗、月球著陸器著陸性能研究與試驗、視覺位姿測量技術與試驗等。 但是懸吊系統屬于集中力系，失真度大，結構機構非常復雜，控制系統的設計與實現難度非常大。 雖然已有一些針對懸吊系統設計、重力補償以及測控技術的研究，解決了應用中的部分技術問題，但針對星體表面的大范圍運動和機器人機械臂高精度復雜操作活動的地面試驗，懸吊法結構布設非常復雜，且有可能存在絲線阻擋/纏繞等問題，因此仍然面臨巨大的技術挑戰。

液浮法也可以用于星體表面重力效應的模擬，對于月球來說，通過液體浮力平衡被試驗對象5/6 的重力，就可以模擬月球表面重力效應，一般通過合理設計試驗對象的排水體積和自身重量來實現。 但是由于液浮法的模擬精度低，配平過程復雜，無法在線自主配平，雖然在微重力模擬和試驗中有大量應用，但目前甚少見其在星體表面操作試驗中的應用。

4 液磁混合懸浮方法及月面重力效應模擬

4.1 液磁混合懸浮方法

針對液浮法的不足，朱戰霞等提出了一種液磁混合懸浮方法，用于精確模擬微重力效應。其原理是基于液體浮力，并結合非接觸電磁力特性，形成合力共同作用于試驗對象上。 通過液體浮力宏觀調整微重力水平，通過可控電磁力實現微重力水平的微觀精確控制，如圖7 所示。

圖7 液磁混合懸浮原理圖Fig. 7 Schematic diagram of liquid magnetic hybrid suspension

液磁混合懸浮法保留了純液浮方法的優點，即長時間、大空間、三維、真實自由度的模擬，同時通過引入可控電磁力彌補了其不足(重力配平過程復雜，存在重力浮力差即剩余重力，配平精度嚴重依賴人員經驗，配平后微重力水平不可調節和控制)。 該方法更進一步有效結合了液體浮力和電磁力的優點，并彌補了各自的不足，是一種宏觀尺度浮力生成和微觀尺度電磁力調控的有機結合。 一方面通過電磁力彌補中性浮力不可精確調控的不足，另一方面通過液體浮力彌補電磁力不具有大范圍/大尺度調控能力的不足，可實現微重力模擬水平的大范圍高精度調控。

基于此方法的地面微重力試驗系統，涉及微重力水平精確模擬、電磁力生成與控制、電磁環境下試驗方法、水動力補償等關鍵技術。 基本組成包括液浮系統、電磁系統、試驗平臺系統、視覺測量系統、試驗操作與數據處理系統(圖8)。其中，液浮系統是一個水池，試驗件處于其中受到浮力作用；電磁系統分布于水池的上方，提供所需的電磁力，用于精確調控微重力模擬精度和水平；試驗平臺可以搭載需要測試的試驗對象；控制系統主要用于試驗過程中環境干擾(水動力干擾)的自主補償控制；測量系統由布設于試驗環境中的工業用視覺相機，圖像處理系統和數據融合系統組成，用于對試件的位置、速度、姿態等運動參數進行測量；試驗操作與數據處理系統用于對試驗過程進行在線操控，對試驗數據進行分析和處理。 目前已經建成的地面微重力試驗設施，其微重力模擬精度水平相對于純液浮系統提高了2 個量級，電磁力控制精度優于1%，水動力干擾自主補償精度優于1%，可提供大尺度、全維度、長時間、高逼真、高精度、可控微重力效應模擬水平的試驗環境，可實現與空間同步操作演示。

圖8 試驗系統組成圖Fig.8 Composition diagram of the experimental system

4.2 基于液磁混合懸浮法的月面重力效應模擬

在未來的月面基地建設中，航天員和機器人的月面行走和操作將成為日常，相應的地面訓練和操作試驗也成為必然。 考慮月面環境的特殊性，例如松軟月壤、特殊地形、低重力等，必須在地面搭建相似的試驗環境，以確保地面訓練和試驗結果的有效性。

特殊地形的搭建和模擬相對容易，通過對月面土壤和巖石的研究，得出其組成成分，就可以生產出與該組成成分相似的物質。 再結合地形地貌模擬方法，可以實現月壤和月面地形地貌的模擬。

由于月球重力是地球重力的1/6，航天員和機器人行走運動的感覺與地球完全不同，如何模擬月球重力環境下人/機器人的運動特性以及運動過程中與月面相互作用的力學特性仍舊是一個難題。 從液磁混合懸浮微重力效應模擬方法的基本原理看，將其擴展于月面重力效應模擬完全可行。 不同之處只在于通過液體浮力宏觀調整重力水平的不同，需要利用浮力平衡約5/6 的重力。在此基礎上，通過電磁力進行浮力重力差的精確調整和控制，使其與月面重力大小相同。 該方法將面力(浮力)和場力(電磁力)同時引入，相對于懸吊法的點集中力，向作用于質量微元的月面重力特性更近了一步。 基于以上思想，則可實現月面重力效應的模擬。 特別是通過粗調液體浮力平衡重力的多少，可實現大范圍內的變重力模擬，例如微重力、月球重力、火星重力等。 同時采用與微重力試驗相似的試驗方法和電磁力控制、水動力干擾補償等技術，可實現模擬精度的提高，例如，若基于純液浮方法的月面重力模擬精度為10(為月面重力加速度)，而通過電磁力的精確控制，基于液磁混合懸浮方法的月面重力模擬精度可提高到10，即可提高2 個量級。

當然，由于液體環境和電磁場環境以及重力場環境的同時存在，使得試驗件受力特性復雜，并存在耦合，如何在這樣的力場環境中實現人/機器人操作的等效模擬，需要進一步研究和解決。

4.3 液磁混合懸浮法在月面操作試驗中的應用

利用液磁混合懸浮法可以等效模擬月面重力環境效應。 在此基礎上，若在液浮系統的底部鋪設模擬月面高低起伏的地形板，則可實現月面特殊地形、低重力環境特性的同時模擬，為人/機器人的月面行走和操作的地面訓練和月面有效載荷相關試驗提供等效模擬環境。

基于目前人類對月球的有限認知和現有的航天技術水平，月球基地的建設過程將較為復雜，建設周期也較長。 按照建造階段的不同，月球基地的建設要經歷無人月球基地和載人月球基地階段，因此，所涉及的操作包括機器人月面操作和航天員月面操作。 機器人月面操作包括了月面巡視、挖掘、搬運、搭建、維修等。 航天員的月面操作活動包括出艙活動、無壓和加壓下漫游、固定的棲息地建設、基本支持系統建設(如發電廠)等。 圖9 所示是NASA 針對Artemis 計劃設想的一系列的月面硬件建設和對應的操作活動。

圖9 Artemis 的月面硬件建設和操作[29]Fig. 9 Construction and operation of Artemis lunar hardware[29]

對于未來月球基地建設所涉及的操作，利用液磁混合懸浮方法所模擬的月面環境特征，可以進行下列試驗和訓練:

1)航天員月面操作適應性訓練。 基于液磁混合懸浮法的月面環境特征模擬系統特別適合于航天員進行各種操作訓練和適應性訓練，有利于航天員掌握和熟悉月面重力環境下行走和動作的協調性。 包括訓練一般操作能力、進出艙活動，著重于月面行走、奔跑、跳躍步態訓練，以掌握精確調節人體運行能力；訓練航天員執行復雜操作的能力，例如零件組裝、機器人維修等精細復雜操作活動，以掌握精細操作過程中的人體協調控制技巧。

2)各類機械臂月面操作模擬試驗與訓練。機器人執行月面挖掘、搬運、搭建、維修等任務時，離不開多自由度靈巧操作機械臂的協助。 機械臂的相關技術和性能需要在等效月面環境下進行試驗和測試。 基于液磁混合懸浮法模擬的月面重力等效環境，不僅可使機械臂整體及各關節都處于1/6 重力作用下，而且使被操作對象(月面挖掘的月巖、月面搬運的材料、月面建造的結構)也處于1/6 重力作用下，同時是一種三維同自由度同步操作的試驗環境，因此非常適用于機械臂的等效操作測試和試驗，包括機械臂的機械運動構件性能、運動系統性能、規劃控制性能的測試與試驗；機械臂設計參數合理性檢驗和校正；面向任務的操作效果和操作流程檢驗和操作適應性訓練等。

3)人－機月面協調操作模擬訓練。 月面基地建設過程中，需要航天員和機器人相互配合完成特定任務。 基于液磁混合懸浮法模擬的月面等效環境，可以根據需要建設得足夠大，允許多名航天員和多個機器人同時進行測試與試驗，包括航天員之間的配合訓練與檢驗、機器人之間、航天員－機器人之間的協調操作訓練和測試、面向復雜任務的人機協同操作策略制定和規劃能力檢驗等。

4)月面有效載荷相關試驗。 月球探測活動涉及到各種有效載荷，包括技術驗證載荷和科學探測載荷。 基于液磁混合懸浮法構建的月面重力效應模擬環境，可以為有效載荷功能設計的合理性提供測試和試驗環境，例如載荷自身機構功能、搭載平臺功能、多個載荷之間的配合、搭載平臺對有效載荷功能性能的影響、月面地貌狀態對載荷功能性能的影響等。 同時，可為有效載荷任務設計合理性與工作程序優化設計提供地面測試環境，包括月面地貌狀態設定、任務階段劃分、工作模式設計、工作程序優化等。

5 結論

為滿足月面操作地面等效試驗的要求，需要建設月面重力環境的等效模擬設施。 縱觀傳統空間微重力環境/效應模擬方法，從原理上只有懸吊法和液浮法適合擴展到月面重力環境效應模擬。懸吊法已有較多應用，然而針對人/機器人月面大范圍空間內的復雜操作活動地面試驗，仍面臨巨大的技術挑戰。 液浮法存在模擬精度低、配平過程復雜等不足，目前甚少見其在星體表面重力模擬試驗中的應用。

考慮到液磁混合懸浮方法不僅具有液浮法大尺度、全維度、長時間、可同步的優勢，而且可控電磁力的引入增加了高逼真、高精度、可調控的特點，為此，針對人/機器人月面大范圍空間內的復雜操作活動地面試驗，建議基于液磁混合懸浮法進行月面重力環境效應的模擬，并建設相關試驗設施，以期為機器人月面操作活動地面測試和試驗、航天員月面操作訓練、人/機協同操作訓練、月球探測活動和月球基地建設等提供新型等效地面試驗方法和試驗平臺。