面向載人月球探測(cè)的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)分析

馮咬齊，易 忠，李西園，劉明輝，高慶華，李 棟，汪 力，張鵬嵩，王志浩，張景川，王軍偉

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

0 引言

探索未知世界的本能及好奇心決定了人類參與深空探測(cè)的必然性，此外，利用地外星體資源及拓展自身生存空間也是人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的需求所在。以月球、小行星、火星等地外天體為目標(biāo)開展有人類航天員直接參與的載人深空探測(cè)活動(dòng)，是無(wú)人深空探測(cè)和載人航天工程后續(xù)發(fā)展的必然結(jié)合，其中，載人月球探測(cè)是不可跨越的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。載人月球探測(cè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是建立月球基地，對(duì)月球進(jìn)行長(zhǎng)期系統(tǒng)性科學(xué)研究并實(shí)施月球資源開發(fā)利用[1-3]。

相對(duì)于無(wú)人月球探測(cè)，載人月球探測(cè)的任務(wù)剖面更為復(fù)雜，航天器構(gòu)型更為多變，面臨的環(huán)境更為極端?？紤]到航天員的生命安全，在有人參與的月面探測(cè)活動(dòng)中，對(duì)著陸器、居住艙及相關(guān)設(shè)備的安全性和可靠性要求更高，因此需要在型號(hào)研制階段對(duì)航天器抵御極端環(huán)境的能力進(jìn)行驗(yàn)證，并篩除產(chǎn)品的早期缺陷。這就要求在地面能夠較為真實(shí)地模擬月面環(huán)境及航天器工作狀態(tài)，具體包括：相對(duì)于普通地球軌道的航天器，月表晝夜交替的瞬態(tài)外熱流更為復(fù)雜，太陽(yáng)輻射熱流快速瞬變，而月表紅外輻射則由于月壤熱容的影響變化緩慢，這就導(dǎo)致大型航天器（如居住艙、登陸器等）表面存在巨大的熱流、溫度梯度，需要具備測(cè)量和模擬全譜段瞬變外熱流的能力；還需研究解決如何在地面模擬航天員、月球車、工具等的多體低重力問(wèn)題，以及在月面超高真空環(huán)境下會(huì)影響生命保障系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、光學(xué)儀表、機(jī)械構(gòu)件性能的漂浮月塵的吸附問(wèn)題等[4-5]。

因此，針對(duì)已知的月面復(fù)雜瞬態(tài)外熱流、低重力、超高真空、月塵、紫外輻射、月貌月壤光照等環(huán)境，載人月球探測(cè)地面模擬試驗(yàn)技術(shù)需求主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[6-8]：

1）月表晝夜交替的瞬態(tài)外熱流復(fù)雜，在有人參與的情況下，艙體和登月服對(duì)溫度控制精度要求更高。為了驗(yàn)證載人登月系統(tǒng)的溫控準(zhǔn)確性，必須高精度模擬熱流邊界條件，給出準(zhǔn)確的驗(yàn)證結(jié)果，保證溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

2）航天員及月球車等需在月球低重力和復(fù)雜月貌月壤等惡劣環(huán)境下活動(dòng)作業(yè)，為了確保月面上人機(jī)聯(lián)合作業(yè)的順利實(shí)施，地面驗(yàn)證時(shí)必須對(duì)人機(jī)聯(lián)合作業(yè)的多體低重力環(huán)境進(jìn)行模擬。

3）人員月面作業(yè)、居住及基地建設(shè)有必要對(duì)熱、低重力、月面地形及月壤綜合環(huán)境進(jìn)行模擬，要求具備多種耦合效應(yīng)的模擬能力。

4）月面輻射環(huán)境會(huì)增強(qiáng)月塵的黏附性，激揚(yáng)月塵對(duì)生命保障、熱控、光學(xué)、機(jī)械等系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響和危害，因此必須對(duì)月塵及輻射環(huán)境進(jìn)行模擬，驗(yàn)證關(guān)鍵敏感設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和防護(hù)效果。

5）在月球表面超高真空環(huán)境下，載人登月裝備表面處于原子清潔狀態(tài)，不僅會(huì)發(fā)生活動(dòng)部件的真空冷焊現(xiàn)象，而且月塵在登月服面罩等表面上的附著力顯著增強(qiáng)，對(duì)大容量布?jí)m條件下的超高真空獲得與保持技術(shù)提出需求。

6）月面載人探測(cè)的地面驗(yàn)證十分復(fù)雜，為了先期評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)及方案，開展月面環(huán)境虛擬仿真試驗(yàn)具有顯著的重要性。

綜上所述，根據(jù)我國(guó)未來(lái)載人月球探測(cè)規(guī)劃發(fā)展的需要，開展面向載人月球探測(cè)的月面綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究具有十分重要的實(shí)際意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

到目前為止，美國(guó)是唯一成功實(shí)施了載人登月任務(wù)的國(guó)家，即20世紀(jì)60年代的“阿波羅”計(jì)劃。進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)提出了“重返月球”的口號(hào)，要建立月球基地，并開始著手為人類登上火星做準(zhǔn)備。除美國(guó)之外，俄羅斯（前蘇聯(lián)）、歐洲、日本、印度等國(guó)家都相繼提出過(guò)載人月球探測(cè)及月球基地建設(shè)的設(shè)想。為了配合無(wú)人或有人參與的月球探測(cè)活動(dòng)的開展與實(shí)施，以美國(guó)為代表的上述國(guó)家，針對(duì)月球表面復(fù)雜的熱、低重力、超高真空、月塵、太陽(yáng)輻射、月壤月貌等特殊環(huán)境因素，開展了大量的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，并建立了相應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)設(shè)施，以下歸納總結(jié)了具有代表性的研究成果及其應(yīng)用[9]：

1）美國(guó) NASA、蘇聯(lián)航天機(jī)構(gòu)、日本空間實(shí)驗(yàn)室等針對(duì)巡視器、航天員研究了懸吊法、浮力法、外骨骼法等低重力模擬技術(shù)，并研制了試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了低重力模擬；

2）歐洲ESA和美國(guó)NASA等航天機(jī)構(gòu)開展了入射式、吸收式及等效式熱流模擬方法等高精度熱環(huán)境模擬技術(shù)研究，應(yīng)用于“阿波羅”飛船及火星探測(cè)器；

3）美國(guó)JSC進(jìn)行了月面熱流、真空、重力卸載等環(huán)境模擬技術(shù)研究，建設(shè)了一系列模擬容器，滿足航天員和飛船等的月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，如ARGOS平臺(tái)，可模擬月球地貌和低重力環(huán)境，用于對(duì)航天員、巡視器任務(wù)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證；

4）美國(guó)NASA針對(duì)月塵環(huán)境模擬系統(tǒng)以及月塵防護(hù)方法，開展了專項(xiàng)研究并應(yīng)用于電池片、光學(xué)部件、機(jī)械設(shè)備、電子設(shè)備、航天服等；

5）美國(guó)JPL、歐洲ESA、日本JAXA等研究開發(fā)了ESATAN-TMS熱分析平臺(tái)、ROMAS等虛擬仿真平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)探測(cè)器性能的仿真和優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

1.2 我國(guó)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在載人月球探測(cè)領(lǐng)域目前尚處于前期論證及技術(shù)研究?jī)?chǔ)備階段。但通過(guò)載人航天工程及月球探測(cè)工程的實(shí)施，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所等多家單位，針對(duì)低軌道載人航天飛行及無(wú)人月球探測(cè)任務(wù)開展了大量的地面模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，建立了相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)施，積累了豐富的技術(shù)成果及工程經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)未來(lái)的載人深空探測(cè)打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，具有代表性的技術(shù)成果及其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面[8,10-11]：

1）針對(duì)月面低重力模擬問(wèn)題，開展了單點(diǎn)低重力模擬、氣球懸浮等方法研究；

2）開展了基于吸收熱流模擬方法的月面熱流模擬技術(shù)研究；

3）針對(duì)月球表面環(huán)境，開展了月面光照、月面形貌、月壤及月塵的特性及制備等技術(shù)研究；

4）針對(duì)月塵環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題，開展了月塵環(huán)境模擬、月塵沉積和吸附試驗(yàn)等技術(shù)研究；

5）在月面環(huán)境虛擬仿真技術(shù)方面，開展了基于 Vortex的月球車在月面環(huán)境下移動(dòng)性能仿真等技術(shù)研究；

6）面向載人航天工程型號(hào)研制試驗(yàn)驗(yàn)證需求，開展了航天服熱平衡、人-艙-服聯(lián)合等試驗(yàn)技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上研制了載人航天地面試驗(yàn)設(shè)施，完成了型號(hào)研制試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)；

7）面向月球探測(cè)工程型號(hào)試驗(yàn)驗(yàn)證需求，開展了基于月面吸收熱流模擬的熱試驗(yàn)、基于單體低重力模擬的巡視器月面行走試驗(yàn)、月塵環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)等試驗(yàn)技術(shù)研究，研制了月面環(huán)境模擬、月塵環(huán)境效應(yīng)模擬器等試驗(yàn)設(shè)施，完成了巡視器行走等型號(hào)試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

載人月球探測(cè)任務(wù)中，航天員及探測(cè)系統(tǒng)將面臨月球表面復(fù)雜的特殊綜合環(huán)境。因此，一方面，在任務(wù)實(shí)施前有必要開展月球表面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，以突破一些關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的月面環(huán)境模擬；另一方面，通過(guò)建立地外天體綜合環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)、試驗(yàn)方法及試驗(yàn)項(xiàng)目，開展系統(tǒng)級(jí)與組件級(jí)的月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究，可為載人月球探測(cè)任務(wù)中相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備的功能、性能以及月面活動(dòng)及作業(yè)進(jìn)行充分、有效的地面試驗(yàn)驗(yàn)證奠定技術(shù)基礎(chǔ)，為確保航天員安全提供保障，為載人月球探測(cè)綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)提供技術(shù)支撐[11-13]。

2.1 真空熱環(huán)境下月面移動(dòng)式多體低重力模擬技術(shù)

在探月工程“玉兔號(hào)”月球車低重力模擬試驗(yàn)中，已實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)懸吊方式的1/6重力的模擬。該方法將月球車視作一個(gè)整體，重力補(bǔ)償點(diǎn)通過(guò)月球車質(zhì)心上方，月球車行走時(shí)對(duì)補(bǔ)償重力進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使得月球車車輪與地面的接觸壓力與其在月面所受的重力相當(dāng)。在有人參與的月面探測(cè)活動(dòng)中，低重力模擬情況更加復(fù)雜：首先，人的行為方式不同于月球車，人在月面直立行走，手臂活動(dòng)、身體動(dòng)作和主要身體部位均需實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的低重力模擬，而不能簡(jiǎn)單地看作一個(gè)整體；其次，考慮人機(jī)聯(lián)合作業(yè)，人和車需分別實(shí)現(xiàn)低重力模擬。因此，研究并突破多體低重力模擬的關(guān)鍵技術(shù)就顯得尤其重要。另外，對(duì)于載人月球探測(cè)來(lái)說(shuō)，安全性與可靠性要求更高，必須對(duì)適應(yīng)真空熱環(huán)境的多體低重力模擬系統(tǒng)研制技術(shù)和驗(yàn)證方法開展研究，為真空熱環(huán)境下月面移動(dòng)式多體低重力模擬試驗(yàn)驗(yàn)證奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2 復(fù)雜月面環(huán)境高精度熱流模擬技術(shù)

探測(cè)器或穿著艙外航天服的航天員在月球表面進(jìn)行科學(xué)探測(cè)時(shí)處于極惡劣的熱環(huán)境中，月晝期間受到空間太陽(yáng)輻射、月面紅外輻射、月面對(duì)太陽(yáng)的反射等多種熱流加熱，月夜期間處于極低背景熱流，月夜和月晝更迭期間外熱流變化極快，因此需要在地面建立對(duì)復(fù)雜熱流的高精度模擬試驗(yàn)條件，考核探測(cè)器或航天員/服對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。應(yīng)針對(duì)月晝轉(zhuǎn)月夜時(shí)極低背景熱流開展瞬態(tài)外熱流模擬方法、瞬態(tài)熱流快速測(cè)量技術(shù)研究，并對(duì)月面多種熱流復(fù)合環(huán)境進(jìn)行高精度熱流模擬技術(shù)研究。

2.3 大容量布?jí)m條件下超高真空獲得與保持技術(shù)

大容量布?jí)m指在地面環(huán)境模擬設(shè)備中大面積范圍布置月塵環(huán)境，超高真空是指真空度優(yōu)于10-6Pa的真空環(huán)境。月球表面屬于超高真空環(huán)境，在大容量布?jí)m條件下獲得超高真空環(huán)境是更真實(shí)地模擬月塵環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。因此，必須開展大抽速抽氣方法與超高真空保持技術(shù)研究，以便獲得更真實(shí)的模擬月面超高真空環(huán)境，同時(shí)抵消大容量布?jí)m環(huán)境引起的真空放氣、揚(yáng)塵抑制與過(guò)濾帶來(lái)的影響。

2.4 月面輻射與月塵環(huán)境模擬技術(shù)

月塵表面有很強(qiáng)的化學(xué)活性并帶有靜電，其黏附性和滲透性極強(qiáng)，黏附在月面探測(cè)設(shè)備表面的月塵會(huì)帶來(lái)一系列問(wèn)題隱患。因此需要在地面試驗(yàn)設(shè)備中大面積范圍布置月塵環(huán)境，更真實(shí)地模擬月球表面月塵揚(yáng)起、月塵黏附到月面探測(cè)設(shè)備的環(huán)境。

月面紫外輻射及月面太陽(yáng)風(fēng)兩項(xiàng)環(huán)境因素是導(dǎo)致月塵帶電的主要原因，而帶電月塵的黏附性更強(qiáng)，也更難于清除，因此，對(duì)月面紫外輻射及月面太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行量化模擬，是更真實(shí)模擬月球表面月塵環(huán)境效應(yīng)的需要，也是更準(zhǔn)確評(píng)估探測(cè)設(shè)備月塵防護(hù)效果的需要。

通過(guò)對(duì)月面紫外輻射環(huán)境模擬技術(shù)、月面太陽(yáng)風(fēng)模擬技術(shù)、塵粒激揚(yáng)環(huán)境模擬技術(shù)、超高真空下區(qū)域高均勻性布?jí)m等技術(shù)開展研究，突破月面綜合環(huán)境模擬試驗(yàn)平臺(tái)研制技術(shù)，為具有高可靠性要求的載人月球探測(cè)設(shè)備開展高保真度月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證提供技術(shù)支撐。

2.5 月塵防護(hù)效能量化評(píng)估技術(shù)

量化評(píng)價(jià)月球探測(cè)裝備月塵防護(hù)的效果與能力，是未來(lái)載人月球探測(cè)任務(wù)中系統(tǒng)性地實(shí)施月塵防護(hù)的關(guān)鍵，是產(chǎn)品防塵設(shè)計(jì)的考核準(zhǔn)則，也是載人探測(cè)任務(wù)月面活動(dòng)規(guī)劃的重要參考依據(jù)。研究月塵防護(hù)效能量化評(píng)估技術(shù)，是保障航天員生命安全健康的需要，也是保障月塵敏感設(shè)備在月面長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的需要，直接關(guān)系著載人月面探測(cè)任務(wù)的安全性和可靠性。

月球表面的月塵顆粒無(wú)處不在，與載人月球探測(cè)人-機(jī)系統(tǒng)相互作用，會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的有害效應(yīng)，必須對(duì)易受月塵影響的產(chǎn)品做好月塵防護(hù)和驗(yàn)證工作。在月表?xiàng)l件下對(duì)塵粒的防護(hù)能力如何界定是研究的重點(diǎn)，主要包括以下幾方面：月塵黏附規(guī)律及清除條件研究是建立性能退化模型及實(shí)施效能評(píng)估的基礎(chǔ)；產(chǎn)品性能退化模型則是黏附效應(yīng)的分析方法，同時(shí)可以指導(dǎo)效能試驗(yàn)與評(píng)估工作；效能試驗(yàn)評(píng)估技術(shù)則是作為分析和試驗(yàn)方法，對(duì)模型及黏附效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。

2.6 月面環(huán)境參量一體化測(cè)量技術(shù)

在模擬月球表面環(huán)境下，為了達(dá)到對(duì)載人月球探測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)綜合驗(yàn)證與監(jiān)測(cè)的目的，需要對(duì)熱流、溫度、應(yīng)變、加速度、輻照度、壓力等各種動(dòng)靜態(tài)物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量分析與監(jiān)測(cè)評(píng)估。通過(guò)對(duì)月面環(huán)境動(dòng)靜態(tài)多參量一體化測(cè)試技術(shù)的研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜人-機(jī)探測(cè)系統(tǒng)在總裝集成、地面試驗(yàn)、儲(chǔ)存、發(fā)射、在軌飛行、月面探測(cè)與服役終結(jié)全壽命周期進(jìn)行環(huán)境與狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，滿足未來(lái)載人月球探測(cè)系統(tǒng)地面研制階段與月面探測(cè)活動(dòng)期間的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)與性能評(píng)價(jià)需要。

2.7 月面綜合環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

2.7.1 月面綜合環(huán)境虛擬仿真技術(shù)

對(duì)載人月球探測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)開展月面多環(huán)境物理試驗(yàn)對(duì)人力、物力和經(jīng)費(fèi)的消耗都較大，復(fù)雜的試驗(yàn)工況造成試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)也較大，故而在實(shí)物試驗(yàn)之前利用仿真技術(shù)對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行仿真分析具有重要意義。因此，基于月面真空、熱、低重力、光照、月面形貌等環(huán)境的虛擬仿真，研究并建立月面綜合環(huán)境虛擬仿真平臺(tái)，對(duì)模擬有人參與的月面活動(dòng)系統(tǒng)驗(yàn)證起到重要的支撐作用。

2.7.2 系統(tǒng)級(jí)月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

通過(guò)對(duì)真空熱環(huán)境下月面移動(dòng)式多體低重力模擬技術(shù)、復(fù)雜月面環(huán)境高精度熱流模擬技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，搭建涵蓋低重力、太陽(yáng)光照、月表紅外輻射、月表地貌等模擬環(huán)境的系統(tǒng)級(jí)月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，開展系統(tǒng)級(jí)月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)研究，為載人月球探測(cè)系統(tǒng)的功能、性能以及月面活動(dòng)及作業(yè)進(jìn)行充分、有效的地面試驗(yàn)驗(yàn)證奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2.7.3 組件級(jí)月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)

通過(guò)對(duì)月面輻射模擬技術(shù)、月塵激揚(yáng)技術(shù)、高均勻性布?jí)m技術(shù)、大面積布?jí)m條件下超高真空獲得與保持技術(shù)、多源耦合技術(shù)的研究，搭建可同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高真空、熱輻射、月塵等月面復(fù)雜綜合特殊環(huán)境模擬的組件級(jí)月面環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，形成組件級(jí)產(chǎn)品月面適應(yīng)性評(píng)價(jià)分析平臺(tái)及月塵防護(hù)驗(yàn)證平臺(tái)，滿足載人月球探測(cè)復(fù)雜任務(wù)對(duì)于組件級(jí)設(shè)備評(píng)估與驗(yàn)證的需求。

3 面向載人月球探測(cè)的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究總體方案

根據(jù)對(duì)上述幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的分析，建議的面向載人月球探測(cè)的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究總體方案如圖1所示。

圖1 面向載人月球探測(cè)的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究總體方案Fig.1 Overall research scheme of lunar suface environmental simulation test technologies for manned lunar exploration

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)載人月球探測(cè)任務(wù)的規(guī)劃與發(fā)展，開展針對(duì)載人月球探測(cè)的月面環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究十分必要。通過(guò)研究月面復(fù)雜綜合環(huán)境模擬與試驗(yàn)技術(shù)，突破高精度熱流模擬、多體低重力模擬與超高真空獲得等關(guān)鍵技術(shù)，建立月面綜合環(huán)境模擬系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)平臺(tái)、組件級(jí)試驗(yàn)平臺(tái)以及虛擬仿真平臺(tái)，可為后續(xù)載人月球探測(cè)任務(wù)的順利實(shí)施奠定試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)基礎(chǔ)。

（References）

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