無(wú)人月球科考站構(gòu)建與運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)初探

楊建中，吳 瓊，于登云，姜生元，徐趙東，崔平遠(yuǎn)

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，南京 210016；3. 中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司，北京100048；4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，哈爾濱 150001；5. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210096；6. 北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081）

引 言

近年來(lái)，隨著人工智能及遙測(cè)、遙控技術(shù)的發(fā)展[1-2]，無(wú)人深空探測(cè)（簡(jiǎn)稱無(wú)人探測(cè)）得到了迅速發(fā)展[3-5]。與載人探測(cè)相比，無(wú)人探測(cè)探測(cè)器系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、探測(cè)器質(zhì)量與體積較小，且飛行與探測(cè)過(guò)程不涉及人員安全，因此具有對(duì)運(yùn)載能力的要求低、可探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)目標(biāo)星體與探測(cè)位置約束少、任務(wù)實(shí)施成本低、探測(cè)過(guò)程靈活等優(yōu)點(diǎn)。從世界已經(jīng)公布的月球及以遠(yuǎn)深空探測(cè)計(jì)劃可以看出，無(wú)人探測(cè)仍是近期深空探測(cè)發(fā)展的主流[6-10]。在我國(guó)“繞、落、回”三步走的無(wú)人月球探測(cè)計(jì)劃即將結(jié)束之際，2019年初又公布了無(wú)人月球探測(cè)后續(xù)計(jì)劃，提出了構(gòu)建無(wú)人月球科考站（以下簡(jiǎn)稱科考站）的基本設(shè)想[11]。構(gòu)建科考站是深化月球資源勘查、探索月球資源利用、拓展深空探測(cè)能力的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵途徑，是各航天大國(guó)搶占的空間科技戰(zhàn)略制高點(diǎn)[12-16]，對(duì)推動(dòng)國(guó)家科技發(fā)展、提升國(guó)家科技實(shí)力、實(shí)現(xiàn)科學(xué)突破具有不可替代的重大作用。

科考站不同于月球基地，二者的根本差別在于前者的服務(wù)對(duì)象是月面工作的多種機(jī)器人及相應(yīng)的裝備，后者的服務(wù)核心是實(shí)現(xiàn)登月的航天員。因此，科考站的構(gòu)建是以完成基本探測(cè)任務(wù)為中心，不用考慮人員的生命保障及生活問(wèn)題，而月球基地的構(gòu)建則必須以保障航天員的安全為中心，在此基礎(chǔ)上考慮如何完成相應(yīng)的探測(cè)任務(wù)。月球基地構(gòu)建的許多基本設(shè)想及方案[17-21]并不適用于科考站。相對(duì)于在我國(guó)“繞、落、回”無(wú)人月球探測(cè)任務(wù)，科考站任務(wù)將充分利用探月工程前三期突破的繞月測(cè)控技術(shù)、月面軟著陸技術(shù)、月面巡視勘查技術(shù)和月夜生存技術(shù)等，進(jìn)一步重點(diǎn)開(kāi)展月球資源的長(zhǎng)期深度探測(cè)與原位利用，同時(shí)開(kāi)展月基長(zhǎng)期科學(xué)研究，從而推動(dòng)空間科學(xué)發(fā)展，為太空資源利用打下基礎(chǔ)，并為載人登月提供短期駐留環(huán)境和技術(shù)驗(yàn)證。如何針對(duì)科考站的構(gòu)建目標(biāo)，確定其基本的組成方案及相應(yīng)的構(gòu)建與運(yùn)行過(guò)程，同時(shí)針對(duì)其構(gòu)建與長(zhǎng)期運(yùn)行的基本需要，識(shí)別相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并及早突破，是科考站構(gòu)建與穩(wěn)定運(yùn)行必須解決的重要問(wèn)題。

本文對(duì)科考站構(gòu)建與運(yùn)行過(guò)程面臨的問(wèn)題進(jìn)行分析，識(shí)別、探討其中的關(guān)鍵技術(shù)，為未來(lái)科考站的建設(shè)與長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 科考站的基本功能與組成

科考站是在月面開(kāi)展長(zhǎng)期無(wú)人科學(xué)勘查及作業(yè)活動(dòng)的重要設(shè)施。它一般包括多個(gè)協(xié)同工作的著陸器、機(jī)器人、功能艙組合體等探測(cè)任務(wù)執(zhí)行裝備，通信與測(cè)控站、太陽(yáng)能（核）電站、著陸/起飛試驗(yàn)場(chǎng)等探測(cè)任務(wù)支撐設(shè)施，以及科學(xué)探測(cè)儀器設(shè)備等，是既可以在月面自主運(yùn)行，又可以在地面人員的遙控下完成相應(yīng)探測(cè)活動(dòng)的智能體集群系統(tǒng)，其基本組成如圖1所示。

圖1 科考站的基本組成Fig. 1 Sketch of robotics lunar scientific base

著陸器將科考站運(yùn)行所需的裝備從地球軌道或月球軌道運(yùn)送到月面，實(shí)現(xiàn)相關(guān)裝備在月面的穩(wěn)定、安全著陸，而后根據(jù)需要將裝備轉(zhuǎn)運(yùn)到月面指定地點(diǎn)，并與已有裝備進(jìn)行必要的對(duì)接、組裝，形成功能艙組合體。機(jī)器人是完成月面科學(xué)勘查活動(dòng)的執(zhí)行者，它既可以獨(dú)立著陸于月面，也可以通過(guò)著陸器運(yùn)送至月面。

機(jī)器人具有多種不同的形式，根據(jù)任務(wù)配置不同的科學(xué)勘查儀器，并根據(jù)到達(dá)的區(qū)域范圍不同，采用不同的運(yùn)動(dòng)方式，如月面飛鳥(niǎo)機(jī)器人，通過(guò)噴氣推進(jìn)及相應(yīng)的軟著陸，像飛鳥(niǎo)一樣具備飛行、軟著陸、行走及再飛行等活動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)大范圍快速飛行勘查與局部漫步式詳細(xì)勘查的結(jié)合。功能艙組合體可為相應(yīng)的機(jī)器人、儀器設(shè)備等提供電能及燃料的補(bǔ)給，或通信、環(huán)境防護(hù)等功能支撐和保護(hù)，同時(shí)，還可以作為資源勘查或科學(xué)研究的平臺(tái)。通信與測(cè)控站、太陽(yáng)能（核）電站等探測(cè)任務(wù)支撐裝備，則為功能艙組合體以及機(jī)器人等提供通信、控制、能源補(bǔ)給等保障。

用于科學(xué)探測(cè)的儀器設(shè)備需根據(jù)科學(xué)目標(biāo)來(lái)確定，科學(xué)目標(biāo)一般包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，即通過(guò)對(duì)月球熱點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)期深度勘察，進(jìn)一步揭示月球自身相關(guān)特性，同時(shí)在月面開(kāi)展相應(yīng)的探索實(shí)驗(yàn)。揭示月球自身相關(guān)特性的活動(dòng)包括探索月球的地質(zhì)構(gòu)造及相應(yīng)的物質(zhì)資源構(gòu)成，尋找人們所關(guān)心的物質(zhì)（如水冰等），并確定其在月面下的分布情況等研究工作。探索實(shí)驗(yàn)包括月基天文觀測(cè)、物質(zhì)合成及生命科學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)研究等。相關(guān)的科學(xué)探測(cè)儀器設(shè)備包括天文望遠(yuǎn)鏡、月震儀、月壤分析光譜儀、月面鉆取裝置、水冰分離與收集箱、植物溫箱以及多種相機(jī)等。典型的儀器設(shè)備如圖2所示。為完成特定科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可能需要從地面將一些特定樣品帶到月面，這些儀器設(shè)備或特殊樣品由機(jī)器人或功能艙攜帶，以完成相應(yīng)的科學(xué)探測(cè)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

圖2 科考站可用的典型科學(xué)儀器[22-25]Fig. 2 Several science instruments for robotics lunar scientific bases[22-25]

2 科考站構(gòu)建與運(yùn)行過(guò)程面臨的問(wèn)題

2.1 科考站的構(gòu)建與運(yùn)行過(guò)程

科考站的基本構(gòu)建過(guò)程如圖3所示。包括科考站選址、地月之間裝備運(yùn)輸、裝備在月面的定點(diǎn)投送、裝備在月面運(yùn)送及對(duì)接組裝、有效載荷（科學(xué)儀器）投放等活動(dòng)。科考站的選址是指根據(jù)既定的科學(xué)探測(cè)目標(biāo)，結(jié)合可能的著陸能力，在最利于實(shí)現(xiàn)科學(xué)突破的區(qū)域選擇、確定科考站的構(gòu)建位置。而后根據(jù)科學(xué)目標(biāo)確定所需的裝備，并配備相應(yīng)的科學(xué)儀器，將裝備從地面運(yùn)送到月球軌道，進(jìn)一步將其從月球軌道定點(diǎn)投送到月面著陸點(diǎn)。

圖3 月球科考站構(gòu)建的基本過(guò)程Fig. 3 Construction process of the robotics lunar scientific base

所謂定點(diǎn)投送是指在月面上的實(shí)際著陸點(diǎn)不能明顯偏離預(yù)期著陸點(diǎn)，否則，不同裝備之間的組裝及協(xié)同工作將難以開(kāi)展。裝備在月面投送完成后，則根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的裝備運(yùn)送及對(duì)接組裝，使多個(gè)裝備形成有機(jī)的整體，完成裝備之間的能源補(bǔ)給、勘察樣品交換或轉(zhuǎn)移以及信息交換與處理等任務(wù)。在裝備運(yùn)送過(guò)程中，可以根據(jù)需要將相應(yīng)的有效載荷（如月震儀等）投放在期望的位置點(diǎn)，以便于科學(xué)勘查工作的開(kāi)展。

科考站的基本運(yùn)行過(guò)程如圖4所示。包括科學(xué)勘查、裝備的休眠–喚醒–自檢–維護(hù)、裝備遷移、裝備再組合及再勘查等活動(dòng)。科學(xué)勘查是指根據(jù)預(yù)定的任務(wù)目標(biāo)開(kāi)展相應(yīng)的探測(cè)活動(dòng)，如月球資源鉆探、天文觀測(cè)、射線測(cè)量、月面形貌拍照、月震監(jiān)測(cè)、月塵特性研究等。

圖4 科考站的運(yùn)行過(guò)程Fig. 4 Operation process of the robotics lunar scientific base

為提高勘查的效率和效果，該活動(dòng)將由位于同一區(qū)域內(nèi)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的多個(gè)裝備同時(shí)開(kāi)展。根據(jù)月面夜晝的變換規(guī)律及相應(yīng)的溫度、光照條件，裝備進(jìn)入相應(yīng)的休眠、喚醒及工作等不同模式。基于工作前的自檢情況，確定、記錄裝備的自身狀態(tài)，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的能源補(bǔ)給等維護(hù)活動(dòng)，以便持續(xù)開(kāi)展勘查。當(dāng)在某個(gè)區(qū)域內(nèi)的勘查目標(biāo)完成后，相應(yīng)的裝備根據(jù)新勘查目標(biāo)進(jìn)行整體遷移，進(jìn)入新的區(qū)域開(kāi)始下一段勘查活動(dòng)。同時(shí)，根據(jù)遷移后自檢結(jié)果、損傷情況及具體科學(xué)目標(biāo)的變化，功能艙等裝備之間可以進(jìn)行必要的對(duì)接組合，以保證勘查活動(dòng)的針對(duì)性和持續(xù)推進(jìn)。

科考站的構(gòu)建與運(yùn)行將是同步進(jìn)行的，這里為了便于陳述而把二者分開(kāi)介紹。另外，在構(gòu)建與運(yùn)行過(guò)程中，地面工作人員可以根據(jù)任務(wù)進(jìn)展或裝備運(yùn)行情況，在任一環(huán)節(jié)進(jìn)行干預(yù)，以確?？辈榛顒?dòng)的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行。人為干預(yù)未在構(gòu)建及運(yùn)行過(guò)程中體現(xiàn)。

2.2 科考站構(gòu)建與運(yùn)行面臨的基本問(wèn)題

科考站構(gòu)建的首要問(wèn)題就是如何將科考所需裝備安全送達(dá)月面，即勘查裝備在月面的安全著陸問(wèn)題?？瓶颊镜臉?gòu)建將根據(jù)可能的著陸能力，以最利于實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)突破（如最易于發(fā)現(xiàn)水冰或礦產(chǎn)資源富集區(qū)等）為目標(biāo)，因此，科考站的選址要求與我國(guó)月球探測(cè)“繞、落、回”重大工程實(shí)施過(guò)程中在月面尋找“平原地區(qū)”作為著陸點(diǎn)的要求不同，科考站的構(gòu)建區(qū)域可能具有月面形貌更復(fù)雜、月壤承載力特性更離散等特征。目前已經(jīng)成熟的被動(dòng)軟著陸技術(shù)所采用的著陸緩沖機(jī)構(gòu)，大多在著陸前實(shí)現(xiàn)鎖定，多套著陸緩沖機(jī)構(gòu)的姿態(tài)不能根據(jù)月面的起伏情況做適應(yīng)性調(diào)整，著陸過(guò)程中緩沖力的大小也不能隨沖擊載荷的變化做適應(yīng)性的主動(dòng)變化，因此難以滿足科考站構(gòu)建過(guò)程中裝備的安全著陸要求，必須突破主動(dòng)軟著陸方法，使多套著陸緩沖機(jī)構(gòu)通過(guò)位姿的協(xié)同調(diào)整，主動(dòng)適應(yīng)月面形貌特征，實(shí)現(xiàn)多套著陸緩沖機(jī)構(gòu)的同步觸月，并根據(jù)著陸過(guò)程中月壤的沖擊力學(xué)特性主動(dòng)調(diào)整緩沖力性能，在有效控制著陸過(guò)程沖擊響應(yīng)的同時(shí)，確保裝備姿態(tài)的穩(wěn)定性。另外，結(jié)合并聯(lián)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理[26]，通過(guò)著陸緩沖機(jī)構(gòu)的多功能融合創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將其由單一緩沖功能的機(jī)構(gòu)拓展為集著陸緩沖、運(yùn)輸行走及姿態(tài)調(diào)整于一身的多功能機(jī)構(gòu)，為系統(tǒng)解決裝備的安全著陸、科考站構(gòu)建過(guò)程中裝備的平穩(wěn)運(yùn)輸與組裝過(guò)程中的裝備對(duì)接調(diào)姿等諸多問(wèn)題奠定基礎(chǔ)。

其次是裝備之間的協(xié)同、自主作業(yè)問(wèn)題。組成科考站的功能艙等裝備的重量或體積大、數(shù)量多，這些裝備的移動(dòng)及組裝過(guò)程對(duì)多機(jī)協(xié)同作業(yè)的要求高。否則，將難以實(shí)現(xiàn)不同位置裝備在同一目標(biāo)地點(diǎn)的聚集，以及多裝備組裝過(guò)程中的對(duì)接調(diào)姿。另外，同一著陸器上也將帶有更多的探測(cè)、作業(yè)載荷，為使這些有效載荷發(fā)揮各自的效能，也需要它們協(xié)同工作。再者，科考站上實(shí)施探測(cè)的多臺(tái)機(jī)器人之間也需協(xié)同工作，以實(shí)現(xiàn)高效率和高效益的探測(cè)。即科考站在復(fù)雜月面環(huán)境下構(gòu)建和運(yùn)行的過(guò)程中，存在裝備類別和數(shù)量多、約束復(fù)雜等問(wèn)題，要求裝備在探測(cè)作業(yè)、移動(dòng)及組裝對(duì)接過(guò)程中具有良好的協(xié)同性、較高的自主性、操作的精準(zhǔn)性和可靠性，因此，必須開(kāi)展裝備移動(dòng)中的步態(tài)規(guī)劃、定位與態(tài)勢(shì)感知及多機(jī)智能協(xié)同作業(yè)等方面的研究，實(shí)現(xiàn)裝備在月面的平穩(wěn)移動(dòng)、區(qū)域及定點(diǎn)聚集和多裝備的自主、精準(zhǔn)作業(yè)。

最后是裝備長(zhǎng)期服役過(guò)程中月面環(huán)境因素的綜合影響與防控問(wèn)題。為在月面實(shí)施長(zhǎng)期、深度的探測(cè)，其構(gòu)建與運(yùn)行是一個(gè)長(zhǎng)期的、循序漸進(jìn)的過(guò)程[27]。從科考站開(kāi)始構(gòu)建到其壽命結(jié)束的累計(jì)時(shí)間應(yīng)在10年以上。在科考站裝備長(zhǎng)期服役過(guò)程中，月面的大溫變、高真空、帶電月塵、復(fù)雜月貌等環(huán)境因素及其耦合作用將對(duì)裝備性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。采用傳統(tǒng)的單一環(huán)境因素對(duì)材料及裝備性能影響的研究方法，將難以揭示科考站中有關(guān)裝備長(zhǎng)期服役的失效機(jī)理。同時(shí)，現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)難以在地面通過(guò)硬件系統(tǒng)全面模擬月面的復(fù)雜環(huán)境條件，也難以對(duì)勘查裝備開(kāi)展多環(huán)境因素下的長(zhǎng)壽命驗(yàn)證工作。因此，必須開(kāi)展月面綜合環(huán)境因素致?lián)p機(jī)理研究以及地面等效加速模擬技術(shù)研究，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建裝備在月面環(huán)境下的服役壽命預(yù)測(cè)方法，為準(zhǔn)確評(píng)估及確?？瓶颊镜姆坌芴峁┝炕?。

3 科考站構(gòu)建及長(zhǎng)期運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)

3.1 裝備定點(diǎn)主動(dòng)軟著陸技術(shù)

與傳統(tǒng)的月面一次性軟著陸的無(wú)人、短期探測(cè)模式不同，科考站構(gòu)建過(guò)程中所需的多種裝備要經(jīng)過(guò)月面多次軟著陸活動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的投送目標(biāo)，并且科考站的相關(guān)裝備要經(jīng)歷長(zhǎng)期的探測(cè)歷程。由于裝備在月面運(yùn)輸速度的緩慢性、困難性[28-29]，為順利實(shí)現(xiàn)裝備的運(yùn)輸和多裝備間的組裝，著陸區(qū)范圍將限制在百米量級(jí)的較小區(qū)域。同時(shí)，為更好地實(shí)現(xiàn)科學(xué)突破，著陸點(diǎn)通常會(huì)選擇月面形貌更復(fù)雜、月壤承載力特性更離散的區(qū)域。因此，裝備的軟著陸技術(shù)必須適應(yīng)著陸點(diǎn)的惡劣環(huán)境條件。著陸區(qū)內(nèi)的非結(jié)構(gòu)化月貌環(huán)境、非確知月壤力學(xué)特性等對(duì)裝備在月面的定點(diǎn)軟著陸安全帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，亟需突破主動(dòng)軟著陸技術(shù)，保證裝備的可靠、安全著陸。針對(duì)該技術(shù)需開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1）主動(dòng)軟著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足科考站構(gòu)建過(guò)程中多種裝備在月面的定點(diǎn)安全投送需求，要突破傳統(tǒng)被動(dòng)軟著陸技術(shù)的制約，開(kāi)展主動(dòng)軟著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即以當(dāng)前“嫦娥3號(hào)”“嫦娥4號(hào)”著陸緩沖機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)型[30]為基礎(chǔ)，結(jié)合少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)控制理論[31]，從著陸前的月貌特征預(yù)判、著陸緩沖機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)控制、著陸過(guò)程沖擊特性實(shí)時(shí)感知、緩沖器緩沖參數(shù)主動(dòng)調(diào)整等多個(gè)方面入手，探索主動(dòng)軟著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)多個(gè)著陸緩沖機(jī)構(gòu)同步觸月、變阻尼力穩(wěn)定緩沖實(shí)現(xiàn)裝備的平穩(wěn)、安全著陸，為科考站軟著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2）著陸緩沖機(jī)構(gòu)功能擴(kuò)展

針對(duì)裝備從著陸點(diǎn)到科考站構(gòu)建目的地之間的轉(zhuǎn)運(yùn)要求，為降低轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的復(fù)雜性及轉(zhuǎn)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，消除著陸后的重載裝備從著陸器到運(yùn)輸車的吊裝活動(dòng)，避免增設(shè)單獨(dú)的吊裝設(shè)備，需將著陸緩沖機(jī)構(gòu)的功能再擴(kuò)展，即將其單一的緩沖功能擴(kuò)展為轉(zhuǎn)運(yùn)行走、對(duì)接調(diào)姿等多個(gè)功能。這樣勘查裝備依靠著陸緩沖機(jī)構(gòu)著陸后，可以利用該機(jī)構(gòu)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)運(yùn)和對(duì)接調(diào)姿。基于上述著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主動(dòng)軟著陸特性，結(jié)合其不同工作階段的功能要求，通過(guò)對(duì)不同自由度的約束與釋放，實(shí)現(xiàn)著陸緩沖機(jī)構(gòu)由單一緩沖功能向運(yùn)輸行走與組裝調(diào)姿等多功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)裝備在月面的安全著陸、平穩(wěn)運(yùn)送及組裝調(diào)姿的無(wú)縫銜接，從而大大降低設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)與對(duì)接系統(tǒng)組成的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的可靠性。

3）主動(dòng)軟著陸安全邊界辨識(shí)

為確保裝備在月面主動(dòng)軟著陸的成功，要針對(duì)多種著陸條件約束，如著陸器著陸瞬時(shí)的質(zhì)量特性、著陸姿態(tài)、著陸速度、月壤力學(xué)特性、月面形貌、著陸緩沖機(jī)構(gòu)的主動(dòng)適應(yīng)能力等，以多體沖擊動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建主動(dòng)軟著陸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，揭示多約束條件對(duì)安全著陸的影響機(jī)理，進(jìn)一步建立軟著陸過(guò)程安全邊界評(píng)估模型，給出著陸對(duì)象在多約束條件內(nèi)的安全著陸邊界，為主動(dòng)軟著陸安全性判斷與保證提供支撐。

3.2 裝備智能協(xié)同作業(yè)技術(shù)

裝備在月面著陸后離散分布于預(yù)定著陸點(diǎn)。為實(shí)施科考站的構(gòu)建及穩(wěn)定運(yùn)行，需完成裝備的月面移動(dòng)、區(qū)域聚集與精準(zhǔn)裝配作業(yè)。在復(fù)雜月面環(huán)境下，科考站的構(gòu)建與運(yùn)行存在多目標(biāo)、多狀態(tài)、多任務(wù)等特點(diǎn)，致使裝備平穩(wěn)移動(dòng)以及多裝備間的協(xié)同作業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，必須基于深度學(xué)習(xí)，開(kāi)展裝備移動(dòng)過(guò)程中的步態(tài)規(guī)劃、裝備精確定位及智能操作等方面的研究。針對(duì)該技術(shù)需開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1）裝備自適應(yīng)移動(dòng)步態(tài)規(guī)劃

針對(duì)復(fù)雜月貌及松軟月壤條件下，裝備與行走機(jī)構(gòu)共體移動(dòng)過(guò)程中的安全性和平穩(wěn)性問(wèn)題，分析行走機(jī)構(gòu)移動(dòng)過(guò)程中滑移、沉陷等因素對(duì)行走步態(tài)的影響，建立裝備、行走機(jī)構(gòu)足部以及月壤之間相互作用力模型。研究月面重力、月表形貌、月壤力學(xué)參數(shù)等關(guān)鍵因素對(duì)行走機(jī)構(gòu)通過(guò)性能、越障性能的影響，結(jié)合地面不同試驗(yàn)場(chǎng)地的試驗(yàn)結(jié)果、月表觀測(cè)數(shù)據(jù)等，采用人工智能相關(guān)技術(shù)，突破非結(jié)構(gòu)化月表環(huán)境下裝備自適應(yīng)共體移動(dòng)步態(tài)規(guī)劃技術(shù)。

2）多裝備協(xié)同智能態(tài)勢(shì)感知與導(dǎo)航

針對(duì)月面多裝備協(xié)同作業(yè)中環(huán)境復(fù)雜、月表信息獲取手段少、導(dǎo)航信息有限等問(wèn)題，研究多源信息融合機(jī)制，充分利用多來(lái)源、多狀態(tài)的信息資源，提出多維態(tài)勢(shì)感知方法，實(shí)現(xiàn)月表環(huán)境下多裝備協(xié)同智能態(tài)勢(shì)感知與導(dǎo)航定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)過(guò)程中裝備位置與姿態(tài)的確定，為科考站構(gòu)建與運(yùn)行提供有效支撐。

3）多重約束下任務(wù)的精準(zhǔn)操作

針對(duì)科考站構(gòu)建過(guò)程的多約束、多任務(wù)特點(diǎn)，以及多裝備協(xié)同作業(yè)要求，基于深度學(xué)習(xí)理論，在多智能體協(xié)同定位、智能態(tài)勢(shì)感知的基礎(chǔ)上，建立實(shí)時(shí)信息交互機(jī)制與智能控制策略，突破月表不確定條件下多任務(wù)智能精準(zhǔn)操作關(guān)鍵技術(shù)，保證多重約束下、多裝備、多任務(wù)的精準(zhǔn)操作。

3.3 裝備長(zhǎng)期服役壽命預(yù)測(cè)技術(shù)

在月面長(zhǎng)期服役過(guò)程中，裝備受高真空、大溫變、帶電月塵等極端環(huán)境因素的綜合影響，其性能衰減將呈現(xiàn)出與地面服役時(shí)不同的規(guī)律。因此，需要揭示月面環(huán)境多因素協(xié)同作用機(jī)制以及裝備服役失效機(jī)理，進(jìn)一步對(duì)裝備在月面的工作壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。針對(duì)該技術(shù)需開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容如下：

1）月面綜合環(huán)境致?lián)p等效

在目前已有月面單一環(huán)境因素效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上，基于累積損傷和耦合效應(yīng)原理，探索月面綜合環(huán)境致?lián)p等效方法，構(gòu)建致?lián)p等效模型，同時(shí)研究月面環(huán)境影響的地面等效模擬與加速驗(yàn)證方法，并結(jié)合已有的“嫦娥3號(hào)”“嫦娥4號(hào)”相關(guān)探測(cè)設(shè)備的實(shí)測(cè)壽命數(shù)據(jù)對(duì)等效模型的可信度進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)月面復(fù)雜環(huán)境的致?lián)p預(yù)判和模擬。

2）長(zhǎng)期服役中裝備性能退化過(guò)程

與在地面長(zhǎng)期服役的裝備相比，由于月面多種環(huán)境因素的耦合影響，在月面長(zhǎng)期服役的裝備性能的退化過(guò)程更為復(fù)雜。基于上述月面綜合環(huán)境致?lián)p等效模型，結(jié)合不同裝備的材料、結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，建立科考站裝備性能的退化模型。依據(jù)月面環(huán)境的地面等效模擬方法，進(jìn)一步開(kāi)展裝備服役性能的地面試驗(yàn)驗(yàn)證，為裝備設(shè)計(jì)過(guò)程中的材料選用、結(jié)構(gòu)形式確定、表面處理與潤(rùn)滑以及溫控方案實(shí)施等奠定基礎(chǔ)。

3）裝備服役壽命預(yù)測(cè)與控制

表征裝備在月面工作狀態(tài)的性能數(shù)據(jù)具有多來(lái)源、多類別、小樣本等特點(diǎn)，這給服役壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)?；跀?shù)據(jù)融合理論和裝備服役退化模型，提出裝備服役壽命綜合預(yù)測(cè)方法，突破小樣本條件下的裝備壽命預(yù)測(cè)難題。進(jìn)一步針對(duì)裝備高可靠、長(zhǎng)期服役需求，探索裝備服役壽命控制方法，實(shí)現(xiàn)裝備長(zhǎng)期服役壽命的預(yù)測(cè)與有效控制。

4 結(jié) 論

月球科考站是一個(gè)全新的航天重大工程，是繼空間站后人類在地球以外構(gòu)建的第二類科學(xué)研究重大設(shè)施，它的構(gòu)建與運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題，難度大，待突破的關(guān)鍵技術(shù)多。在這一航天重大工程實(shí)施過(guò)程中，我們要努力向世界航天領(lǐng)域貢獻(xiàn)更多的中國(guó)方案，展示更多的中國(guó)智慧。因此，需要在我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走工程實(shí)施的基礎(chǔ)上，以機(jī)械工程與自動(dòng)控制為核心，聯(lián)合材料工程、土木工程、力學(xué)、人工智能等多個(gè)學(xué)科與行業(yè)的學(xué)者及工程技術(shù)人員，通過(guò)集智攻關(guān)的方式解決相關(guān)技術(shù)難題。另外，為了穩(wěn)步推進(jìn)科考站的構(gòu)建與運(yùn)行過(guò)程，應(yīng)該參考其它航天重大工程的實(shí)施方式，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，確定階段目標(biāo)，分階段實(shí)施推進(jìn)。這樣既便于繼承已取得的技術(shù)成果，又便于在下一階段中彌補(bǔ)已發(fā)現(xiàn)的薄弱技術(shù)環(huán)節(jié)，從而降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，高效率和高效益地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

致 謝

本研究得到了北京航空航天大學(xué)王春潔教授團(tuán)隊(duì)、傅惠民教授團(tuán)隊(duì)以及吉林大學(xué)韓志武教授團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)與幫助，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部李林凌研究員、張曉東高級(jí)工程師以及趙志軍高級(jí)工程師也對(duì)相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)提出了補(bǔ)充意見(jiàn)，在此一并表示感謝！