面向載人月球探測的月面環境模擬試驗關鍵技術分析

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.北京衛星環境工程研究所；2.北京衛星環境工程研究所 可靠性與環境工程技術重點實驗室：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持續發展的需求所在。以月球、小行星、火星等地外天體為目標開展有人類航天員直接參與的載人深空探測活動，是無人深空探測和載人航天工程后續發展的必然結合，其中，載人月球探測是不可跨越的關鍵環節。載人月球探測的長遠目標是建立月球基地，對月球進行長期系統性科學研究并實施月球資源開發利用[1-3]。

相對于無人月球探測，載人月球探測的任務剖面更為復雜，航天器構型更為多變，面臨的環境更為極端。考慮到航天員的生命安全，在有人參與的月面探測活動中，對著陸器、居住艙及相關設備的安全性和可靠性要求更高，因此需要在型號研制階段對航天器抵御極端環境的能力進行驗證，并篩除產品的早期缺陷。這就要求在地面能夠較為真實地模擬月面環境及航天器工作狀態，具體包括：相對于普通地球軌道的航天器，月表晝夜交替的瞬態外熱流更為復雜，太陽輻射熱流快速瞬變，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題，以及在月面超高真空環境下會影響生命保障系統、熱控系統、光學儀表、機械構件性能的漂浮月塵的吸附問題等[4-5]。

因此，針對已知的月面復雜瞬態外熱流、低重力、超高真空、月塵、紫外輻射、月貌月壤光照等環境，載人月球探測地面模擬試驗技術需求主要體現在以下幾個方面[6-8]：

1）月表晝夜交替的瞬態外熱流復雜，在有人參與的情況下，艙體和登月服對溫度控制精度要求更高。為了驗證載人登月系統的溫控準確性，必須高精度模擬熱流邊界條件，給出準確的驗證結果，保證溫控系統設計的可靠性。

2）航天員及月球車等需在月球低重力和復雜月貌月壤等惡劣環境下活動作業，為了確保月面上人機聯合作業的順利實施，地面驗證時必須對人機聯合作業的多體低重力環境進行模擬。

3）人員月面作業、居住及基地建設有必要對熱、低重力、月面地形及月壤綜合環境進行模擬，要求具備多種耦合效應的模擬能力。

4）月面輻射環境會增強月塵的黏附性，激揚月塵對生命保障、熱控、光學、機械等系統產生嚴重影響和危害，因此必須對月塵及輻射環境進行模擬，驗證關鍵敏感設備的環境適應性和防護效果。

5）在月球表面超高真空環境下，載人登月裝備表面處于原子清潔狀態，不僅會發生活動部件的真空冷焊現象，而且月塵在登月服面罩等表面上的附著力顯著增強，對大容量布塵條件下的超高真空獲得與保持技術提出需求。

6）月面載人探測的地面驗證十分復雜，為了先期評估試驗系統及方案，開展月面環境虛擬仿真試驗具有顯著的重要性。

綜上所述，根據我國未來載人月球探測規劃發展的需要，開展面向載人月球探測的月面綜合環境模擬試驗技術研究具有十分重要的實際意義。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

到目前為止，美國是唯一成功實施了載人登月任務的國家，即20世紀60年代的“阿波羅”計劃。進入21世紀，美國提出了“重返月球”的口號，要建立月球基地，并開始著手為人類登上火星做準備。除美國之外，俄羅斯（前蘇聯）、歐洲、日本、印度等國家都相繼提出過載人月球探測及月球基地建設的設想。為了配合無人或有人參與的月球探測活動的開展與實施，以美國為代表的上述國家，針對月球表面復雜的熱、低重力、超高真空、月塵、太陽輻射、月壤月貌等特殊環境因素，開展了大量的月面環境模擬試驗技術研究，并建立了相應的地面模擬試驗設施，以下歸納總結了具有代表性的研究成果及其應用[9]：

1）美國 NASA、蘇聯航天機構、日本空間實驗室等針對巡視器、航天員研究了懸吊法、浮力法、外骨骼法等低重力模擬技術，并研制了試驗系統，實現了低重力模擬；

2）歐洲ESA和美國NASA等航天機構開展了入射式、吸收式及等效式熱流模擬方法等高精度熱環境模擬技術研究，應用于“阿波羅”飛船及火星探測器；

3）美國JSC進行了月面熱流、真空、重力卸載等環境模擬技術研究，建設了一系列模擬容器，滿足航天員和飛船等的月面環境試驗驗證，如ARGOS平臺，可模擬月球地貌和低重力環境，用于對航天員、巡視器任務的地面試驗驗證；

4）美國NASA針對月塵環境模擬系統以及月塵防護方法，開展了專項研究并應用于電池片、光學部件、機械設備、電子設備、航天服等；

5）美國JPL、歐洲ESA、日本JAXA等研究開發了ESATAN-TMS熱分析平臺、ROMAS等虛擬仿真平臺，為實現探測器性能的仿真和優化提供技術支撐。

1.2 我國研究現狀

我國在載人月球探測領域目前尚處于前期論證及技術研究儲備階段。但通過載人航天工程及月球探測工程的實施，北京衛星環境工程研究所、哈爾濱工業大學、中國科學院地球化學研究所等多家單位，針對低軌道載人航天飛行及無人月球探測任務開展了大量的地面模擬試驗技術研究，建立了相應的試驗設施，積累了豐富的技術成果及工程經驗，為我國未來的載人深空探測打下了良好的技術基礎，具有代表性的技術成果及其應用主要體現在以下幾方面[8,10-11]：

1）針對月面低重力模擬問題，開展了單點低重力模擬、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研究；

3）針對月球表面環境，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研究；

4）針對月塵環境效應問題，開展了月塵環境模擬、月塵沉積和吸附試驗等技術研究；

5）在月面環境虛擬仿真技術方面，開展了基于 Vortex的月球車在月面環境下移動性能仿真等技術研究；

6）面向載人航天工程型號研制試驗驗證需求，開展了航天服熱平衡、人-艙-服聯合等試驗技術研究，在此基礎上研制了載人航天地面試驗設施，完成了型號研制試驗驗證任務；

7）面向月球探測工程型號試驗驗證需求，開展了基于月面吸收熱流模擬的熱試驗、基于單體低重力模擬的巡視器月面行走試驗、月塵環境效應模擬試驗等試驗技術研究，研制了月面環境模擬、月塵環境效應模擬器等試驗設施，完成了巡視器行走等型號試驗驗證任務。

2 關鍵技術分析

載人月球探測任務中，航天員及探測系統將面臨月球表面復雜的特殊綜合環境。因此，一方面，在任務實施前有必要開展月球表面環境模擬試驗技術研究，以突破一些關鍵技術，實現更真實的月面環境模擬；另一方面，通過建立地外天體綜合環境試驗平臺、試驗方法及試驗項目，開展系統級與組件級的月面環境試驗驗證技術研究，可為載人月球探測任務中相關系統及設備的功能、性能以及月面活動及作業進行充分、有效的地面試驗驗證奠定技術基礎，為確保航天員安全提供保障，為載人月球探測綜合環境模擬試驗提供技術支撐[11-13]。

2.1 真空熱環境下月面移動式多體低重力模擬技術

在探月工程“玉兔號”月球車低重力模擬試驗中，已實現了單點懸吊方式的1/6重力的模擬。該方法將月球車視作一個整體，重力補償點通過月球車質心上方，月球車行走時對補償重力進行實時控制，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。在有人參與的月面探測活動中，低重力模擬情況更加復雜：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、身體動作和主要身體部位均需實現相應的低重力模擬，而不能簡單地看作一個整體；其次，考慮人機聯合作業，人和車需分別實現低重力模擬。因此，研究并突破多體低重力模擬的關鍵技術就顯得尤其重要。另外，對于載人月球探測來說，安全性與可靠性要求更高，必須對適應真空熱環境的多體低重力模擬系統研制技術和驗證方法開展研究，為真空熱環境下月面移動式多體低重力模擬試驗驗證奠定技術基礎。

2.2 復雜月面環境高精度熱流模擬技術

探測器或穿著艙外航天服的航天員在月球表面進行科學探測時處于極惡劣的熱環境中，月晝期間受到空間太陽輻射、月面紅外輻射、月面對太陽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復雜熱流的高精度模擬試驗條件，考核探測器或航天員/服對環境的適應性。應針對月晝轉月夜時極低背景熱流開展瞬態外熱流模擬方法、瞬態熱流快速測量技術研究，并對月面多種熱流復合環境進行高精度熱流模擬技術研究。

2.3 大容量布塵條件下超高真空獲得與保持技術

大容量布塵指在地面環境模擬設備中大面積范圍布置月塵環境，超高真空是指真空度優于10-6Pa的真空環境。月球表面屬于超高真空環境，在大容量布塵條件下獲得超高真空環境是更真實地模擬月塵環境的關鍵技術環節。因此，必須開展大抽速抽氣方法與超高真空保持技術研究，以便獲得更真實的模擬月面超高真空環境，同時抵消大容量布塵環境引起的真空放氣、揚塵抑制與過濾帶來的影響。

2.4 月面輻射與月塵環境模擬技術

月塵表面有很強的化學活性并帶有靜電，其黏附性和滲透性極強，黏附在月面探測設備表面的月塵會帶來一系列問題隱患。因此需要在地面試驗設備中大面積范圍布置月塵環境，更真實地模擬月球表面月塵揚起、月塵黏附到月面探測設備的環境。

月面紫外輻射及月面太陽風兩項環境因素是導致月塵帶電的主要原因，而帶電月塵的黏附性更強，也更難于清除，因此，對月面紫外輻射及月面太陽風進行量化模擬，是更真實模擬月球表面月塵環境效應的需要，也是更準確評估探測設備月塵防護效果的需要。

通過對月面紫外輻射環境模擬技術、月面太陽風模擬技術、塵粒激揚環境模擬技術、超高真空下區域高均勻性布塵等技術開展研究，突破月面綜合環境模擬試驗平臺研制技術，為具有高可靠性要求的載人月球探測設備開展高保真度月面環境試驗驗證提供技術支撐。

2.5 月塵防護效能量化評估技術

量化評價月球探測裝備月塵防護的效果與能力，是未來載人月球探測任務中系統性地實施月塵防護的關鍵，是產品防塵設計的考核準則，也是載人探測任務月面活動規劃的重要參考依據。研究月塵防護效能量化評估技術，是保障航天員生命安全健康的需要，也是保障月塵敏感設備在月面長期可靠運行的需要，直接關系著載人月面探測任務的安全性和可靠性。

月球表面的月塵顆粒無處不在，與載人月球探測人-機系統相互作用，會產生一系列復雜的有害效應，必須對易受月塵影響的產品做好月塵防護和驗證工作。在月表條件下對塵粒的防護能力如何界定是研究的重點，主要包括以下幾方面：月塵黏附規律及清除條件研究是建立性能退化模型及實施效能評估的基礎；產品性能退化模型則是黏附效應的分析方法，同時可以指導效能試驗與評估工作；效能試驗評估技術則是作為分析和試驗方法，對模型及黏附效應進行驗證。

2.6 月面環境參量一體化測量技術

在模擬月球表面環境下，為了達到對載人月球探測復雜系統綜合驗證與監測的目的，需要對熱流、溫度、應變、加速度、輻照度、壓力等各種動靜態物理參數進行測量分析與監測評估。通過對月面環境動靜態多參量一體化測試技術的研究，可以實現對復雜人-機探測系統在總裝集成、地面試驗、儲存、發射、在軌飛行、月面探測與服役終結全壽命周期進行環境與狀態監測與評估，滿足未來載人月球探測系統地面研制階段與月面探測活動期間的健康狀態監測與性能評價需要。

2.7 月面綜合環境試驗驗證技術

2.7.1 月面綜合環境虛擬仿真技術

對載人月球探測復雜系統開展月面多環境物理試驗對人力、物力和經費的消耗都較大，復雜的試驗工況造成試驗實施過程復雜，風險也較大，故而在實物試驗之前利用仿真技術對整個試驗過程進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、月面形貌等環境的虛擬仿真，研究并建立月面綜合環境虛擬仿真平臺，對模擬有人參與的月面活動系統驗證起到重要的支撐作用。

2.7.2 系統級月面環境試驗驗證技術

通過對真空熱環境下月面移動式多體低重力模擬技術、復雜月面環境高精度熱流模擬技術等關鍵技術研究，搭建涵蓋低重力、太陽光照、月表紅外輻射、月表地貌等模擬環境的系統級月面環境試驗驗證平臺，開展系統級月面環境試驗驗證技術研究，為載人月球探測系統的功能、性能以及月面活動及作業進行充分、有效的地面試驗驗證奠定技術基礎。

2.7.3 組件級月面環境試驗驗證技術

通過對月面輻射模擬技術、月塵激揚技術、高均勻性布塵技術、大面積布塵條件下超高真空獲得與保持技術、多源耦合技術的研究，搭建可同時實現超高真空、熱輻射、月塵等月面復雜綜合特殊環境模擬的組件級月面環境試驗驗證平臺，形成組件級產品月面適應性評價分析平臺及月塵防護驗證平臺，滿足載人月球探測復雜任務對于組件級設備評估與驗證的需求。

3 面向載人月球探測的月面環境模擬試驗技術研究總體方案

根據對上述幾項關鍵技術的分析，建議的面向載人月球探測的月面環境模擬試驗技術研究總體方案如圖1所示。

圖1 面向載人月球探測的月面環境模擬試驗技術研究總體方案Fig.1 Overall research scheme of lunar suface environmental simulation test technologies for manned lunar exploration

4 結束語

隨著我國載人月球探測任務的規劃與發展，開展針對載人月球探測的月面環境模擬試驗技術研究十分必要。通過研究月面復雜綜合環境模擬與試驗技術，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鍵技術，建立月面綜合環境模擬系統級試驗平臺、組件級試驗平臺以及虛擬仿真平臺，可為后續載人月球探測任務的順利實施奠定試驗驗證技術基礎。

（References）

[1]中國科學院.中國學科發展戰略: 載人深空探測[M].北京: 科學出版社,2016: 1-55

[2]果琳麗,王平,朱恩涌,等.載人月球基地工程[M].北京: 中國宇航出版社,2013: 1-5

[3]歐陽自遠,肖福根.火星探測的主要科學問題[J].航天器環境工程,2011,28(3): 205-217 OUYANG Z Y,XIAO F G.Major scientific issues involved in Mars exploration[J].Spacecraft Environment Engineering,2011,28(3): 205-217

[4]葉培建,果琳麗,張志賢,等.有人參與深空探測任務面臨的風險和技術挑戰[J].載人航天,2016,22(2):143-149 YE P J,GUO L L,ZHANG Z X,et al.Risks and challenges of manned deep space exploration mission[J].Manned Spaceflight,2016,22(2): 143-149

[5]張志賢,果琳麗,戚發軔.月面人機聯合探測概念研究[J].載人航天,2014,20(5): 432-442 ZHANG Z X,GUO L L,QI F R.Conceptual study on crew-robot coordinated exploration on lunar surface[J].Manned Spaceflight,2014,20(5): 432-442

[6]褚桂柏,張熇.月球探測器技術[M].北京: 中國科學技術出版社,2007: 1-2

[7]賈陽,陳建新,申振榮,等.月面巡視探測器[J].航空制造技術,2007(12): 44-47 JIA Y,CHEN J X,SHEN Z R,et al.Lunar rover[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2007(12):44-47

[8]賈陽,申振榮,龐彧,等.月面巡視探測器地面試驗方法與技術綜述[J].航天器環境工程,2014,31(5):464-469 JIA Y,SHEN Z R,PANG Y,et al.A review of field test methods and technologies for lunar rover[J].Spacecraft Environment Engineering,2014,31(5): 464-469

[9]YNDON B.Apollo program summary report[R].Houston: National Aeronautics and Space Administration,Johnson Space Center,1975-04

[10]姜兵,樊世超,劉明輝.月面重力模擬系統恒拉力繩索的動力學研究[J].航天器環境工程,2012,29(3):278-282 JIANG B,FAN S C,LIU M H.Dynamics of cable in constant tension in lunar gravity simulation system[J].Spacecraft Environment Engineering,2012,29(3):278-282

[11]賈陽,王瓊,王芳,等.月面巡視探測器外場試驗方法[J].航天器環境工程,2012,29(6): 602-607 JIA Y,WANG Q,WANG F,et al.Research on the methods of lunar rover field test[J].Spacecraft Environment Engineering,2012,29(6): 602-607

[12]樊世超,賈陽,向樹紅,等.月面地形地貌環境模擬初步研究[J].航天器環境工程,2007,24(1): 15-20 FAN S C,JIA Y,XIANG S H,et al.A preliminary study on simulation of lunar surface terrain[J].Spacecraft Environment Engineering,2007,24(1): 15-20

[13]李建橋,鄒猛,賈陽,等.用于月面車輛力學試驗的模擬月壤研究[J].巖土力學,2008,29(6): 1557-1561 LI J Q,ZOU M,JIA Y,et al.Lunar soil stimulant for vehicle-terramechanics research in laboratory[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(6): 1557-1561