面向载人月球探测的月面环境模拟试验关键技术分析

冯咬齐，易 忠，李西园，刘明辉，高庆华，李 栋，汪 力，张鹏嵩，王志浩，张景川，王军伟

（1.北京卫星环境工程研究所；2.北京卫星环境工程研究所 可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

0 引言

探索未知世界的本能及好奇心决定了人类参与深空探测的必然性，此外，利用地外星体资源及拓展自身生存空间也是人类社会持续发展的需求所在。以月球、小行星、火星等地外天体为目标开展有人类航天员直接参与的载人深空探测活动，是无人深空探测和载人航天工程后续发展的必然结合，其中，载人月球探测是不可跨越的关键环节。载人月球探测的长远目标是建立月球基地，对月球进行长期系统性科学研究并实施月球资源开发利用[1-3]。

相对于无人月球探测，载人月球探测的任务剖面更为复杂，航天器构型更为多变，面临的环境更为极端。考虑到航天员的生命安全，在有人参与的月面探测活动中，对着陆器、居住舱及相关设备的安全性和可靠性要求更高，因此需要在型号研制阶段对航天器抵御极端环境的能力进行验证，并筛除产品的早期缺陷。这就要求在地面能够较为真实地模拟月面环境及航天器工作状态，具体包括：相对于普通地球轨道的航天器，月表昼夜交替的瞬态外热流更为复杂，太阳辐射热流快速瞬变，而月表红外辐射则由于月壤热容的影响变化缓慢，这就导致大型航天器（如居住舱、登陆器等）表面存在巨大的热流、温度梯度，需要具备测量和模拟全谱段瞬变外热流的能力；还需研究解决如何在地面模拟航天员、月球车、工具等的多体低重力问题，以及在月面超高真空环境下会影响生命保障系统、热控系统、光学仪表、机械构件性能的漂浮月尘的吸附问题等[4-5]。

因此，针对已知的月面复杂瞬态外热流、低重力、超高真空、月尘、紫外辐射、月貌月壤光照等环境，载人月球探测地面模拟试验技术需求主要体现在以下几个方面[6-8]：

1）月表昼夜交替的瞬态外热流复杂，在有人参与的情况下，舱体和登月服对温度控制精度要求更高。为了验证载人登月系统的温控准确性，必须高精度模拟热流边界条件，给出准确的验证结果，保证温控系统设计的可靠性。

2）航天员及月球车等需在月球低重力和复杂月貌月壤等恶劣环境下活动作业，为了确保月面上人机联合作业的顺利实施，地面验证时必须对人机联合作业的多体低重力环境进行模拟。

3）人员月面作业、居住及基地建设有必要对热、低重力、月面地形及月壤综合环境进行模拟，要求具备多种耦合效应的模拟能力。

4）月面辐射环境会增强月尘的黏附性，激扬月尘对生命保障、热控、光学、机械等系统产生严重影响和危害，因此必须对月尘及辐射环境进行模拟，验证关键敏感设备的环境适应性和防护效果。

5）在月球表面超高真空环境下，载人登月装备表面处于原子清洁状态，不仅会发生活动部件的真空冷焊现象，而且月尘在登月服面罩等表面上的附着力显著增强，对大容量布尘条件下的超高真空获得与保持技术提出需求。

6）月面载人探测的地面验证十分复杂，为了先期评估试验系统及方案，开展月面环境虚拟仿真试验具有显著的重要性。

综上所述，根据我国未来载人月球探测规划发展的需要，开展面向载人月球探测的月面综合环境模拟试验技术研究具有十分重要的实际意义。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

到目前为止，美国是唯一成功实施了载人登月任务的国家，即20世纪60年代的“阿波罗”计划。进入21世纪，美国提出了“重返月球”的口号，要建立月球基地，并开始着手为人类登上火星做准备。除美国之外，俄罗斯（前苏联）、欧洲、日本、印度等国家都相继提出过载人月球探测及月球基地建设的设想。为了配合无人或有人参与的月球探测活动的开展与实施，以美国为代表的上述国家，针对月球表面复杂的热、低重力、超高真空、月尘、太阳辐射、月壤月貌等特殊环境因素，开展了大量的月面环境模拟试验技术研究，并建立了相应的地面模拟试验设施，以下归纳总结了具有代表性的研究成果及其应用[9]：

1）美国 NASA、苏联航天机构、日本空间实验室等针对巡视器、航天员研究了悬吊法、浮力法、外骨骼法等低重力模拟技术，并研制了试验系统，实现了低重力模拟；

2）欧洲ESA和美国NASA等航天机构开展了入射式、吸收式及等效式热流模拟方法等高精度热环境模拟技术研究，应用于“阿波罗”飞船及火星探测器；

3）美国JSC进行了月面热流、真空、重力卸载等环境模拟技术研究，建设了一系列模拟容器，满足航天员和飞船等的月面环境试验验证，如ARGOS平台，可模拟月球地貌和低重力环境，用于对航天员、巡视器任务的地面试验验证；

4）美国NASA针对月尘环境模拟系统以及月尘防护方法，开展了专项研究并应用于电池片、光学部件、机械设备、电子设备、航天服等；

5）美国JPL、欧洲ESA、日本JAXA等研究开发了ESATAN-TMS热分析平台、ROMAS等虚拟仿真平台，为实现探测器性能的仿真和优化提供技术支撑。

1.2 我国研究现状

我国在载人月球探测领域目前尚处于前期论证及技术研究储备阶段。但通过载人航天工程及月球探测工程的实施，北京卫星环境工程研究所、哈尔滨工业大学、中国科学院地球化学研究所等多家单位，针对低轨道载人航天飞行及无人月球探测任务开展了大量的地面模拟试验技术研究，建立了相应的试验设施，积累了丰富的技术成果及工程经验，为我国未来的载人深空探测打下了良好的技术基础，具有代表性的技术成果及其应用主要体现在以下几方面[8,10-11]：

1）针对月面低重力模拟问题，开展了单点低重力模拟、气球悬浮等方法研究；

2）开展了基于吸收热流模拟方法的月面热流模拟技术研究；

3）针对月球表面环境，开展了月面光照、月面形貌、月壤及月尘的特性及制备等技术研究；

4）针对月尘环境效应问题，开展了月尘环境模拟、月尘沉积和吸附试验等技术研究；

5）在月面环境虚拟仿真技术方面，开展了基于 Vortex的月球车在月面环境下移动性能仿真等技术研究；

6）面向载人航天工程型号研制试验验证需求，开展了航天服热平衡、人-舱-服联合等试验技术研究，在此基础上研制了载人航天地面试验设施，完成了型号研制试验验证任务；

7）面向月球探测工程型号试验验证需求，开展了基于月面吸收热流模拟的热试验、基于单体低重力模拟的巡视器月面行走试验、月尘环境效应模拟试验等试验技术研究，研制了月面环境模拟、月尘环境效应模拟器等试验设施，完成了巡视器行走等型号试验验证任务。

2 关键技术分析

载人月球探测任务中，航天员及探测系统将面临月球表面复杂的特殊综合环境。因此，一方面，在任务实施前有必要开展月球表面环境模拟试验技术研究，以突破一些关键技术，实现更真实的月面环境模拟；另一方面，通过建立地外天体综合环境试验平台、试验方法及试验项目，开展系统级与组件级的月面环境试验验证技术研究，可为载人月球探测任务中相关系统及设备的功能、性能以及月面活动及作业进行充分、有效的地面试验验证奠定技术基础，为确保航天员安全提供保障，为载人月球探测综合环境模拟试验提供技术支撑[11-13]。

2.1 真空热环境下月面移动式多体低重力模拟技术

在探月工程“玉兔号”月球车低重力模拟试验中，已实现了单点悬吊方式的1/6重力的模拟。该方法将月球车视作一个整体，重力补偿点通过月球车质心上方，月球车行走时对补偿重力进行实时控制，使得月球车车轮与地面的接触压力与其在月面所受的重力相当。在有人参与的月面探测活动中，低重力模拟情况更加复杂：首先，人的行为方式不同于月球车，人在月面直立行走，手臂活动、身体动作和主要身体部位均需实现相应的低重力模拟，而不能简单地看作一个整体；其次，考虑人机联合作业，人和车需分别实现低重力模拟。因此，研究并突破多体低重力模拟的关键技术就显得尤其重要。另外，对于载人月球探测来说，安全性与可靠性要求更高，必须对适应真空热环境的多体低重力模拟系统研制技术和验证方法开展研究，为真空热环境下月面移动式多体低重力模拟试验验证奠定技术基础。

2.2 复杂月面环境高精度热流模拟技术

探测器或穿着舱外航天服的航天员在月球表面进行科学探测时处于极恶劣的热环境中，月昼期间受到空间太阳辐射、月面红外辐射、月面对太阳的反射等多种热流加热，月夜期间处于极低背景热流，月夜和月昼更迭期间外热流变化极快，因此需要在地面建立对复杂热流的高精度模拟试验条件，考核探测器或航天员/服对环境的适应性。应针对月昼转月夜时极低背景热流开展瞬态外热流模拟方法、瞬态热流快速测量技术研究，并对月面多种热流复合环境进行高精度热流模拟技术研究。

2.3 大容量布尘条件下超高真空获得与保持技术

大容量布尘指在地面环境模拟设备中大面积范围布置月尘环境，超高真空是指真空度优于10-6Pa的真空环境。月球表面属于超高真空环境，在大容量布尘条件下获得超高真空环境是更真实地模拟月尘环境的关键技术环节。因此，必须开展大抽速抽气方法与超高真空保持技术研究，以便获得更真实的模拟月面超高真空环境，同时抵消大容量布尘环境引起的真空放气、扬尘抑制与过滤带来的影响。

2.4 月面辐射与月尘环境模拟技术

月尘表面有很强的化学活性并带有静电，其黏附性和渗透性极强，黏附在月面探测设备表面的月尘会带来一系列问题隐患。因此需要在地面试验设备中大面积范围布置月尘环境，更真实地模拟月球表面月尘扬起、月尘黏附到月面探测设备的环境。

月面紫外辐射及月面太阳风两项环境因素是导致月尘带电的主要原因，而带电月尘的黏附性更强，也更难于清除，因此，对月面紫外辐射及月面太阳风进行量化模拟，是更真实模拟月球表面月尘环境效应的需要，也是更准确评估探测设备月尘防护效果的需要。

通过对月面紫外辐射环境模拟技术、月面太阳风模拟技术、尘粒激扬环境模拟技术、超高真空下区域高均匀性布尘等技术开展研究，突破月面综合环境模拟试验平台研制技术，为具有高可靠性要求的载人月球探测设备开展高保真度月面环境试验验证提供技术支撑。

2.5 月尘防护效能量化评估技术

量化评价月球探测装备月尘防护的效果与能力，是未来载人月球探测任务中系统性地实施月尘防护的关键，是产品防尘设计的考核准则，也是载人探测任务月面活动规划的重要参考依据。研究月尘防护效能量化评估技术，是保障航天员生命安全健康的需要，也是保障月尘敏感设备在月面长期可靠运行的需要，直接关系着载人月面探测任务的安全性和可靠性。

月球表面的月尘颗粒无处不在，与载人月球探测人-机系统相互作用，会产生一系列复杂的有害效应，必须对易受月尘影响的产品做好月尘防护和验证工作。在月表条件下对尘粒的防护能力如何界定是研究的重点，主要包括以下几方面：月尘黏附规律及清除条件研究是建立性能退化模型及实施效能评估的基础；产品性能退化模型则是黏附效应的分析方法，同时可以指导效能试验与评估工作；效能试验评估技术则是作为分析和试验方法，对模型及黏附效应进行验证。

2.6 月面环境参量一体化测量技术

在模拟月球表面环境下，为了达到对载人月球探测复杂系统综合验证与监测的目的，需要对热流、温度、应变、加速度、辐照度、压力等各种动静态物理参数进行测量分析与监测评估。通过对月面环境动静态多参量一体化测试技术的研究，可以实现对复杂人-机探测系统在总装集成、地面试验、储存、发射、在轨飞行、月面探测与服役终结全寿命周期进行环境与状态监测与评估，满足未来载人月球探测系统地面研制阶段与月面探测活动期间的健康状态监测与性能评价需要。

2.7 月面综合环境试验验证技术

2.7.1 月面综合环境虚拟仿真技术

对载人月球探测复杂系统开展月面多环境物理试验对人力、物力和经费的消耗都较大，复杂的试验工况造成试验实施过程复杂，风险也较大，故而在实物试验之前利用仿真技术对整个试验过程进行仿真分析具有重要意义。因此，基于月面真空、热、低重力、光照、月面形貌等环境的虚拟仿真，研究并建立月面综合环境虚拟仿真平台，对模拟有人参与的月面活动系统验证起到重要的支撑作用。

2.7.2 系统级月面环境试验验证技术

通过对真空热环境下月面移动式多体低重力模拟技术、复杂月面环境高精度热流模拟技术等关键技术研究，搭建涵盖低重力、太阳光照、月表红外辐射、月表地貌等模拟环境的系统级月面环境试验验证平台，开展系统级月面环境试验验证技术研究，为载人月球探测系统的功能、性能以及月面活动及作业进行充分、有效的地面试验验证奠定技术基础。

2.7.3 组件级月面环境试验验证技术

通过对月面辐射模拟技术、月尘激扬技术、高均匀性布尘技术、大面积布尘条件下超高真空获得与保持技术、多源耦合技术的研究，搭建可同时实现超高真空、热辐射、月尘等月面复杂综合特殊环境模拟的组件级月面环境试验验证平台，形成组件级产品月面适应性评价分析平台及月尘防护验证平台，满足载人月球探测复杂任务对于组件级设备评估与验证的需求。

3 面向载人月球探测的月面环境模拟试验技术研究总体方案

根据对上述几项关键技术的分析，建议的面向载人月球探测的月面环境模拟试验技术研究总体方案如图1所示。

图1 面向载人月球探测的月面环境模拟试验技术研究总体方案Fig.1 Overall research scheme of lunar suface environmental simulation test technologies for manned lunar exploration

4 结束语

随着我国载人月球探测任务的规划与发展，开展针对载人月球探测的月面环境模拟试验技术研究十分必要。通过研究月面复杂综合环境模拟与试验技术，突破高精度热流模拟、多体低重力模拟与超高真空获得等关键技术，建立月面综合环境模拟系统级试验平台、组件级试验平台以及虚拟仿真平台，可为后续载人月球探测任务的顺利实施奠定试验验证技术基础。

（References）

[1]中国科学院.中国学科发展战略: 载人深空探测[M].北京: 科学出版社,2016: 1-55

[2]果琳丽,王平,朱恩涌,等.载人月球基地工程[M].北京: 中国宇航出版社,2013: 1-5

[3]欧阳自远,肖福根.火星探测的主要科学问题[J].航天器环境工程,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]叶培建,果琳丽,张志贤,等.有人参与深空探测任务面临的风险和技术挑战[J].载人航天,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]张志贤,果琳丽,戚发轫.月面人机联合探测概念研究[J].载人航天,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,张熇.月球探测器技术[M].北京: 中国科学技术出版社,2007: 1-2

[7]贾阳,陈建新,申振荣,等.月面巡视探测器[J].航空制造技术,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]贾阳,申振荣,庞彧,等.月面巡视探测器地面试验方法与技术综述[J].航天器环境工程,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,刘明辉.月面重力模拟系统恒拉力绳索的动力学研究[J].航天器环境工程,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]贾阳,王琼,王芳,等.月面巡视探测器外场试验方法[J].航天器环境工程,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,贾阳,向树红,等.月面地形地貌环境模拟初步研究[J].航天器环境工程,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]李建桥,邹猛,贾阳,等.用于月面车辆力学试验的模拟月壤研究[J].岩土力学,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