朱戰(zhàn)霞， 張志昊， 孫 沖， 鄭子軒， 袁建平

(1.西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院， 西安 710072； 2.航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710072)

1 引言

月球作為地球的唯一衛(wèi)星，其特殊的空間位置以及豐富的潛在資源已經(jīng)引起了全球的關(guān)注，建設(shè)永久性載人月球基地成為各航天大國(guó)的目標(biāo)之一，如歐空局的月球村計(jì)劃以及NASA 的Artemis 重返月球計(jì)劃。 隨著嫦娥計(jì)劃的順利實(shí)施，中國(guó)也應(yīng)盡早開(kāi)啟月球基地建設(shè)計(jì)劃，以開(kāi)發(fā)和利用豐富的月球資源。

月球基地的建設(shè)離不開(kāi)航天員和各類機(jī)器人的協(xié)同合作，執(zhí)行月球表面的各種巡視、挖掘、搬運(yùn)、搭建、維護(hù)等任務(wù)，為人類向月球的遷徙做好基礎(chǔ)設(shè)施搭建和服務(wù)保障。 航天員月面活動(dòng)的適應(yīng)性訓(xùn)練以及各類機(jī)器人任務(wù)可靠性檢驗(yàn)都必須在發(fā)射前進(jìn)行充分的地面試驗(yàn)和測(cè)試。 為了獲得能夠反映月面操作真實(shí)效果的試驗(yàn)結(jié)果，必須模擬月球環(huán)境。 從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)特性方面考慮，首先需要模擬月面重力環(huán)境。 因?yàn)榈孛嬷亓Νh(huán)境與月面重力環(huán)境有較大差異，航天員和機(jī)器人在不同的重力環(huán)境下所表現(xiàn)出的運(yùn)動(dòng)特性也存在較大差異，通過(guò)地面試驗(yàn)系統(tǒng)等效模擬月面的重力環(huán)境，才有可能使航天員和機(jī)器人的動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)特性與月面重力環(huán)境中的等效或一致。

本文旨在對(duì)月面重力環(huán)境模擬方法進(jìn)行分析。 首先對(duì)空間微重力環(huán)境的模擬方法進(jìn)行闡釋，分析其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用于月面重力環(huán)境模擬的可能性，并對(duì)月面操作地面試驗(yàn)的現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題進(jìn)行分析。 在此基礎(chǔ)上，介紹一種液磁混合模式的月面重力環(huán)境效應(yīng)模擬方法，并展望其在月面操作活動(dòng)及相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證中的應(yīng)用前景。

2 空間微重力環(huán)境/效應(yīng)模擬方法

縱觀已有的空間微重力環(huán)境/效應(yīng)模擬方法，主要包括2 類:①環(huán)境模擬，即利用重力加速度創(chuàng)造微重力環(huán)境，包括自由落體法、拋物線飛行法；②環(huán)境效應(yīng)模擬，即試驗(yàn)件持續(xù)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(jìn)行失重模擬，微重力水平可達(dá)10～10(為地面重力加速度)，一般可獲得5 ～10 s 的微重力時(shí)間。 主要設(shè)施包括探測(cè)火箭和微重力落塔，具有微重力水平高、試驗(yàn)費(fèi)用低、試驗(yàn)機(jī)會(huì)多等優(yōu)點(diǎn)，主要用于科學(xué)試驗(yàn)。 但其持續(xù)時(shí)間很短，只有幾秒鐘，并不適合于模擬長(zhǎng)時(shí)間空間運(yùn)動(dòng)。

2.2 拋物線飛行法

拋物線飛行法通過(guò)飛機(jī)俯沖過(guò)程中產(chǎn)生短時(shí)間類似自由落體的環(huán)境模擬微重力狀態(tài)，主要設(shè)施是失重飛機(jī)，微重力水平比自由落體法低一些，可達(dá)10～10，一次拋物線飛行提供的失重時(shí)間比較短，一般只有幾十秒到一分鐘，也不適合于模擬長(zhǎng)時(shí)間空間運(yùn)動(dòng)。 而且該方法不支持體積龐大的試驗(yàn)系統(tǒng)，目前主要用于航天員的訓(xùn)練和一些科學(xué)試驗(yàn)。

2.3 氣浮法

氣浮法依靠壓縮空氣形成氣膜，使試驗(yàn)件浮起，通過(guò)高壓氣體的作用力平衡物體重力，從而實(shí)現(xiàn)微重力效應(yīng)的模擬，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)近似無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 由于其氣膜高度只有毫米級(jí)，因此沒(méi)有垂向自由度，目前大多用于平面相對(duì)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)和姿態(tài)模擬與仿真試驗(yàn)。 近年來(lái)，在二維平面氣浮的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加垂直方向的無(wú)摩擦機(jī)構(gòu)，基于運(yùn)動(dòng)合成的機(jī)理，也可實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的六自由度試驗(yàn)。 但是這種方法無(wú)法模擬姿軌耦合效應(yīng)，很難從動(dòng)力學(xué)本質(zhì)上對(duì)復(fù)雜的空間三維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。

2.4 懸吊法

懸吊法利用懸掛重力補(bǔ)償原理，通過(guò)隨動(dòng)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(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)，模擬微重力效應(yīng)。 但是懸吊法基于靜態(tài)平衡原理，且施加在試驗(yàn)件上的力是一種集中力，而非分布式力，且機(jī)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)精確性不高，特別是動(dòng)態(tài)情況下微重力模擬水平較低，約為10，應(yīng)用受到很大限制，目前主要用于配合氣浮法進(jìn)行空間機(jī)器人的地面試驗(yàn)。

2.5 液浮法

液浮法是利用液體對(duì)試驗(yàn)件的浮力平衡重力，使試驗(yàn)件在液體中處于懸浮狀態(tài)(也稱中性浮力狀態(tài))，以模擬微重力效應(yīng)，主要設(shè)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(yàn)件六自由度長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)限制地連續(xù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試。 但中性浮力法的微重力模擬水平受試驗(yàn)件特性(體積和質(zhì)量)的影響，浮力重力配平精度較低，且每一對(duì)象都必須經(jīng)過(guò)復(fù)雜繁瑣的線下配平，無(wú)法通過(guò)環(huán)境力進(jìn)行在線自主配平和調(diào)控，因此使應(yīng)用范圍受限。 目前主要用于航天員訓(xùn)練和有航天員參加的接觸性空間操作活動(dòng)的訓(xùn)練。

以上方法和設(shè)施各有特點(diǎn)，雖然可用于不同試驗(yàn)?zāi)康南碌奈⒅亓Νh(huán)境/效應(yīng)模擬，但是并非完全適用于深空探測(cè)的星體表面重力效應(yīng)的模擬。拋物線法和自由落體法都只能實(shí)現(xiàn)一種且僅僅一種狀態(tài)，即失重的狀態(tài)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低重力狀態(tài)；氣浮法的原理導(dǎo)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(tǒng)中試驗(yàn)件浮力是其體積的函數(shù)，都可以通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件部分重力被平衡，從原理上講，可用于星體表面重力效應(yīng)的模擬。

3 星體表面機(jī)器人操作的地面試驗(yàn)現(xiàn)狀

目前星體表面機(jī)器人操作的地面試驗(yàn)和研究，針對(duì)不同試驗(yàn)?zāi)康模笾驴梢苑譃樾求w表面地貌特征模擬環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)與星體表面重力模擬環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和操作試驗(yàn)。

3.1 星體表面地貌特征模擬

星體表面地貌特征模擬環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)大多模擬火星或月球的地形地貌特征。例如美國(guó)LRV 月面巡視車地面試驗(yàn)(圖1)、約翰遜中心的月球地貌試驗(yàn)場(chǎng)(圖2)、 JPL 的MarsYard 火星地形試驗(yàn)場(chǎng)(圖3)等。 以上試驗(yàn)可以驗(yàn)證部分技術(shù)，如目標(biāo)識(shí)別、導(dǎo)航、移動(dòng)、避障、遙操作等，但由于忽略了星球重力特征的模擬，無(wú)法有效驗(yàn)證星球重力環(huán)境下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性和操控性能。

圖1 美國(guó)LRV 月面巡視車的地面試驗(yàn)[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(yàn)場(chǎng)[8]Fig. 2 Johnson center’s lunar geomorphology proving ground[8]

圖3 JPL 的MarsYard 火星地形試驗(yàn)場(chǎng)[8]Fig.3 JPL’s Mars yard[8]

3.2 星體表面重力模擬

對(duì)于星體表面重力模擬環(huán)境下的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和操作試驗(yàn)，較常用的是懸吊法。 懸吊法通過(guò)吊絲拉力在垂直方向平衡試驗(yàn)對(duì)象部分重力，就可以模擬星體表面的重力效應(yīng)。 例如美國(guó)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(yè)大學(xué)的星球車重力補(bǔ)償系統(tǒng)(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(bǔ)償系統(tǒng)[12]Fig.6 Gravity compensation system of planetary vehicle[12]

懸吊法可以實(shí)現(xiàn)不受時(shí)間限制的低重力效應(yīng)模擬，在一定空間范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和操作的研究與試驗(yàn)。 例如，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析與試驗(yàn)、月球車行走系統(tǒng)性能試驗(yàn)、月面巡視器的控制試驗(yàn)、月壤采樣相關(guān)技術(shù)研究與試驗(yàn)、月球車的車輪與月壤之間的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)、月球著陸器著陸性能研究與試驗(yàn)、視覺(jué)位姿測(cè)量技術(shù)與試驗(yàn)等。 但是懸吊系統(tǒng)屬于集中力系，失真度大，結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)難度非常大。 雖然已有一些針對(duì)懸吊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、重力補(bǔ)償以及測(cè)控技術(shù)的研究，解決了應(yīng)用中的部分技術(shù)問(wèn)題，但針對(duì)星體表面的大范圍運(yùn)動(dòng)和機(jī)器人機(jī)械臂高精度復(fù)雜操作活動(dòng)的地面試驗(yàn)，懸吊法結(jié)構(gòu)布設(shè)非常復(fù)雜，且有可能存在絲線阻擋/纏繞等問(wèn)題，因此仍然面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

液浮法也可以用于星體表面重力效應(yīng)的模擬，對(duì)于月球來(lái)說(shuō)，通過(guò)液體浮力平衡被試驗(yàn)對(duì)象5/6 的重力，就可以模擬月球表面重力效應(yīng)，一般通過(guò)合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)象的排水體積和自身重量來(lái)實(shí)現(xiàn)。 但是由于液浮法的模擬精度低，配平過(guò)程復(fù)雜，無(wú)法在線自主配平，雖然在微重力模擬和試驗(yàn)中有大量應(yīng)用，但目前甚少見(jiàn)其在星體表面操作試驗(yàn)中的應(yīng)用。

4 液磁混合懸浮方法及月面重力效應(yīng)模擬

4.1 液磁混合懸浮方法

針對(duì)液浮法的不足，朱戰(zhàn)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(yīng)。其原理是基于液體浮力，并結(jié)合非接觸電磁力特性，形成合力共同作用于試驗(yàn)對(duì)象上。 通過(guò)液體浮力宏觀調(diào)整微重力水平，通過(guò)可控電磁力實(shí)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，即長(zhǎng)時(shí)間、大空間、三維、真實(shí)自由度的模擬，同時(shí)通過(guò)引入可控電磁力彌補(bǔ)了其不足(重力配平過(guò)程復(fù)雜，存在重力浮力差即剩余重力，配平精度嚴(yán)重依賴人員經(jīng)驗(yàn)，配平后微重力水平不可調(diào)節(jié)和控制)。 該方法更進(jìn)一步有效結(jié)合了液體浮力和電磁力的優(yōu)點(diǎn)，并彌補(bǔ)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(diào)控的有機(jī)結(jié)合。 一方面通過(guò)電磁力彌補(bǔ)中性浮力不可精確調(diào)控的不足，另一方面通過(guò)液體浮力彌補(bǔ)電磁力不具有大范圍/大尺度調(diào)控能力的不足，可實(shí)現(xiàn)微重力模擬水平的大范圍高精度調(diào)控。

基于此方法的地面微重力試驗(yàn)系統(tǒng)，涉及微重力水平精確模擬、電磁力生成與控制、電磁環(huán)境下試驗(yàn)方法、水動(dòng)力補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。 基本組成包括液浮系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)、視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)、試驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(圖8)。其中，液浮系統(tǒng)是一個(gè)水池，試驗(yàn)件處于其中受到浮力作用；電磁系統(tǒng)分布于水池的上方，提供所需的電磁力，用于精確調(diào)控微重力模擬精度和水平；試驗(yàn)平臺(tái)可以搭載需要測(cè)試的試驗(yàn)對(duì)象；控制系統(tǒng)主要用于試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境干擾(水動(dòng)力干擾)的自主補(bǔ)償控制；測(cè)量系統(tǒng)由布設(shè)于試驗(yàn)環(huán)境中的工業(yè)用視覺(jué)相機(jī)，圖像處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)組成，用于對(duì)試件的位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；試驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行在線操控，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。 目前已經(jīng)建成的地面微重力試驗(yàn)設(shè)施，其微重力模擬精度水平相對(duì)于純液浮系統(tǒng)提高了2 個(gè)量級(jí)，電磁力控制精度優(yōu)于1%，水動(dòng)力干擾自主補(bǔ)償精度優(yōu)于1%，可提供大尺度、全維度、長(zhǎng)時(shí)間、高逼真、高精度、可控微重力效應(yīng)模擬水平的試驗(yàn)環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)與空間同步操作演示。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)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(yīng)模擬

在未來(lái)的月面基地建設(shè)中，航天員和機(jī)器人的月面行走和操作將成為日常，相應(yīng)的地面訓(xùn)練和操作試驗(yàn)也成為必然。 考慮月面環(huán)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(yàn)環(huán)境，以確保地面訓(xùn)練和試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

特殊地形的搭建和模擬相對(duì)容易，通過(guò)對(duì)月面土壤和巖石的研究，得出其組成成分，就可以生產(chǎn)出與該組成成分相似的物質(zhì)。 再結(jié)合地形地貌模擬方法，可以實(shí)現(xiàn)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(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)與地球完全不同，如何模擬月球重力環(huán)境下人/機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與月面相互作用的力學(xué)特性仍舊是一個(gè)難題。 從液磁混合懸浮微重力效應(yīng)模擬方法的基本原理看，將其擴(kuò)展于月面重力效應(yīng)模擬完全可行。 不同之處只在于通過(guò)液體浮力宏觀調(diào)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(chǔ)上，通過(guò)電磁力進(jìn)行浮力重力差的精確調(diào)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(chǎng)力(電磁力)同時(shí)引入，相對(duì)于懸吊法的點(diǎn)集中力，向作用于質(zhì)量微元的月面重力特性更近了一步。 基于以上思想，則可實(shí)現(xiàn)月面重力效應(yīng)的模擬。 特別是通過(guò)粗調(diào)液體浮力平衡重力的多少，可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的變重力模擬，例如微重力、月球重力、火星重力等。 同時(shí)采用與微重力試驗(yàn)相似的試驗(yàn)方法和電磁力控制、水動(dòng)力干擾補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，可實(shí)現(xiàn)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(guò)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(gè)量級(jí)。

當(dāng)然，由于液體環(huán)境和電磁場(chǎng)環(huán)境以及重力場(chǎng)環(huán)境的同時(shí)存在，使得試驗(yàn)件受力特性復(fù)雜，并存在耦合，如何在這樣的力場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)人/機(jī)器人操作的等效模擬，需要進(jìn)一步研究和解決。

4.3 液磁混合懸浮法在月面操作試驗(yàn)中的應(yīng)用

利用液磁混合懸浮法可以等效模擬月面重力環(huán)境效應(yīng)。 在此基礎(chǔ)上，若在液浮系統(tǒng)的底部鋪設(shè)模擬月面高低起伏的地形板，則可實(shí)現(xiàn)月面特殊地形、低重力環(huán)境特性的同時(shí)模擬，為人/機(jī)器人的月面行走和操作的地面訓(xùn)練和月面有效載荷相關(guān)試驗(yàn)提供等效模擬環(huán)境。

基于目前人類對(duì)月球的有限認(rèn)知和現(xiàn)有的航天技術(shù)水平，月球基地的建設(shè)過(guò)程將較為復(fù)雜，建設(shè)周期也較長(zhǎng)。 按照建造階段的不同，月球基地的建設(shè)要經(jīng)歷無(wú)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(jī)器人月面操作和航天員月面操作。 機(jī)器人月面操作包括了月面巡視、挖掘、搬運(yùn)、搭建、維修等。 航天員的月面操作活動(dòng)包括出艙活動(dòng)、無(wú)壓和加壓下漫游、固定的棲息地建設(shè)、基本支持系統(tǒng)建設(shè)(如發(fā)電廠)等。 圖9 所示是NASA 針對(duì)Artemis 計(jì)劃設(shè)想的一系列的月面硬件建設(shè)和對(duì)應(yīng)的操作活動(dòng)。

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

對(duì)于未來(lái)月球基地建設(shè)所涉及的操作，利用液磁混合懸浮方法所模擬的月面環(huán)境特征，可以進(jìn)行下列試驗(yàn)和訓(xùn)練:

1)航天員月面操作適應(yīng)性訓(xùn)練。 基于液磁混合懸浮法的月面環(huán)境特征模擬系統(tǒng)特別適合于航天員進(jìn)行各種操作訓(xùn)練和適應(yīng)性訓(xùn)練，有利于航天員掌握和熟悉月面重力環(huán)境下行走和動(dòng)作的協(xié)調(diào)性。 包括訓(xùn)練一般操作能力、進(jìn)出艙活動(dòng)，著重于月面行走、奔跑、跳躍步態(tài)訓(xùn)練，以掌握精確調(diào)節(jié)人體運(yùn)行能力；訓(xùn)練航天員執(zhí)行復(fù)雜操作的能力，例如零件組裝、機(jī)器人維修等精細(xì)復(fù)雜操作活動(dòng)，以掌握精細(xì)操作過(guò)程中的人體協(xié)調(diào)控制技巧。

2)各類機(jī)械臂月面操作模擬試驗(yàn)與訓(xùn)練。機(jī)器人執(zhí)行月面挖掘、搬運(yùn)、搭建、維修等任務(wù)時(shí)，離不開(kāi)多自由度靈巧操作機(jī)械臂的協(xié)助。 機(jī)械臂的相關(guān)技術(shù)和性能需要在等效月面環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。 基于液磁混合懸浮法模擬的月面重力等效環(huán)境，不僅可使機(jī)械臂整體及各關(guān)節(jié)都處于1/6 重力作用下，而且使被操作對(duì)象(月面挖掘的月巖、月面搬運(yùn)的材料、月面建造的結(jié)構(gòu))也處于1/6 重力作用下，同時(shí)是一種三維同自由度同步操作的試驗(yàn)環(huán)境，因此非常適用于機(jī)械臂的等效操作測(cè)試和試驗(yàn)，包括機(jī)械臂的機(jī)械運(yùn)動(dòng)構(gòu)件性能、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)性能、規(guī)劃控制性能的測(cè)試與試驗(yàn)；機(jī)械臂設(shè)計(jì)參數(shù)合理性檢驗(yàn)和校正；面向任務(wù)的操作效果和操作流程檢驗(yàn)和操作適應(yīng)性訓(xùn)練等。

3)人－機(jī)月面協(xié)調(diào)操作模擬訓(xùn)練。 月面基地建設(shè)過(guò)程中，需要航天員和機(jī)器人相互配合完成特定任務(wù)。 基于液磁混合懸浮法模擬的月面等效環(huán)境，可以根據(jù)需要建設(shè)得足夠大，允許多名航天員和多個(gè)機(jī)器人同時(shí)進(jìn)行測(cè)試與試驗(yàn)，包括航天員之間的配合訓(xùn)練與檢驗(yàn)、機(jī)器人之間、航天員－機(jī)器人之間的協(xié)調(diào)操作訓(xùn)練和測(cè)試、面向復(fù)雜任務(wù)的人機(jī)協(xié)同操作策略制定和規(guī)劃能力檢驗(yàn)等。

4)月面有效載荷相關(guān)試驗(yàn)。 月球探測(cè)活動(dòng)涉及到各種有效載荷，包括技術(shù)驗(yàn)證載荷和科學(xué)探測(cè)載荷。 基于液磁混合懸浮法構(gòu)建的月面重力效應(yīng)模擬環(huán)境，可以為有效載荷功能設(shè)計(jì)的合理性提供測(cè)試和試驗(yàn)環(huán)境，例如載荷自身機(jī)構(gòu)功能、搭載平臺(tái)功能、多個(gè)載荷之間的配合、搭載平臺(tái)對(duì)有效載荷功能性能的影響、月面地貌狀態(tài)對(duì)載荷功能性能的影響等。 同時(shí)，可為有效載荷任務(wù)設(shè)計(jì)合理性與工作程序優(yōu)化設(shè)計(jì)提供地面測(cè)試環(huán)境，包括月面地貌狀態(tài)設(shè)定、任務(wù)階段劃分、工作模式設(shè)計(jì)、工作程序優(yōu)化等。

5 結(jié)論

為滿足月面操作地面等效試驗(yàn)的要求，需要建設(shè)月面重力環(huán)境的等效模擬設(shè)施。 縱觀傳統(tǒng)空間微重力環(huán)境/效應(yīng)模擬方法，從原理上只有懸吊法和液浮法適合擴(kuò)展到月面重力環(huán)境效應(yīng)模擬。懸吊法已有較多應(yīng)用，然而針對(duì)人/機(jī)器人月面大范圍空間內(nèi)的復(fù)雜操作活動(dòng)地面試驗(yàn)，仍面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。 液浮法存在模擬精度低、配平過(guò)程復(fù)雜等不足，目前甚少見(jiàn)其在星體表面重力模擬試驗(yàn)中的應(yīng)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(zhǎng)時(shí)間、可同步的優(yōu)勢(shì)，而且可控電磁力的引入增加了高逼真、高精度、可調(diào)控的特點(diǎn)，為此，針對(duì)人/機(jī)器人月面大范圍空間內(nèi)的復(fù)雜操作活動(dòng)地面試驗(yàn)，建議基于液磁混合懸浮法進(jìn)行月面重力環(huán)境效應(yīng)的模擬，并建設(shè)相關(guān)試驗(yàn)設(shè)施，以期為機(jī)器人月面操作活動(dòng)地面測(cè)試和試驗(yàn)、航天員月面操作訓(xùn)練、人/機(jī)協(xié)同操作訓(xùn)練、月球探測(cè)活動(dòng)和月球基地建設(shè)等提供新型等效地面試驗(yàn)方法和試驗(yàn)平臺(tái)。