空间微低重力模拟及测试技术介绍
为确保航天任务的圆满成功，在航天器发射前需要进行大量的地面试验。由于地面环境与太空环境迥异，这就需要在地面模拟出太空的环境来。例如利用真空罐模拟出太空真空和高低温环境、利用光照设备模拟出太空的光辐射环境等等。通常采用五种方式实现空间零重力环境的地面模拟：自由落体法、亚轨道抛物线飞行法、液浮法、气浮法和悬吊法。 想更深入了解可阅读本公司成员发表论文： [1]齐乃明,孙康,王耀兵等.航天器微低重力模拟及试验技术[J].宇航学报,2020,41(06):770-779. [2]齐乃明,张文辉,高九州等.空间微重力环境地面模拟试验方法综述[J].航天控制,2011,29(03):95-100.DOI:10.16804/j.cnki.issn1006-3242.2011.03.019.
航天器是针对太空环境设计的，众所周知，太空环境具有诸多的特殊性，例如大温差、高真空、强辐射等等。其中，在力学环境上，太空是一个失重环境，不太严格的讲，万有引力提供了飞行器做轨道运动所需的向心力。从外在现象上看，航天器犹如处于一个没有重力的环境，故此，也称作零重力环境。
然而，为确保航天任务的圆满成功，在航天器发射前需要进行大量的地面试验。由于地面环境与太空环境迥异，这就需要在地面模拟出太空的环境来。例如利用真空罐模拟出太空真空和高低温环境、利用光照设备模拟出太空的光辐射环境等等。那么，太空的力学环境是怎么在地面模拟的呢？
通常采用五种方式实现空间零重力环境的地面模拟：（1）自由落体法、（2）亚轨道抛物线飞行法、（3）液浮法、（4）气浮法和（5）悬吊法。
1、自由落体法
自由落体法也叫落塔法，通过在微重力塔中执行自由落体运动，从而能产生微重力试验环境的一种方法。如图，整个试验系统由内外两部分构成，内部主要是内层试验舱和外层隔离舱，外部主要为塔体和对下落舱的操作装置、释放机构、减速机构、提升机构及抽真空装置等。
目前美国、日本、德国等都建立了微重力塔，能够实现10-4~10-5g量级的微重力环境。美国的NASA研究中心建立了第一个落塔，能够实现10-4~10-5g量级的微重力环境。继美国之后，日本、欧洲和中国等相继研制成功了更先进、试验时间更长的落管、落塔。东京大学的渡边泰之和中村仁彦通过自由落体运动进行了微重力环境下的空间机器人目标捕获试验。
日本的JAMIC微重力模拟塔，该塔是建在一个高710m的竖井中，自由落体高度高达490m，是世界上第一个具备10s微重力环境时间的落塔，最大负载500kg，每天最多可以进行3次落塔微重力模拟试验。
1990年德国研制成功不莱梅落塔。德国的ROTEX空间机器人就是采用了这种方式进行的模拟实验。
1990年德国研制成功不莱梅落塔。德国的ROTEX空间机器人就是采用了这种方式进行的模拟实验
落塔法的优点是空间微重力环境的模拟精度较高，安全可靠、可重复利用，且可以进行三维空间的微重力试验。
缺点是不仅造价昂贵，且空间飞行器的尺寸受到限制，通用性差，更为关键的是单次微重力试验时间过短从而造成对于飞行器的各种设备的性能指标无法较好考核，因而影响了其应用。
2、亚轨道抛物线飞行法
亚轨道抛物飞行法是一种利用抛物线机动飞行来创造微重力和低重力环境的方法。通常采用飞机失重抛物线飞行或探空火箭抛物线飞行。
飞机失重抛物线飞行试验主要分为分如下4个阶段：（1）平飞加速开始，（2）跃升拉起，（3）失重抛物线轨迹飞行，（4）俯冲拉起后进入平飞，其中在阶段（3）进行微低重力试验。
探空火箭抛物线飞行试验的原理，它利用探空火箭的被动飞行段模拟失重环境进行微低重力试验。
目前美国、俄罗斯、法国等国都建造有不同类型的微重力飞机或火箭。抛物飞行法相比落塔法获得了更长的微重力时间，其创造的失重时间可达20～30s左右。
日本的可重构空间机器人使用的基于抛物线运动的试验装置，总共执行了4次试验，飞机飞行了45条抛物线轨迹。
2008年在NASA资助下，新墨西哥州立大学通过亚轨道飞行完成了机械臂抓捕目标过程中惯性参数辨识技术验证 (Inertial property Algorithm Verification, IPAV) 项目。
3、液浮法
液浮法就是利用液体的浮力来抵消空间飞行器重力，通过精确调整漂浮器的浮力，使目标物所受的向上的浮力与向下重力平衡，产生随机平衡的漂浮状态的一种方法。通常采用的液体介质为水，因此，该方法也叫水浮法。
宇航员多采用这种方法训练，但水的额阻力会影响宇航员或机器人的运动，因此这种方法不能完全真正模拟空间微重力环境。
目前各个空间大国都有自己的水浮试验系统，其中较具代表性的为马里兰大学研制的Ranger试验系统，Padova大学的CISAS中心研制的水下机器人试验系统，中国科学院智能机械研究所、哈尔滨工业大学也参与研制了水浮式的微重力模拟系统。
水浮法的优点为：可以实现三维空间的微重力试验，且试验时间不受限制。其缺点为：水的阻力和紊流的影响, 会改变空间机器人的动力学特性，影响了模拟精度，空间机器人原型样机很难直接在水浮系统上进行测试，必须进行专门防水处理以免受到水下环境的影响，而且维护成本非常高，同时要求试验期间的密封性非常好。
4、气浮法
气浮法主要通过气悬浮的方法在光滑平台上通过气模支撑力将待试验产品平托起来，即气模支撑力与重力抵消来实现微重力模拟的一种方法，也是目前应用最广的方法之一。
气悬浮法主要是通过平面止推气浮轴承，将由气泵经配气箱分压后的气体，经平面止推气浮轴承喷出，利用气体压力，由气膜浮起试验目标飞行器，并通过改变节流孔的润滑气体压力，始终抵消自重和负载力的作用，使平面止推轴处在悬浮的状态，这时的摩擦力和粘附力几乎为零。所以轴及轴上的负载在轴向转动完全自由，使受试员可以在整个光滑平台上自由移动，气浮阻力能达到0.2N之内，精度很高。
采用气浮式实验系统的有加拿大SRMS和SSRMS地面实验系统、日本JEMRMS地面实验系统、美国Stanford大学建造的双臂自由飞行空间机器人系统、欧空局ERA（The European Robotic Arm）气浮试验系统等。国内，西北工业大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等高校及航天五院八院等都建立了平面气浮台的地面试验系统。哈尔滨擎天智能科技有限责任公司团队为航天集团空间研究院研制的多套飞行器地面模拟系统，采用的均是气浮方法。
气浮式实验系统最大的优点是重力补偿比较彻底、建造周期短、费用低、易于实现等，同时技术成熟，且维护方便，可靠性、安全性及鲁棒性高，适应能力强，试验时间不受限制，可重复使用。
但是，其目前主要只能实现平面的微重力实验(二维的平动和一维的转动)和球面的三轴姿态控制实验。
5、悬吊法
悬吊法通过绳索机构及滑轮组等将绳索与产品相连，利用绳索张力来抵消产品自身的重力，从而模拟失重环境。装置由吊丝、滑轮、导轨、桁架等组合而成。根据张力的提供方式，又可分为被动悬吊法和主动悬吊法，被动悬吊法利用配重提供张力，主动悬吊法通过做动器（一般采用电机，也可采用气动弹簧等）提供张力。
被动悬吊法张力恒定，实现简单，可靠性高，但引进的摩擦力等无法抵消，同时存在附加质量惯量等问题，当产品在铅垂方向存在加减速时，会引入附加的惯性力。
主动悬吊法由于采用了伺服式的张力控制，恒力输出的控制精度高，且可以有效的补偿摩擦力等干扰，无附加质量惯量，但系统复杂，为了保证产品的安全，需要严格的可靠性设计，甚至对一些关键环节进行冗余设计。主动式补偿的微重力模拟精度一般95%；被动式补偿也能达到90%以上，且吊丝越长，偏角越小，其模拟精度就越高。
当产品在水平面内存在运动时，为了保证悬吊绳索的铅垂，需要对吊点位置进行跟踪。根据吊点位置的跟踪方式，又可以分为主动位置跟踪和被动位置跟踪。
被动位置跟踪通过在绳索倾斜时绳索产生的侧向分力带动吊点随动，由于绳索倾斜产生的水平分力同时也施加在产品上，因此该分力应尽量小，这就要求吊点随动时的摩擦等阻力尽量小，所以被动吊点随动通常采用气浮导轨的方式实现。被动位置跟踪系统简单、可靠性高，但也存在附加质量惯量等问题，精度差。
主动位置跟踪采用位置跟踪误差检测加电机主动驱动的方式对吊点进行随动，通过位置跟踪偏差检测装置或系统对吊点的随动误差进行测量，然后通过电机带动传动装置对跟踪误差进行补偿，从而实现吊点的随动控制。主动吊点随动精度高，但系统复杂，需要严格的可靠性设计。
目前许多国家在微重力模拟试验方面均在使用此方法，哈尔滨擎天智能科技有限责任公司团队为空间研究院开发的月球车地面低重力试验系统（SLGS和LLGS）即采用主动悬吊加主动位置跟踪的月面重力环境模拟方法。
哈尔滨工业大学的空间机械臂舱上运动测试系统亦采用主动悬吊加主动位置跟踪的模拟方法实现零重力环境的模拟。
Carnegie Mellon大学研制的SM2空间机器人地面悬吊实验系统
哈尔滨擎天智能科技有限责任公司团队为航天科技集团空间技术研究院研制的伸展臂地面零重力试验系统采用了被动悬吊加被动跟踪加气浮支撑的复合方案。开展的采用这种方法的关键是消除振动和使悬挂系统结构简单。
总结
目前应用最广的是气浮法和悬吊法。其中，由于气浮技术的独特性，它不仅在零重力模拟上应用广泛，而且在高精度测量测试、自动化装配上也可以说大展神威。
这个是本公司(哈尔滨擎天智能科技有限责任公司)团队研制完成在轨操控的模拟验证系统，两个模拟器都采用气悬浮技术，完成了交会对接、在轨模块更换、推进剂补加等空间操控技术的测试，通过这套系统，我们协助航天八院805所完成了国内首次全流程的在轨服务地面试验。
本公司(哈尔滨擎天智能科技有限责任公司)团队研制的国内首次采用气浮技术实现重型装备的高精度柔性对接装配，它是利用气浮技术提供的微摩擦特点，减小对重型设备进行运动控制的驱动力，从而实现精确的和柔性的运动控制，图中左右两侧的两个大圆柱模拟的是重型装备的两个部段，要求将两个部段高精度对接在一起。
航天器上装有惯导、相机等一系列敏感器，这些敏感器的安装的位置和精度有着严格的要求。然而，安装总是有误差的，这些误差影响到航天器的控制和航天器的对地观测等应用。上图就是本公司(哈尔滨擎天智能科技有限责任公司)团队研制的星上敏感器高精度安装误差校准装置，使用它可以完成对敏感器安装误差的标校：每个敏感器的坐标系由一个立方镜代表，这个设备通过视觉辅助和准直光管准直测量敏感器三个正交面的法线方向，从而确定敏感器的空间坐标系。
想更深入了解空间微低重力模拟可阅读本公司成员发表论文：
[1]齐乃明,孙康,王耀兵等.航天器微低重力模拟及试验技术[J].宇航学报,2020,41(06):770-779.
[2]齐乃明,张文辉,高九州等.空间微重力环境地面模拟试验方法综述[J].航天控制,2011,29(03):95-100.DOI:10.16804/j.cnki.issn1006-3242.2011.03.019.
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