如何在地面模拟失重环境？

太空环境与地面环境之间存在较大的差异。在太空中，空气阻力消失，物体失重。在这种情况下，太空中的物体就会失去束缚，悬浮于空中，航天员在太空课堂中展示的陀螺就是如此。如此复杂的太空环境，该如何确保卫星发射入轨后能够适应呢？答案当然是地面试验啦。卫星发射前，需要在地面开展一系列试验，确保它们在太空旅行时能平安无事。

那么，如何在地面模拟太空失重环境？如何实测失重环境下的航天器动力学特性，避免数学模型可能存在的问题？今天沪小星就给大家讲讲航天器全物理仿真技术。

如何在地面模拟微重力、低摩擦环境

早期，航天员会利用高性能的失重飞机，让飞机在空中做连续的抛物线飞行，以反复产生失重环境。但可惜的是，由失重飞机打造的失重环境仅能维持数十秒，过短的时间使得各类耗时较长又复杂的训练无法顺利开展。

▲ 失重飞机

不过，水浮法的出现解决了失重空间维持时间过短的问题。航天员会进入浮力水槽中，在水中悬浮的状态下进行复杂的出舱活动和维修技能的训练。尽管水浮法解决了时间问题，但水中的阻力过大，离目标环境仍有差距。

▲ 浮力水槽

相较于失重飞机和水浮法，气浮法是效果更为出色的选择。强大的风力可将物体吹浮起来，物体无需借助任何器具，便能轻松离开地表，自由悬浮于空中。风洞类的游乐表演设施是气浮法的常见应用，在这些设施中人们能够体验在空中飘忽飞行的快乐。

▲ 风洞表演

与风洞相似，航天器全物理试验同样借助了气浮法。为增强气流均匀性，提高重力卸载精度，航天器全物理试验一般通过气浮轴承喷射气体。气体压力可在气浮轴承表面形成一层薄薄的气膜，这层气膜就像一双无形的手，它轻轻托起物体，在支撑目标物体的同时，能够达到抵消其自身重力的效果。目标物体悬浮在空中，气体摩擦力与粘附力几乎为零，平面气浮轴承在水平面内运动几乎不受阻力，自由运动。

▲ 平面气浮轴承喷气

▲ 平面气浮轴承在水平面自由运动

平面气浮轴承运动的整体效果同冰壶运动相似，但气浮轴承与接触面的摩擦要小得多。如果将比赛中的冰壶替换为气浮轴承，后者估计会在滑行几百米后才能停下。

▲ 冰壶运动

虽然平面气浮轴承在水平方向可几乎不受阻力自由运动，但卫星在太空中任意方向的转动也是完全自由的，这与卫星的任务息息相关。因此，在开展地面试验时，我们更需要塑造一个自由转动的环境。在这一需求的驱动下，气浮球轴承应运而生。

与平面气浮轴承不同的是，气浮球轴承由相互精度配合极高的气浮球与球轴承组成。与之相似的是，气浮球轴承喷出的气体同样会在球轴承表面形成气膜以保证球体能够在其球窝中自由转动。

轴承喷气

为扩展气浮效果，可在气浮球上部安装承载仪表平台，为参试单机提供接口，并模拟转动惯量。由此，便组成了为简单的三轴气浮台，如下图所示。

如何基于三轴气浮台进行全物理仿真试验

受到气膜约束，气浮台仅能绕球心转动。当系统质心O与气浮台的回转中心O’（球心）有偏差时，将产生重力矩干扰，如下图所示。因此，为了构建极高精度的重力平衡环境，首先需要对台体进行质量配平。当系统质心O与气浮台的回转中心O’（球心）重合时，无论气浮台转到什么角度，都不会影响其平衡。

▲ 气浮台台体配平示意图（左 未配平 | 右 已配平）

需要注意的是，由于气浮台对内外部的扰动极其敏感，因此试验过程中需要关闭空调且台上设备也不能自带风扇等部件，防止气流干扰。另外，台上台下通讯也需通过无线网络，避免电缆运动产生干扰力矩。

三轴气浮台全物理仿真试验系统实现了对卫星动力学特性的精确模拟，在此基础上进行卫星的姿态控制过程，可用于各种复杂算法的考核与验证。同时，可为载荷真实工作环境提供模拟，进行载荷在轨成像效果评估。