科学研究

研究方向

空间机构测试研究室聚焦于星球附着与采样、超声波驱动控制、负载模拟与测试三大核心研究方向，致力于推动空间结构与机构技术的创新和应用。研究室秉持“工程养学术，学术促工程”的理念，紧密结合科学研究与工程实践，以实际需求驱动技术突破，以学术成果提升工程能力。在研究体系中，研究生的主要精力集中于科学研究，围绕工程实践中的关键技术问题展开深入分析，并凝练创新性学术成果，为领域发展奠定理论基础。与此同时，工程师专注于机电系统的设计、集成与工程实施，确保项目进度稳步推进，保障工程质量。两支团队作为研究室的核心力量，相互支撑、协同创新、共同成长。研究生的学术探索为工程实践提供理论支持，而工程师的技术实现则推动科研成果的落地转化。正是这种紧密结合的模式，使研究室在空间机构测试领域不断取得突破，为航天工程的发展贡献坚实力量。

• 星球附着与采样

深空探测是指脱离地球引力场，对地球以外天体开展的空间探测活动。我国的深空探测任务主要涵盖嫦娥计划和天问系列，其中，嫦娥计划专注于月球探测，而天问系列则面向更广泛的行星探测任务。空间机构测试研究室紧密围绕嫦娥计划和天问系列的重大任务背景，开展星球附着与采样机构的基础理论研究与工程化应用探索。研究室致力于突破深空探测中月球、火星、小行星及木星系探测的关键技术瓶颈，为深空探测任务的顺利实施提供坚实的技术支撑。

星球附着可分为移动式附着和固定式附着，不同的天体环境决定了附着方式的选择和设计。移动式附着：在月球探测任务中，月球车需在1/6g重力环境下运行，月壤地形松软且崎岖不平。因此，需要设计合理的车轮构型，并优化车轮滑转率，以确保月球车具备可靠的前进驱动性能，避免陷入或打滑。在木卫四探测任务中，机器人需在1/8g重力环境下工作。考虑到木卫四可能存在冰壳覆盖的复杂地形，机器人需采用高效的移动机构，确保在不跳跃、不翻滚的前提下实现稳定移动，以完成探测任务。固定式附着：在小行星探测任务中，由于小行星表面引力极低（<0.028g），传统的移动方式难以适用，机器人若未固定，极易因微小外力弹离星表。因此，探测器需要采用固定式附着技术，以建立机器人与小行星表面之间的可靠机械连接，为后续采样作业提供稳固的操作平台。星球采样是深空探测的重要环节，指利用钻、铲、挖、捡等采样机构获取月球、火星、小行星的表层或次表层样品，并对样品进行封装与处理，以支持科学研究与资源分析。

我国的探月工程分为四步走：绕、落、回、勘，逐步推进对月球的深入探测与科学研究。嫦娥一号和嫦娥二号探测器绕月飞行，在月球轨道上对月球进行全球勘察，获取全月图，为后续探测任务奠定基础。嫦娥三号实现我国首次月球软着陆，着陆器携带玉兔号月球车成功降落，并开展月面巡视探测。嫦娥五号探测器实现月球表面的软着陆，并执行钻取采样和机械臂表取采样任务，成功携带月壤样品返回地球，为人类提供珍贵的月球物质样本。嫦娥四号作为人类首次探测月球背面的任务，成功将玉兔二号月球车送入月球背面并进行巡视探测，填补了全球深空探测的空白；嫦娥六号进一步拓展采样能力，首次实现月球背面采样返回，探索月球背面物质成分，为月球演化提供新证据；嫦娥七号针对月球南极这一科学关注的热点区域，开展综合探测，重点关注月球南极可能存在的水冰资源；嫦娥八号不仅进行月面科学探测试验和技术试验验证，还将构建月球科研基地，为未来载人登月与月球长期探测铺路。

我国行星探测任务以“天问系列”命名，旨在探索火星、小行星、木星等深空目标。天问一号（火星一期探测）：我国首次独立开展火星探测，实现了探测器在火星的环绕与着陆。祝融号火星车成功软着陆火星表面，并开展巡视探测，获取火星地质、气候和环境数据。天问二号（小天体探测）：任务目标是对近地小行星进行探测，探测器将在小行星表面附着与采样，并将样品返回地球。采样任务完成后，探测器将继续飞行，前往探测一颗主带彗星，执行深空飞行中的多目标探测任务。天问三号（火星二期探测）：计划火星表面软着陆，并实施火壤采样任务，将火星表面物质带回地球，进一步解析火星的演化历史与可能的生命痕迹。天问四号（木星系探测）：探测器将对木星及其卫星进行环绕探测，获取木星的磁场、大气、引力等关键数据。任务还包括在木星的一颗卫星上软着陆，开展原位科学探测，探索木星卫星可能存在的海洋和生命迹象。

1）月面移动探测（2005~2007）：在嫦娥三号和嫦娥四号月球车的漫游巡视探测任务中，为提升玉兔号月球车在松软崎岖的月球表面上的附着能力，研究团队针对车轮构型设计与试验测试开展了深入研究。在月球车车轮运动特性分析方面，基于车轮地面力学理论，建立了车轮在松软月壤上的滚动力学模型与转向力学模型，系统研究了挂钩牵引力、驱动转矩随车轮垂直载荷、沉陷量、滑转率变化的规律[1]。针对月球车轮的测试需求，成功研制了国内首台月球车车轮运动特性测试平台[2]，该平台具备垂直载荷模拟、滑转率模拟、前进速度模拟、转向速度模拟等多项功能，可对车轮的滚动特性和转向特性进行精确量化。在测试过程中，研究团队对不同尺寸、构型、材质的车轮进行了系统性实验，最终确定采用筛网轮构型，即网状材质并搭配适量棘爪，车轮直径300 mm，宽度150 mm，单轮重量735 g。航天八院利用该测试平台对玉兔号月球车的车轮产品进行了严格的试验验证。以下引自人民网的报道：筛网轮在地面车辆上并没有应用过，遭到国内轮载专家质疑[3]。上海航天八院805所设计师肖杰说，“我们决定凭试验数据说话，联系了国内专门研究车轮工程的单位，测试了筛网轮的挂钩牵引力、适应性、承载力等，彻底打消了专家的疑虑。”这一创新性的车轮设计方案为玉兔号月球车的顺利运行提供了有力保障，也为未来月球车的轮式设计提供了宝贵的技术经验。

2）月面钻取采样（2010~2024）：在嫦娥五号任务中，探测器采用钻取采样方式获取月球次表层样品，并要求保持月壤的原位剖面层序信息，以支持对月球地质演化的深入研究。设计了具备月壤剖面层序保持功能的“双管单袋”无滑差取芯钻具[4]，确保样品在钻取过程中不会发生扰动，完整保留地质层序信息。研制了钻取采样综合性能测试平台[5]，系统验证了软袋取芯方案的有效性，并对钻具的取样性能进行了充分评估。满足质量、能量等严苛约束条件的前提下，经过多方案对比，提出了平行轴式回转冲击钻进机构方案，并确定了钻进驱动参数的包络范围，确保钻进作业的稳定性和高效性。研制了多段式弹性封口器，并开发了封口器高低温刚度测试设备，确保钻取采样机构能够在极端的月面环境下可靠封口。针对非确知月壤这一复杂钻进对象，提出了融合状态监测变量的可钻性在线辨识钻进控制方法，实现了智能化适应性钻进，提高了钻取效率和成功率。2020年，嫦娥五号完成我国首次月球无人采样探测，成功获取钻取样品260 g，为月球科学研究提供了珍贵的实物样本。2024年，嫦娥六号在月球背面完成突破性任务，成功采集钻取样品320 g，进一步拓展了人类对月球背面物质组成与演化过程的认知。

3）火星飞行采样（2016~2028）：月球表面处于高真空环境，不存在大气，传统的旋翼式飞行器无法在月球上运行。然而，与月球不同，火星表面存在稀薄大气（其中95%为二氧化碳），为旋翼式飞行器的飞行提供了必要的空气动力学条件。2021年4月19日，美国NASA的机智号（Ingenuity）火星飞行器成功实现人类历史上首次在地外天体的受控飞行，标志着深空飞行探测技术的重要突破。这一成就不仅具有深远的历史意义，也为未来火星探测任务提供了新的技术路径。面向天问三号火星采样返回工程，研究团队开展了旋翼式火星飞行器的飞行采样探测研究。相比于传统火星车，火星飞行器具备显著的探测优势：飞行速度快，科学探测效率高，能够快速覆盖更大范围的火星地表区域；可飞越复杂地形（如陡峭崖壁、陨石坑等），执行定点悬停探测，弥补火星车在崎岖地形中的行动局限；可自主生成高精度火星局部地图，其分辨率远优于轨道器拍摄的卫星影像；为火星车提供精细的路径规划，提高地面探测任务的执行效率。尽管旋翼式火星飞行器展现出巨大潜力，但其研制面临一系列严峻挑战：火星大气密度仅为地球平均大气密度的1%，旋翼难以产生足够的升力，导致飞行器的悬停和机动性能受限；火星表面温度范围极端，约为-130°C 至 30°C，低温对电池、电机、传感器的正常运行构成严重挑战，尤其在夜间极寒条件下，电子设备的存活能力受限；由于火星探测任务对运载质量极其严格，飞行器必须采用轻量化、高集成化设计，在保证结构强度和动力系统可靠性的同时，尽可能降低重量；火星与地球之间的通信时延长达数分钟，无法依赖地面实时操控，飞行器必须具备完全自主导航能力；火星表面无GPS信号支持，飞行器需要在GPS拒止环境下，通过视觉导航、惯性测量和地形匹配等技术实现高精度定位。针对火星稀薄大气下低雷诺数、高马赫数桨叶工作条件，开展了旋翼构型优化设计，提高了桨叶的升阻比与气动效率，优化出适用于火星环境的旋翼桨叶翼型、平面形状和扭转角分布；构建了大气成分和压力连续可控的火星大气环境模拟器，研制“火星飞鸟”系列原理样机[6]，为我国火星二期采样返回工程提供飞行探测关键技术。

4）小行星附着采样（2017~2025）：小行星被称为太阳系的“活化石”，较为完整地保留了太阳系早期形成和演化的历史。我国的天问二号任务将突破传统探测模式，计划在直径40~100米的近地小行星2016 HO3上实现附着与采样返回，这一目标远超国际现有的小行星探测任务。国际上共开展了17次小行星探测任务，13次为飞掠，4次为接触采样；日本的隼鸟号、隼鸟2号、美国的欧西里斯号均采用“一触即走”的探测方案，探测器与小行星表面仅短暂接触，并未在小行星表面建立长时可靠的附着关系。我国的天问二号既要附着，又要采样，提出了更高的探测要求。主要开展的研究工作包括以下：在附着采样方面，提出机械臂关节缓冲软着陆、超声波钻进附着采样方案，形成了低钻压、低功耗的超声波交叉钻进锚固技术[7][8]，作为实施方案支撑小行星探测工程的国家立项；在小行星锚固方面，提出爪刺式小行星附着固定方案[9]，利用爪刺与星表介质之间的嵌合，完成探测器在弱引力天体上的的附着固定，可有效防止探测器因微小扰动而偏离小行星表面，为后续采样作业提供稳固的作业平台；在小行星采样方面，提出了盘刀切削采样及气吹送样方案[10]，利用对称布置盘刀高速旋转和气体激励送样，实现弱引力条件下小行星表面样品切削和高效传送。

• 超声波驱动控制

超声工程学可分为功率超声和检测超声两大领域。功率超声一般工作在60 kHz以下，其功率容量为几十到几百千瓦，是利用超声波使物体和物性发生变化的功率应用。自2012年起，研究团队开辟超声波驱动控制研究方向，专注于新型功率超声作业装置的研发，探索超声波与介质的作用机理，并推动超声技术在多个领域的应用。研制了具有高频破碎功能的超声波钻探器，其具有体积小、功耗低、所需钻压力小、耐温范围宽（-200~500℃）、无需润滑等突出优点，比传统电磁电机驱动的钻探器更适用于微弱引力下行星表面的星壤作业任务[11]。研制了冲击式超声波钻、回转冲击式超声波钻，并开发了具有频率追踪的超声波发生器，为天问二号探测器的工程立项提供了关键技术支撑。面向汽车线束、动力电池、新能源等领域，研制了超声波线束焊接机、超声波点焊机、超声波封管机、超声波滚焊机。在地质分析与质谱检测领域，研究团队研制了超声波岩石样品粉碎器，相比传统的球磨机粉碎器，具有以下显著优势：粉碎效率高，可快速将岩石样品破碎至≤10 µm的微米级颗粒；颗粒均匀性好，确保质谱分析的精准度；减少研磨介质交叉污染，提高样品纯度，确保分析数据可靠性。这一设备可用于岩石样品在送入质谱仪分析前的制备工序，显著提升实验室样品处理的效率与质量。研究团队围绕超声波驱动控制技术，突破了多个关键领域的技术瓶颈，从深空探测到新能源制造，再到地质分析，推动了超声技术的创新发展。未来，随着超声工程学的进一步发展，这些技术将在更多工业、医疗、航天等领域释放更大的应用潜力。

• 负载模拟与测试

自2005年起，成功研制了国内首台月球车车轮运动特性测试平台，标志着负载模拟与测试研究方向的正式开启。星球附着与采样机构需在极端苛刻的太空环境中稳定运行，包括高真空、高低温及强辐照等条件。为确保机构在这些复杂环境下的高可靠性，需要研发专门的测试平台和测试系统，并在地面进行充分的试验验证。在长期从事负载模拟与测试系统研制的过程中，积累了对机电一体化系统设计的深刻理解，并总结出一套完整的“机电系统设计十五步法”。该方法实现了机械系统与电控系统的同步设计，使两者有机融合。同时，基于多年的研究经验，出版了专业教材《机电一体化系统设计》，为该领域的工程实践提供了系统化的理论指导。精密轴系的负载模拟与测试在机械系统中至关重要，直接影响轴系的传动品质。负载模拟通常分为主动负载模拟和被动负载模拟：被动负载模拟主要通过制动器进行回转加载，以模拟外部阻力；主动负载模拟则依靠电机进行主动加载，使系统能够模拟不同工况下的真实负载情况。在负载测试过程中，扭矩传感器是关键测试工具，能够对轴系传递的力矩进行精准量化。针对该领域的核心技术挑战，成功突破了超小量程扭矩测量传感技术，并研制出静态式与动态式扭矩传感器，填补了国内在该领域的技术空白。这一突破不仅提升了高精度负载测试能力，也在多个行业的工程实践中得到了广泛应用。下表列出了一些成功研制并在实际工程中获得良好应用的测试系统。

参考文献

1. 全齐全. “月球车车轮与土壤作用的力学特性测试系统的研制与实验,” 哈尔滨工业大学, 2007. CNKI
2. 陶建国, 邓宗全, 高海波, 胡明, 全齐全, 于卫真, “行星探测机器人车的车轮运动性能的多功能测试装置,” 专利号: ZL200610151147.6, 2009-02-04. CNKI
3. “筛网轮”为玉兔瘦身——人民网. 人民网
4. Qiquan Quan*, et al., “Recovery rate prediction in lunar regolith simulant drilling,” Acta Astronautica, vol. 133, pp. 121–127, 2017. doi
5. 邓宗全, 全齐全, 姜生元, 等, “用于星球深层采样的钻具钻进性能测试装置,” 专利号: ZL201110325903.3, 2013-11-06. CNKI
6. Kaijie Zhu, Qiquan Quan*, et al., “A Mars quadcopter capable of autonomous flight and sample collection: structure and avionics,” Acta Astronautica, vol. 214, pp. 712–721, 2023. doi
7. Tingzhang Wang†, Qiquan Quan*†, et al., “The progress of small celestial body anchoring robots,” Nature Astronomy, vol. 7, pp. 380–390, 2023. doi
8. Tongzhao Wang, Qiquan Quan*, et al., “An asteroid anchoring method based on cross-drilling geometric force closure of ultrasonic drill,” Acta Astronautica, 178, pp. 813–823, 2021. doi
9. 赵志军, 全齐全, 等, “一种星表固定用多指自适应柔性抓附机构及其抓附方法,” 专利号: ZL202110264666.8, 2022-12-06. CNKI
10. Xu Yang, Dewei Tang, Qiquan Quan*, et al., “Gas-driven asteroid regolith sampling device based on disk-shaped cutter,” Planetary and Space Science, vol. 214, 105448, 2022. doi
11. Qiquan Quan*, et al., “An ultrasonic drilling system for fast drilling speed with uncertain load,” IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 28, iss. 3, pp. 1477–1487, 2023. doi