Journal of Space Science and Experiment >

2026 , Vol. 3 >Issue 1: 54 - 69

DOI: https://doi.org/10.19963/j.cnki.2097-4302.2026.01.007

Space Science

Research Status and Development of Space Suspension Technology

  • Zihao LI ,
  • Xudong NA ,
  • Bowen ZHEN ,
  • Yixuan TAO ,
  • Lingjie ZHOU
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  • School of Aerospace Science, National University of Defense Technology, Changsha 410000, China

Online published: 2026-04-10

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Abstract

With the vigorous development of single-stage orbital insertion, deep space exploration and other technologies, space experimental systems under microgravity conditions have become the research focus of various countries. Space levitation technology can achieve stable suspension of research objects, better simulating the microgravity environment in the space environment, and has gradually become the mainstream technology for ground space experiments. The currently more mature levitation methods include pneumatic levitation, electromagnetic levitation and ultrasonic levitation. A comprehensive summary of these three relatively mature levitation technologies has been made, the research status and levitation principles of the three levitation methods have been detailedly sorted out, and their applications in aerospace engineering have been analyzed in detail: The application scenarios of pneumatic levitation technology include ground testing and manufacturing of spacecraft-related equipment and in-orbit application of dynamic pressure motor devices; the application scenarios of electromagnetic levitation technology include multi-degree-of-freedom magnetic levitation ground test technology, space equipment vibration isolation, wide-speed-range aircraft power system optimization and satellite low-friction attitude and orbit control; ultrasonic levitation is widely used for fuel combustion monitoring in microgravity environments. Finally, some new space levitation technologies have been summarized, and the development direction of future space levitation technology has been proposed, providing certain references for the related research and application of space levitation technology in aerospace engineering.

Key words： space suspension technology; microgravity; pneumatic levitation; electromagnetic levitation; ultrasonic levitation

Cite this article

Zihao LI , Xudong NA , Bowen ZHEN , Yixuan TAO , Lingjie ZHOU . Research Status and Development of Space Suspension Technology[J]. Journal of Space Science and Experiment, 2026 , 3(1) : 54 -69 . DOI: 10.19963/j.cnki.2097-4302.2026.01.007

0 引 言

航天器在轨运行时，其内部处于微重力状态。对该环境下各种物理现象的探究，能够为相关科研探索提供良好的指导。然而，基于空间站开展的科学实验，周期长且成本高，限制了相关研究的效率。常见的微重力模拟方法，如落塔法、抛物飞行法，存在成本高、不稳定等问题。近年来，空间悬浮技术的蓬勃发展，为地面微重力环境的模拟提供了新方法。该技术可以提供长时、稳定的微重力环境，具备成本低、稳定性强等优势。
针对空间悬浮技术，目前的工作主要集中于对单个悬浮技术的介绍，以及航天领域单个方向的应用总结，缺乏从原理到多方向应用的全面总结。随着深空探测的逐步推进，微重力环境下的实验需求日渐增多。空间悬浮技术作为一种便捷、稳定的实验技术，系统梳理其工作原理和应用现状具有重要意义。此外，提出进一步优化悬浮效果的方法，可为后续空间悬浮技术的发展提供参考。

1 空间悬浮技术的研究现状

1783年，瑞士科学家伯努利提出的伯努利原理为气动悬浮奠定了理论基础，到20世纪中叶，气动悬浮技术开始应用于搬运重型装备，通过在物体下方形成稳定气垫来减小摩擦力[1]。到20世纪60年代，随着部分回流溶气气浮法[2]等方法的出现，气浮技术开始在污水以及精密仪器加工领域得到应用。进入21世纪，随着浅层气浮法[3]、超效浅层气浮法[4]等技术的出现，以及不断涌现的人工智能算法[5-7]，气浮技术开始向高精度方向发展，逐渐成为污水处理[8-9]、航空航天[10-15]等前沿研究方向的辅助实验手段，乃至卫星装备技术。如图1所示。
图 1 气动悬浮技术及其应用

Fig.1 Aerodynamic suspension technology and its applications

电磁悬浮现象的发现最早可追溯到1842年，英国物理学家恩休(Earnshaw)提出的6自由度磁悬浮概念，在随后近200年的发展研究历程中，磁悬浮从最初的理论走向了工程及商业实践。近年来，随着磁悬浮列车的出现，磁悬浮在交通领域进入快速发展阶段，并提出了诸多新型控制算法，包括电磁悬浮新型电磁系统[16]、自适应线性积分正位置反馈控制器[17]、干扰观测器[18-20]等。同时，一种真空管道磁悬浮系统[21-22]被提出，该技术有望进一步提升高铁的时速。电磁混合悬浮[23-24]技术也得到了一定的发展，该技术被认为是未来先进铁路系统的发展基础。
此外，基于磁悬浮技术的磁轴承由于其具备无摩擦、无磨损、无需润滑和密封、损耗少及寿命长[25]等优点，已经在航空航天、发电[26]等领域得到了广泛的应用。在1991年，美国国家航空航天局召开了首次磁悬浮技术在航天中的应用讨论会。张维煜等[25]梳理了磁轴承在航空航天领域的应用实例，总结如图2所示。
图 2 电磁悬浮技术的发展历程

Fig.2 The development history of electromagnetic levitation technology

文献[27-28]总结了声悬浮技术的发展历程与相关技术原理，并归纳了该技术的应用场景，如图3所示。此外，文献[27-28]还对各种悬浮技术进行了总结综述，指出了相关技术的优缺点，如表1所示。文献[29-32]对超声波场中的液滴动力学行为及相关控制技术进行了详细的探究，同时研究了超声波场中液滴的操控技术[33]。
图 3 声悬浮研究历程

Fig.3 The development history of sound levitation research

表 1 各种悬浮技术优缺点分析[27]

Table 1 Analysis of advantages and disadvantages of various suspension technologies[27]

技术优势局限性
超声波悬浮非接触、无电磁干扰、使用
多种物质		声强度要求高、悬浮
质量受限
电磁悬浮高速度、大承载、技术成熟依赖于持续供电、成本高昂
气动悬浮简单易实现、适合微颗粒稳定性差、能耗高
声悬浮技术可分为远场声悬浮和近场声悬浮(驻波声悬浮[34])两类[35]。远场声悬浮通过强驻波在空间中完成悬浮任务，可以较好地模拟零重力条件，因此在航天相关的试验研究中有较好的应用前景。近场声悬浮传输技术可以实现物体随行波的运动，这是一种经典的非接触式传输方式[36]，其在交通运输[37-38]、航空航天[35]、高纯度材料加工以及精密仪器加工[39]等领域有着较为广泛的应用。

2 气动悬浮

2.1 气动悬浮原理

气动悬浮主要包括负压式气动悬浮以及静压式气动悬浮[40]。其中，负压式气动悬浮以伯努利原理为基础，即气流越大、压强越小；气流越小、压强越大，图4为气动悬浮的原理。
图 4 静压气动悬浮装置[40]

Fig.4 Static pressure pneumatic levitation device[40]

针对静压气动悬浮，相关悬浮力可表示为：
$ F=\text{π}r_{b}^{2}{p}_{b}+\int\nolimits_{{r}_{b}}^{{r}_{a}}2\text{π}rp\text{d}r-\text{π}r_{a}^{2}{p}_{a} $
式中，p为与r有关的气膜分布函数，ra为气浮平台边缘半径，rb为压力腔半径，pb为压力腔内的气压，pa为环境大气压。
贺晨光[40]设计了一种基于气动悬浮-超声波非接触驱动的晶圆输送平台，并对静压式气动悬浮原理进行了详细的理论分析。Gong等[41]通过对气浮液滴探究发现，悬浮在气流场中的液体，在气动力与重力的作用下，通常呈椭圆形，其密度的计算表达式为：
$ \rho =\frac{3m}{4\text{π}r_{h}^{2}{\gamma }_{v}} $
式中，m为样品质量，γh、γv分别为水平、垂直半径。

2.2 气动悬浮应用

自公元前1296年古希腊人将气动悬浮技术应用于战车以来，人们对技术不断进行研究和发展[42]，使其得到了较为广泛的应用。该技术具有无摩擦、非接触的优势，能够满足对精度、洁净度和可靠性的要求[43]。这些优势使得气动悬浮技术在航空航天领域具有较大的应用潜力。

2.2.1 航天设备的地面测试

气流对航天器入轨前的主动飞行段以及再入飞行段的影响较大，开展飞行器气动特性的研究，对保证任务成功率意义重大。气动悬浮技术可用于研究飞行器在气流中的气动特性，通过气动悬浮平台(如风洞等)可以模拟飞行器结构在气动力作用下的振动和变形，研究其稳定性[44]。苑凯华等[45]在风洞中开展了气动热弹性、热颤振等方面的研究，并总结了在风洞中展开此类研究存在的难点；Jiang等[46]研究了开发风洞的关键技术(如热通量传感器、气动平衡和光学诊断技术等)，评估了高超声速风洞的性能。
航天器在轨飞行阶段处于微重力环境，在执行飞行任务前，需对微重力条件下设备的运行状态进行测试。气动悬浮技术可实现太空微重力条件的再现，Rybus等[47]总结了现有平面空气轴承微重力模拟器设计方案和相关参数，并验证了平面空气轴承试验台在模拟微重力条件方面成本低、干扰小的优越性，该研究采用的实验装置如图5所示。
图 5 ADAMUS实验室空气轴承试验台上允许物体垂直运动的平移台[47]

Fig.5 The translation stage on the air bearing test bench of the ADAMUS laboratory, which allows objects to move vertically[47]

针对多自由度卫星姿态控制及全物理场仿真需求，Huang等[48]设计了航天器在轨操作仿真试验台，从而构建3自由度微重力仿真环境，实现了高稳定姿态控制，该装置如图6所示。黄成等[49]设计了一种6自由度气浮台，并推导出描述两个气浮台模拟卫星交会对接运动的耦合6自由度动力学模型，为卫星交会对接的地面仿真提供了关键理论支撑。徐翎峰等[14]设计了一套地面气浮台仿真系统，包含配备8个微推力器的气浮卫星模拟器，能够实现实时姿轨协同控制，成功完成微纳卫星直线抵近、凝视绕飞及交会对接的地面仿真验证。
图 6 航天器在轨操作仿真试验台实物图[48]

Fig.6 Spacecraft on-orbit operations simulation testbed physical picture[48]

2.2.2 航天设备的地面制造

在进行航天器的地面装配时，由于部分设备跨距长、自由度多且整体刚度弱，同时对装配误差要求较高，使用气动悬浮技术搭建的气浮平台可在此过程中起到高精度微调的作用，能够实现分布式重力补偿和到位锁定，满足装配对误差的要求[50]，该装置如图7所示。利用气动悬浮技术，还能设计出高性能的飞行器组件。陆旭东等[51]设计了一种气浮弹簧变压器减振器，该技术可用于飞行器隔振领域；岳友飞等[52]设计了一种气浮轴承无摩擦气缸，该装置如图8所示，通过进一步优化提高了其承载力和动态稳定性，该设计在飞行器的推进领域有较高参考价值。
图 7 空间机械臂地面零重力装配及试验系统原理图[50]

Fig.7 Principle diagram of the ground zero-gravity assembly and test system for the space manipulator[50]

图 8 气浮轴承气膜示意图[52]

Fig.8 Schematic diagram of the gas film of the air-floating bearing[52]

2.2.3 动压马达及其在轨应用

动压马达的工作原理是利用转子高速旋转时带动周围气体，形成动压气膜，使转子与定子实现非接触支承，从而消除机械摩擦，实现长寿命、高精度、低振动的旋转运动。这种特性使其特别适用于需要长期在轨运行的航天器部件。
在航天器在轨应用方面，动压马达已成功应用于多种卫星的反作用轮和动量轮。欧空局研制的AirWheel反作用轮采用气体轴承技术，利用超声波泵供气形成气膜，且产生的噪声水平极低。此外，动压马达在长寿命卫星的飞轮系统中也有广泛应用，其非接触支承特性显著降低了机械磨损，延长了卫星在轨运行寿命。

3 电磁悬浮

3.1 电磁悬浮原理

在电场(磁场)中，当目标物体受到的电场力(磁场力)与重力平衡时，即可实现目标物体的稳定悬浮，如图9所示。
图 9 电悬浮和磁悬浮示意图

Fig.9 Schematic diagrams of electro-hydraulic levitation and magnetic levitation

电磁力的计算表达式为：
$ F=\frac{{B}^{2}S}{{\mu }_{0}} $
式中，B为磁场强度，S为磁极面积，μ0为空气磁导率。
电场力的计算表达式为：
$ F={q}E $
式中，q为目标物体的带电量，E为电场强度。
常见的磁悬浮系统根据悬浮结构不同，可分为电磁悬浮、电动悬浮及高温超导磁悬浮[53]。
刘文旭等[54]指出电磁悬浮系统主要由电磁铁与导磁材料两部分组成，利用导磁材料与电磁铁之间的吸引力实现悬浮，其工作原理为：当电磁铁不通电时，两者之间无力的作用；当电磁铁通电后，在电磁铁与导磁材料之间产生电磁吸力，如图10所示。李至勇等[55]对单磁铁电磁悬浮控制系统进行了详细的数学分析，通过动力学分析推导得出非线性数学模型，并在平衡点处进行泰勒展开，计算得到了系统的特征多项式。
图 10 电磁悬浮系统[54]

Fig.10 Electromagnetic suspension system[54]

电动磁悬浮是基于法拉第电磁感应定律实现悬浮的一种技术，该技术在磁悬浮列车上已经得到了广泛的应用。电动悬浮系统通常由超导磁体、轨道导体回路和悬浮控制器组成。悬浮控制器通过检测悬浮间隙的变化，实时调整超导磁体的磁场强度，以维持稳定的悬浮高度。
巫川等[56]的研究提出了一种永磁电动磁悬浮，通过推导得出其电磁力验证公式，并进行了3D仿真分析验证，该装置如图11所示。
图 11 悬浮系统的xOy截面图与yOz截面图[56]

Fig.11 xOy cross-sectional view and yOz cross-sectional view of the suspension system[56]

在相同的结构尺寸情况下，若要得到与磁悬浮一样大小的作用力，电悬浮需要极大的电场梯度，这个值通常达到甚至超过空气的击穿强度。因此，在宏观机械领域，电悬浮的应用较为少见。随着微机械技术的发展，构件尺寸的减小使电悬浮有了潜在的应用价值，并被视为一种克服微机械运动部件摩擦和磨损的有效方法[57]。

3.2 电磁悬浮应用

3.2.1 多自由度磁悬浮地面试验技术

多自由度磁悬浮地面试验技术是航天器姿态轨道控制算法验证、微重力环境模拟及在轨操作任务仿真的重要手段。该技术利用非接触磁悬浮原理，在地面精确复现太空中的低摩擦等运动场景，为各类空间任务的地面全物理仿真提供良好的试验平台。
在卫星姿态控制地面验证方面，Li等[58]针对洛伦兹力磁悬浮稳定平台建立了包含支持模块、磁浮模块及有效载荷模块的三体动力学模型，为磁悬浮卫星的地面验证提供了理论基础。大型可展开机构的地面重力卸载同样是航天器地面测试的重要环节，Li等[59]提出了一种磁-气浮混合悬浮系统，通过多目标优化方法实现了混合磁浮平台的结构设计，为复杂航天器部件的地面测试提供了有效支撑。

3.2.2 空间设备隔振

目前，具有探测功能的空间飞行器大多搭载电磁探测等系统，该系统如图12所示。由于探测目标的信号较微弱，探测系统须具备良好的隔振降噪性能，才能够完成精准探测[60]。由于电磁悬浮非接触性和高精度控制的特点，电磁悬浮隔振器能够有效隔离外界振动，确保测试设备的精度和可靠性[61]。为减小低频段振动和噪声的影响，Yu等[62]设计了一种新型菱形电磁悬浮结构，以实现低频振动隔离。该研究通过结合几何非线性和磁悬浮结构，扩展了准零刚度区域，提高了低频振动隔离和承载能力。Ye等[63]采用非接触式磁悬浮技术，将平台模块和载荷模块进行动静态隔离，并利用均匀磁场，特别关注载荷变化情况下的高精度控制，提升了电磁悬浮技术在微重力条件下的振动隔离性能，图13展示了系统磁模拟的仿真结果。基于电磁悬浮的隔振系统目前还处于理论研究阶段，电磁悬浮系统的稳定性、能量效率以及在复杂环境中的适应性仍需进一步研究[64]。
图 12 电磁悬浮隔振器实验室实验[60]

Fig.12 Laboratory experiment of electromagnetic levitation vibration isolator[60]

图 13 系统磁模拟[63]

Fig.13 System magnetic simulation[63]

3.2.3 宽速域飞行器动力系统优化

对于单极入轨的宽速域飞行器，动力系统的性能直接影响其飞行任务的成败。涡轮机组合动力循环发动机是一种行之有效的推进装置，通过模态转换，该发动机可以实现从航空到航天的全过程高效工作。
相较传统超声速飞行器的涡扇发动机，动力循环发动机能够解决宽速域飞行任务对推力的需求[65]，而美国HSP(HyperSpace Propulsion)公司目前正在研制一种高超声速混电超导冲压磁流体发动机，在原动力循环发动机的基础上改进了其涡轮部分，配置了电磁悬浮风扇等设备。如图14所示，该发动机可根据飞行需求将气流引导至冲压通道或涡轮核心机，以确保推力输出[66]。电磁悬浮技术在高超声速飞行器的姿态控制与稳定性方面具有重要作用。在飞行器的加速阶段，电磁悬浮系统可通过调整悬浮高度、悬浮刚度和磁体间距等参数，提高飞行器的稳定性，同时减小飞行器的姿态振荡幅度[67]。
图 14 高超声速混电超导冲压磁流体发动机示意图[66]

Fig.14 Schematic diagram of the hyper-sonic combined-cycle electric superconducting Ram magnetohydrodynamic engine[66]

3.2.4 卫星

卫星的工作过程中存在多种具备多自由度旋转和偏摆运动，如机械臂、全景摄影台等。此处的机械主轴结构存在磨损消耗大、结构复杂度高等缺点。电磁悬浮技术具备速度快、结构简单的特点，受到了国内外研究人员的关注。孙国荣[68]将电磁悬浮与球形关节技术相结合，研制出“磁悬浮球形关节”，如图15所示，使主轴能够悬浮转动，脱离与零件的接触。Zhang等[69]设计了一种飞轮系统，采用新型紧凑型磁悬浮轴承实现高效储能，减少飞轮运行中的摩擦损失。在卫星的姿态控制方面，Chen等[70]提出了一种金字塔构型的单框架磁悬浮控制力矩陀螺，实现对航天器姿态和微振动的双重控制；Tayebi等[71]研究了三自由度磁悬浮动量球对柔性卫星的姿态控制，探讨了磁悬浮轮在卫星姿态调整中的应用。
图 15 磁悬浮磁阻球型电机基本结构[68]

Fig.15 Basic structure of the magnetic levitation magnetoresistive spherical motor[68]

同时，卫星上的磁悬浮飞轮与控制力矩陀螺也是极其关键的部件。北京航空航天大学团队研制了系列化的磁悬浮飞轮和磁悬浮控制力矩陀螺，成功应用于我国的SJ-9号卫星，为我国新一代高分辨率对地观测、空间站等航天任务提供了重要技术保障。2021年发射的我国首颗太阳探测科学技术试验卫星进一步拓展了磁悬浮技术的在轨应用。该卫星在国际上首次采用“动静隔离非接触”总体设计，将载荷舱与平台舱物理隔离，利用大带宽超高精度磁浮作动器实现载荷舱的姿态控制，提升了载荷指向精度和稳定度。
电磁悬浮技术在航天领域潜力较大，利用其非接触等特性，在姿态控制与稳定、推进系统优化以及地面助推等方面均有相关应用，提出了较高效、具有创新意义的解决方案。

4 超声波悬浮

4.1 超声波悬浮原理

超声波悬浮技术可以分为超声波驻波悬浮及近场声悬浮，超声波驻波悬浮主要通过强驻波声场中的声辐射压力与悬浮物体的重力相平衡，从而实现物体的稳定悬浮；相比之下，近场声通过行波产生的声场实现悬浮与动态运输，其反射器为待悬浮物体且与振动体之间的距离不超过λ/2(λ为声波长)。两种悬浮方式的示意如图16所示。
图 16 驻波悬浮装置及近声场悬浮装置示意图[38]

Fig.16 Schematic diagram of the standing wave suspension device and the near-field suspension device[38]

4.1.1 驻波声场悬浮技术

两列传播方向相反的相干波在空间叠加，形成驻波场。物体在驻波场中受到的声辐射力与重力相平衡，从而达到悬浮的效果。文献[72，73]以颗粒小球为研究对象，对超声波悬浮原理进行了详细的数学建模，假设驻波声场为：
$ {P}_{\text{i}}={p}_{0}\sin kz{{\mathrm{e}}}^{-i\omega t} $
驻波场中的声辐射力可以表示为：
$ \left\langle P-{P}_{0}\right\rangle =\frac{\rho }{2{{c}}^{2}}\left\langle {\left(\frac{\partial \varPhi }{\partial t}\right)}^{2}\right\rangle -\frac{1}{2}\rho \left\langle {\left(\nabla \varPhi \right)}^{2}\right\rangle $
在平面行波中颗粒小球受到的声辐射力为：
$ {F}_{\text{z}}=\frac{11{\text π} }{18}\frac{{p}_{0}{}^{2}{k}^{4}{r}^{6}}{\rho {c}^{2}} $
在驻波场中颗粒小球受到的声辐射力为：
$ F=\frac{5}{6}\frac{{\text π} {p}_{0}{}^{2}}{\rho {\omega }^{2}}{\left(\frac{2{\text π} r}{\lambda }\right)}^{3}\sin (2kh) $
式中，ρ为声波传播介质的密度，ω为声波振动角频率，λ为声波波长，r为悬浮颗粒半径。
对比式(7)和式(8)可以发现，小球在驻波场中受到的声辐射力明显大于在行波场中的声辐射力。因此，通常选用驻波场实现小球的悬浮。
Gor’Kov[74]推导得到的声辐射力表示为：
$ F=\frac{1}{3}{\text π} {\rho }_{0}{\left| A\right| }^{2}{\left(\kappa {R}_{\text{s}}\right)}^{3}\text{sin}\left(2\kappa h\right)\left(\frac{5-2{\lambda }_{\rho }}{2+{\lambda }_{\rho }}-{\lambda }_{\rho }\frac{{c}^{2}}{{c}_{s}{}^{2}}\right) $
King[75]推导得到的声辐射力表示为：
$ F=\frac{1}{3}{\text π} \rho {\left| A\right| }^{2}{\left(\kappa {R}_{\text{s}}\right)}^{3}\text{sin}\left(2\kappa h\right)\left(\frac{5-2{\lambda }_{\rho }}{6+3{\lambda }_{\rho }}\right) $
式中，A为声波振幅。
当认定小球为刚性小球且不吸收超声波时，式(9)~式(10)可视为等效[33]。此外，张泽辉等[33]还证实，对于小球形物体而言，最大悬浮密度与体积无关，仅与小球的密度相关，可悬浮的最大密度为：
$ {\rho }_{0}=\frac{5{{p}}_{0}{}^{2}k}{8\rho g{c}^{2}} $
式中，p0为无声场时的环境压力。
金硕等[76]进一步探究了驻波声场谐振腔的相对运动(即“声学镊子”)，计算得到了小球的初始位置以及谐振腔向上、向下移动的最大速度。
超声波驻波场中不同性质颗粒所受的声辐射力存在差异，因此其运动状态也有所不同，这有利于混合物的分离提纯。Li等[77]给出了驻波场中流体粒子受到的声辐射力表达式：
$ F=-\left(\frac{{\text π} {p}_{a}{V}_{p}{\kappa }_{0}}{2\lambda }\right)\varPhi \left(\kappa ,\rho \right)\sin \left(2kx\right) $
$ \varPhi \left(\kappa ,\rho \right)=\frac{\left(5{\rho }_{{p}}-2{\rho }_{0}\right)}{\left(5{\rho }_{{p}}+{\rho }_{0}\right)}-\frac{{\kappa }_{p}}{{\kappa }_{0}} $
式中，pa为通道中声压峰值，Vp为颗粒体积，κp和κ0分别为颗粒和水的压缩率，ρp和ρ0分别为颗粒和水的密度，Φ为声对比因子。
由一组超声波换能器和反射器所产生的驻波场，其声辐射力较小、悬浮效果欠佳，难以实现大体积、高密度物体的悬浮。近年来，随着阵列技术的蓬勃发展，将多个换能器按照一定规律组合形成阵列以加强驻波场，成为热门课题。超声阵列一般有三种基础组成方式，分别是一维线性阵列、二维矩阵阵列[78]和凹球面阵列[79]。三种阵列方式的悬浮效果如表2所示。
表 2 三种超声波阵列排布方式对比

Table 2 Comparison of three ultrasonic array arrangement methods

阵列名称 阵列排布方式 阵列方式示意图 悬浮效果 最佳工作工况
一维线性阵列 换能器呈直线排布 — 控制悬浮物体在水平方向移动 悬浮、控制效果较差，
工程中使用较少
二维矩阵阵列 在x、y平面内呈矩形排列，需要按照需求给每个换能器
设置相应相位		 [82] 可以控制各换能器聚焦形成超声波束，还能实现其偏转 驱动频率20.6 kHz；
使用72个换能器；
阵元间距为2 mm[79]
凹球面阵列 换能器按照多个圆环形状在凹球面内表面均匀排列 [82] 悬浮能力强，通过控制每一个换能器的相位，可以传输与
移动目标		 驱动频率20.8 kHz；
使用72个换能器；
偏移角度为11°；
凹球面的半径为70 mm[79]
基于上述三种基础阵列方式，多种超声波阵列模式被提出，文献[80，81]均对三维空间中两对四个平面相控阵面进行了建模与探究，该阵列悬浮系统的构型与悬浮效果如图17所示。
图 17 阵列悬浮系统的构型与悬浮效果

Fig.17 Configuration and levitation effect of array levitation system

朱琳琳等[83]将凹球面阵列与二维平面阵列相结合，设计了一种平面-凹球面的双轴发射极的超声阵列，实现了悬浮颗粒的轴向与径向运动控制——现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA），如图18所示。胡炯炯[84]提出了一种蜂窝状六边形超声阵列，提高了运输效率和控制灵活性，如图19所示。
图 18 悬浮系统3D建模图[83](mm)

Fig.18 3D modeling diagram of the levitation system[83](mm)

图 19 六边形阵列悬浮光盘实验[84]

Fig.19 The hexagonal array suspended optical disc experiment conducted[84]

4.1.2 近声场悬浮技术

近声场悬浮系统可以实现物质的非接触运输，当待悬浮物在行波场中受到的声辐射力与重力抵消时，其悬浮效果良好且稳定。
文献对非接触式直线型超声压电作动器进行了详细的数值仿真与设计，其中兰杰文振子为作动器的关键装置，作动器构型示意图如图20所示。
图 20 平板式非接触直线型作动器[85]

Fig.20 Planar non-contact linear actuator[85]

Liu等[39]使用数值方法对近声场悬浮原理及气膜压力进行了研究，图21展示了近场声悬浮的原理。并给出了物体在近声场中所受到的悬浮力为：
图 21 近场声悬浮示意图[39]

Fig.21 Schematic diagram of near-field acoustic levitation[39]

$ {F}_{z}=\frac{{p}_{a}}{2\text{π}}\int\nolimits_{0}^{2\textit{π}}\int\nolimits_{0}^{2\text{π} }\int\nolimits_{0}^{1}\left({p}_{0}-1\right)R\text{d}\theta \text{d}R\text{d}T $
式中，pa为环境压力，p0为挤压模的压力。
Zhang等[86]进一步推导了一个周期内的平均悬浮力表达式为：
$ {F}_{T}=\frac{1}{2\text{π}}\int\nolimits_{0}^{2{\text π} }{F}_{z}\text{d}T $
但同时，近场声悬浮也存在一定的缺点，如悬浮高度较低[87]等问题。此外，除上述两种声悬浮方法外，还存在一些新的悬浮方法：Andrade等[88]对倒置近场声悬浮技术进行了研究，并实现了非接触式拾取和放置毫米级物体。

4.2 超声波悬浮应用

对于空天发动机中的能量释放，通常存在固体颗粒燃烧及液滴燃烧等过程。在研究燃料颗粒燃烧过程中，真实流场环境对其热学、光学等多方面现象产生影响，存在复杂的相互作用。微重力环境可以实现燃料颗粒的悬浮燃烧，消除了热传导，保证了单个颗粒燃烧特性测量的准确性[89]。因此，在微重力环境下研究燃料燃烧状态可提升观测效率和监测精度。
超声波悬浮技术无须改变燃料颗粒的物理性质，且悬浮较为稳定，在燃料颗粒悬浮领域得到了广泛的应用。孙运兰等[90]发明了一种固体推进剂悬浮燃烧的实验装置，能够实现燃料的悬浮输运。Pang等[91]利用超声波驻波悬浮和高速摄像机的实验方法研究了燃料液滴的蒸发行为，实验装置如图22所示，指出了温度和液滴直径的影响。
图 22 声悬浮燃液料滴蒸发的实验装置[91]

Fig.22 Experimental setup for evaporation of acoustic levitation fuel droplets[91]

5 结论与展望

本文总结了气动悬浮、声悬浮、电磁悬浮三种无容器技术的原理及其在航天工程中的应用，可以得出以下结论：
(1)空间悬浮技术是一种重要的航天微重力环境构建手段。基于空间悬浮技术，物体所受重力被平衡，微重力环境下的实验得以在地面复现，克服了太空真空环境实验成本高、效率低、周期长的缺点。
(2)空间悬浮技术是一种高效的制造辅助技术。悬浮物体所受到的摩擦力小、与各种催化剂等的接触面积大，这极大地提升了制造效率。
(3)空间悬浮技术是一种有效的飞行性能提升技术。对陀螺仪、风扇等关键部件进行悬浮处理，减小其受到的摩擦力，可以提升控制系统的灵敏性、延长仪器使用寿命。
(4)空间悬浮技术是一种便捷的实验控制手段。在发动机颗粒燃烧实验中，稳定悬浮燃烧的颗粒可以被长时间观测，提升了实验观测效果以及实验效率。
分析空间无容器技术在航空航天领域的研究现状，该技术未来的发展方向如下：
(1)新型悬浮技术的突破。例如，光悬浮稳定性好、可操控性强[92]，在燃料颗粒粉末的微重力悬浮领域有着较为光明的应用前景。
(2)多种悬浮技术的混合使用。每种悬浮都有其优缺点，混合悬浮可以“取长补短”，提升悬浮稳定性，拓展悬浮应用场景。例如，流动-声学悬浮可以实现稳定悬浮及运输一体化任务，声学-光学悬浮可以实现悬浮、点火等步骤的同步进行。

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