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内容简介

　　《航天器操作的微重力环境构建》首先介绍了失重飞机实验、落塔实验、吊丝系统、气浮台实验、中性浮力实验等目前正在应用的方法；然后介绍了液体浮力/电磁力混合悬浮系统、空间操作地面实验的相似性理论研究、基于键合图理论的地面实验相似程度分析、混合悬浮实验测试方法、Cyber空间辅助的模拟实验方法等本团队研究成果；此外，还在实验室搭建了混合悬浮原理性实验系统，取得了可信的数据和实验结果。
　　《航天器操作的微重力环境构建》可供航天领域和其他微重力环境相关专业的科研人员和技术工作者阅读，也适合相关院校的高年级学生和研究生参考。

作者简介

　　朱战霞，女，西北工业大学教授，博士生指导教师。1995年7月本科毕业于西北工业大学航天工程学院飞行力学专业，1998年3月获西北工业大学飞行器设计专业硕士学位，2002年4月获同专业工学博士学位。多年来一直潜心于航天器轨道力学、飞行器动力学、空间操作地面实验方法与技术等方面的教学与研究工作。近年来，主持了包括国家自然科学基金、国家高技术研究计划、预研基金等多项科研项目。在国内重要学术刊物及国际学术会议上发表论文30余篇,其中被SCI、EI、ISTP等重要文摘收录10余篇。特别是在航天器操作及其地面实验方面，进行了系统研究，参加了多项与地面实验相关的国家级研究项目，取得了可喜的研究成果；在地面实验技术方面的研究成果已申请了相关发明专利9项（正在审批之中）。
　　
　　袁建平，男，西北工业大学教授，博士生指导教师。1981年获西北工业大学一般力学专业硕士学位，1985年获西北工业大学飞行器动力与控制专业博士学位，是中国首批飞行器设计专业的博士学位获得者之一。1988至1991年作为洪堡学者在德国研学，回国后，一直潜心于飞行器动力学、航天器轨道机动理论、空间操作与地面实验技术等研究。近年来在国内外重要刊物及国际学术会议上发表论文130余篇，其中被SCI、EI、ISTP等重要文摘收录50余篇。研究成果获得12项省部级科技进步奖，其中一等奖2项，二等奖5项，三等奖5项。已出版专著5本，其中两本分别获第一届和第三届国防科技工业优秀图书奖。

内页插图

目录

第1章 绪论
1.1 空间操作与地面实验
1.2 空间环境对航天器的影响
1.2.1 空间环境的范围
1.2.2 空间环境对航天器本体性能的影响
1.2.3 空间环境对航天器运动特性的影响
1.3 微重力实验的意义
1.3.1 微重力实验对科学研究的重要意义
1.3.2 微重力实验对载人航天的重要意义
1.3.3 微重力实验对新型航天器研制的意义
1.3.4 微重力实验对空间操作的意义
1.4 微重力环境模拟和构建的方法与种类
1.4.1 地面微重力环境构建的范围
1.4.2 地面微重力实验需要解决的基本问题
1.5 本书主要内容
参考文献

第2章 失重飞机实验
2.1 实验简介及国内外现状
2.1.1 失重飞机的原理
2.1.2 失重飞机的优缺点
2.1.3 国内外发展
2.2 系统结构和实验方法
2.2.1 系统构成
2.2.2 实验项目实施方法
2.3 失重飞机实验案例分析
2.3.1 案例一：不同重力水平、重心以及重量对人体运动生物力学的影响
2.3.2 案例二：骨细胞对变重力水平的响应研究
2.4 结束语
参考文献

第3章 落塔实验
3.1 落塔实验原理及国内外发展现状
3.1.1 实验原理
3.1.2 国内外现状
3.2 落塔系统结构和实验方法
3.2.1 落塔系统结构
3.2.2 实验方法
3.3 落塔实验案例分析
3.3.1 实验目的
3.3.2 实验模型和平台
3.3.3 实验内容
3.3.4 实验步骤
3.3.5 实验结果和数据处理
3.4 发展趋势
3.4.1 提高实验精度
3.4.2 实验方案创新
参考文献

第4章 吊丝系统
4.1 吊丝系统的原理及国内外发展现状
4.1.1 吊丝系统概念及原理
4.1.2 吊丝系统应用范围及优缺点分析
4.1.3 吊丝系统的国内外现状
4.2 吊丝系统结构和实验方法
4.2.1 吊丝系统的系统组成及构架
4.2.2 吊丝系统的实验方法
4.3 典型实验系统
4.3.1 SM2的吊丝实验系统
4.3.2 EMR的吊丝实验系统
4.4 结束语
参考文献

第5章 气浮台实验系统
5.1 气浮台物理仿真原理
5.1.1 单轴气浮台
5.1.2 三轴气浮台
5.1.3 三自由度气浮平台
5.1.4 五自由度气浮平台
5.2 气浮台物理仿真的国内外现状
5.2.1 单通道姿态控制物理仿真
5.2.2 三通道姿态控制物理仿真
5.2.3 编队飞行控制物理仿真
5.3 航天器相对运动物理仿真试验系统典型配置
5.3.1 航天器相对运动模拟器
5.3.2 相对运动测量系统
5.3.3 第三方位姿测量系统
5.4 典型试验情况
5.4.1 试验技术要求
5.4.2 气浮台上系统方案设计
5.4.3 地面测控系统技术方案设计
5.4.4 典型试验结果
5.5 结束语
参考文献

第6章 中性水池实验
6.1 原理、优缺点及国内外现状
6.1.1 中性浮力的概念和原理
6.1.2 中性浮力实验的优缺点
6.1.3 中性浮力实验的应用范围
6.1.4 中性浮力水池的国内外现状
6.2 系统结构和实验方法
6.2.1 中性浮力实验设施的组成和结构
6.2.2 中性浮力实验方法
6.3 典型中性浮力设施及实验案例
6.3.1 典型的中性浮力设施
6.3.2 典型的中性浮力实验案例
6.4 浮力控制技术
6.4.1 磁流体的制备及密度调节方法
6.4.2 磁性离子液体的合成及密度调节方法
6.4.3 改变溶液配比对液体密度的影响
6.4.4 液体介质浮力特性变化的控制技术
6.5 存在的问题
参考文献

第7章 混合悬浮系统
7.1 混合悬浮原理
7.1.1 混合悬浮的基本原理
7.1.2 混合悬浮非接触力源的选择
7.1.3 液磁混合悬浮的优缺点
7.2 液磁混合悬浮的微重力效应模拟系统构建
7.2.1 液浮系统组成
7.2.2 电磁系统组成
7.2.3 实验模型系统组成
7.2.4 测量系统组成
7.2.5 支持保障系统
7.3 混合悬浮系统实验方法
7.3.1 电磁力控制方法
7.3.2 阻力预估与减阻方法
7.4 混合悬浮系统设计及实验实例
7.4.1 混合悬浮微重力效应模拟系统设计
7.4.2 混合悬浮实验实例
参考文献

第8章 空间操作地面实验的相似性理论研究
8.1 相似性的基本概念
8.2 相似三定律及其发展历程
8.3 相似性与模型实验研究
8.4 相似准则的导出方法
8.5 Buckinghamπ定理
8.5.1 Buckinghamπ定理的表述
8.5.2 Buckinghamπ定理的证明
8.6 空间操作地面实验相似准则的建立
8.6.1 基于Buckinghamπ定理的相似准则
8.6.2 轨道动力学问题的相似准则
8.6.3 姿态动力学问题的相似准则
8.7 基于相似准则的地面实验规划与设计
8.7.1 近距离空间操作地面实验
8.7.2 环绕运动地面实验
8.8 混合悬浮实验环境影响相似程度的因素
8.8.1 环绕实验干扰因素分析
8.8.2 相对运动实验干扰因素分析
8.9 结束语
参考文献

第9章 基于键合图理论的地面实验相似程度分析
9.1 基于键合图理论的相似度量方法
9.1.1 近似相似程度的量化度量
9.1.2 状态变量的活性分析
9.1.3 度量函数的改善
9.1.4 相似性分析的流程
9.2 环绕实验干扰对相似度的影响分析
9.3 近距离操作实验干扰对相似度的影响分析
参考文献

第10章 混合悬浮实验测试方法
10.1 系统液体浮力特性测试方法
10.2 系统电磁力特性测试方法
10.2.1 力的基本测量原理
10.2.2 电磁力特性的测试方案
10.3 系统微重力水平测试方法
10.3.1 测试方法介绍
10.3.2 测试方案
10.4 面向空间操作地面实验的测试
10.4.1 测试方法分析与选择
10.4.2 IMU测量误差机理与补偿
10.4.3 绝对运动测量方案
10.4.4 相对运动测量方案
参考文献

第11章 Cyber空间辅助模拟实验方法
11.1 概述
11.1.1 Cyber空间与Cyber性
11.1.2 空间操作系统的Cyber性
11.1.3 Cyber与地面实验系统结合下的空间操作实验验证
11.2 空间操作地面实验与Cyber实验的结合
11.3 基于Cyber的空间操作地面实验系统总体框架
11.3.1 系统总体框架
11.3.2 系统层次结构
11.3.3 系统功能模块设计
11.4 基于Cyber空间操作的地面实验模型动力学建模
11.4.1 坐标系定义
11.4.2 单柔性体动力学方程
11.4.3 舱段邻接递推关系
11.4.4 实验体系统动力学方程
11.5 基于Cyber的空间操作地面实验系统动力学预测建模
11.5.1 动态贝叶斯网络推理模型
11.5.2 动态贝叶斯网络推理
11.6 系统中的时延分析
11.6.1 影响网络时延的因素
11.6.2 基于Cyber的空间操作地面实验系统时延分析
11.6.3 星地视频和指令数据传输模拟
11.6.4 星地视频和指令数据传输方式
11.6.5 影响星地通信时延的主要因素
11.6.6 星地通信时延模拟
11.7 Cyber环境建模技术研究
参考文献

前言/序言

　　由于航天器发射和运行的空间环境特点，决定了航天任务具有高风险、高成本的特征，因而，航天器及其元器件不能在空间进行多次重复试验。这样一来，地面的实验和验证就显得特别重要。
　　地面实验伴随着航天器的设计、制造和运行过程，是进行总体性能评价、关键参数确定、元器件测试、各种系统验证的必不可少的环节之一。随着空间操作技术的出现，地面实验更成为各种复杂空间操作活动可行性、可靠性、最优性等评价和验证的重要手段。而地面实验的置信度（亦即地面实验反映空间真实情况的接近程度）取决于地面实验条件和环境的构建。
　　对航天器的飞行、操作和运行来说，力学环境的影响是最主要的，它不仅影响诸如轨道、姿态等航天器总体特性，还会影响诸如太阳帆板、机械臂等活动部件的动态特性和操作过程，影响结构、机构、材料、电子器件等性能。由航天器与地球等星体的时空关系和运动特性形成的微重力环境构建，是航天器设计、制造、测试，特别是运行、操作过程验证与重现最为必要的地面设施。
　　地面微重力环境实验可以解决航天器设计、测试、操作等过程中诸多问题。在空间力学效应的地面模拟中可以实验轨道特征，如非线性状态的非开普勒轨道、多引力场作用轨道、强控制作用轨道、连续推力轨道、多模拼接轨道等；姿态特征，如强控制作用下的大姿态运动、姿态/轨道耦合运动、复合体运动、变构型运动、变质量体运动等；协同特征，如多体、柔/刚复合的航天器协同控制，多航天器的编队、绕飞、停靠等相对运动控制，中/远程交会式相对运动控制，近距离交会（加注、维修状态）式协调控制等；操作特征，如空间机器人（机械臂）操作过程模拟，表面力/体积力模拟，系统/子系统操作过程模拟，机械运动、表面运动、间隙运动、润滑效果的天/地差异性模拟等。
　　在地面构建或模拟空间微重力环境/效应并不是现在才开始的，但面向空间操作的微重力环境/效应构建是本研究团队近十年来研究的主要内容。本书首先综合介绍了已有的实验方法，包括失重飞机实验、落塔实验、吊丝系统、气浮台实验、中性浮力实验，它们目前正在大量应用之中。然后介绍了本团队研究的成果：液体浮力/电磁力混合悬浮系统、空间操作地面实验的相似性理论研究、基于键合图理论的地面实验相似程度分析、混合悬浮实验测试方法、Cyber空间辅助的模拟实验方法等。此外，我们还在实验室搭建了混合悬浮原理性实验系统，取得了可信的数据和实验结果。
　　第2章到第6章主要对现有的方法进行了介绍。其中第2章“失重飞机实验”由杨鹏飞、朱战霞和商澎完成，商澎曾带领研究生赴法国参加了失重飞机的飞行实验。第3章“落塔实验”由陈小前、黄奕勇、李京浩和李晓龙完成，他们曾在中科院空间中心的落塔上进行了在轨加注系统的实验。第4章“吊丝系统”由黄攀峰和孟中杰完成。第5章“气浮台实验系统”由黎康、牟小刚和朱志斌完成，他们都曾完成过类似实验。第6章“中性水池实验”由黄英和朱战霞完成，其中关于浮力控制部分反映了其最新研究成果。
　　第7章到第11章介绍了本团队的研究成果。其中由袁建平、朱战霞和明正峰完成的第7章“混合悬浮系统”介绍的系统克服了现有系统的不足，提出的新方法具有提供长时间、三维微重力模拟、大范围六自由度运动空间、悬浮高度任意调节的能力。第8章“空间操作地面实验的相似性理论研究”由袁建平、赵育善、朱战霞和何兆伟完成，该章与赵育善、何兆伟和朱战霞完成的第9章“基于键合图理论的地面实验相似程度分析”，系统地给出了地面微重力实验和实际空间运动之间的相似度分析方法。第10章“混合悬浮实验测试方法”由朱战霞和明正峰完成，主要介绍了悬浮系统整体性能测试方法和实验过程的参数测量方法。第11章“Cyber空间辅助模拟实验方法”由宁昕和朱战霞完成，他们将数字空间技术用于微重力实验，并将二者有机地结合起来。最后要说的是，第1章“绪论”由朱战霞和袁建平完成，其中朱战霞除参加本书其他章节的写作外，还负责全书的策划和统稿工作。
　　本书适合航天领域和其他与微重力环境相关专业的技术人员和科研工作者阅读，也适合相关院校的高年级学生和研究生参考。

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评分☆☆☆☆☆

真空和微重力环境是一种宝贵的资源。高真空或超高真空提供一种超洁净条件。微重力则提供一种重力影响很微弱的极端物理条件。如由重力引起的自然对流基本消除，扩散过程成为主要因素；流体中的浮力基本消失，不同液体密度引起的组分分离和沉浮现象消失，液体仅由表面张力约束；润湿和毛细现象加剧；流体静压消失。总之，由重力引起的不利因素几乎消除。利用这些非常理想的环境，可以开展微重力技术物理、微重力生物学和微重力生命科学的研究，进行加工工艺试验和生产制造，以及其它微重力应用的试验研究。

评分☆☆☆☆☆

真空和微重力环境是一种宝贵的资源。高真空或超高真空提供一种超洁净条件。微重力则提供一种重力影响很微弱的极端物理条件。如由重力引起的自然对流基本消除，扩散过程成为主要因素；流体中的浮力基本消失，不同液体密度引起的组分分离和沉浮现象消失，液体仅由表面张力约束；润湿和毛细现象加剧；流体静压消失。总之，由重力引起的不利因素几乎消除。利用这些非常理想的环境，可以开展微重力技术物理、微重力生物学和微重力生命科学的研究，进行加工工艺试验和生产制造，以及其它微重力应用的试验研究。

评分☆☆☆☆☆

在高真空和微重力环境中进行生命和生物科学实验，不会有有机物污染，发生混入或测定错误，细菌等实验用的微生物不会到处扩散，十分安全。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

在零重力或微重力条件下，可进行无容器冶炼，这不会有任何杂质混入，可以获得高品质的合金；可将不同比重的金属或非金属均匀地混合，获得新型合金材料；可以克服地面加工存在的组分过冷起伏和密度大等缺陷，生长出高质量、大直径的单晶体砷化镓等半导体材料；可以生产百分之百圆度的滚珠轴承等圆球工业产品，而在地面上，由于重力的影响，滚珠轴承等总不是真正的球形。

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真空和微重力环境是一种宝贵的资源。高真空或超高真空提供一种超洁净条件。微重力则提供一种重力影响很微弱的极端物理条件。如由重力引起的自然对流基本消除，扩散过程成为主要因素；流体中的浮力基本消失，不同液体密度引起的组分分离和沉浮现象消失，液体仅由表面张力约束；润湿和毛细现象加剧；流体静压消失。总之，由重力引起的不利因素几乎消除。利用这些非常理想的环境，可以开展微重力技术物理、微重力生物学和微重力生命科学的研究，进行加工工艺试验和生产制造，以及其它微重力应用的试验研究。

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