航天器操作的微重力环境构建

　　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。

　　《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。

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