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內容簡介

　　《航天器操作的微重力環境構建》首先介紹瞭失重飛機實驗、落塔實驗、吊絲係統、氣浮颱實驗、中性浮力實驗等目前正在應用的方法；然後介紹瞭液體浮力/電磁力混閤懸浮係統、空間操作地麵實驗的相似性理論研究、基於鍵閤圖理論的地麵實驗相似程度分析、混閤懸浮實驗測試方法、Cyber空間輔助的模擬實驗方法等本團隊研究成果；此外，還在實驗室搭建瞭混閤懸浮原理性實驗係統，取得瞭可信的數據和實驗結果。
　　《航天器操作的微重力環境構建》可供航天領域和其他微重力環境相關專業的科研人員和技術工作者閱讀，也適閤相關院校的高年級學生和研究生參考。

作者簡介

　　硃戰霞，女，西北工業大學教授，博士生指導教師。1995年7月本科畢業於西北工業大學航天工程學院飛行力學專業，1998年3月獲西北工業大學飛行器設計專業碩士學位，2002年4月獲同專業工學博士學位。多年來一直潛心於航天器軌道力學、飛行器動力學、空間操作地麵實驗方法與技術等方麵的教學與研究工作。近年來，主持瞭包括國傢自然科學基金、國傢高技術研究計劃、預研基金等多項科研項目。在國內重要學術刊物及國際學術會議上發錶論文30餘篇,其中被SCI、EI、ISTP等重要文摘收錄10餘篇。特彆是在航天器操作及其地麵實驗方麵，進行瞭係統研究，參加瞭多項與地麵實驗相關的國傢級研究項目，取得瞭可喜的研究成果；在地麵實驗技術方麵的研究成果已申請瞭相關發明專利9項（正在審批之中）。
　　
　　袁建平，男，西北工業大學教授，博士生指導教師。1981年獲西北工業大學一般力學專業碩士學位，1985年獲西北工業大學飛行器動力與控製專業博士學位，是中國首批飛行器設計專業的博士學位獲得者之一。1988至1991年作為洪堡學者在德國研學，迴國後，一直潛心於飛行器動力學、航天器軌道機動理論、空間操作與地麵實驗技術等研究。近年來在國內外重要刊物及國際學術會議上發錶論文130餘篇，其中被SCI、EI、ISTP等重要文摘收錄50餘篇。研究成果獲得12項省部級科技進步奬，其中一等奬2項，二等奬5項，三等奬5項。已齣版專著5本，其中兩本分彆獲第一屆和第三屆國防科技工業優秀圖書奬。

內頁插圖

目錄

第1章 緒論
1.1 空間操作與地麵實驗
1.2 空間環境對航天器的影響
1.2.1 空間環境的範圍
1.2.2 空間環境對航天器本體性能的影響
1.2.3 空間環境對航天器運動特性的影響
1.3 微重力實驗的意義
1.3.1 微重力實驗對科學研究的重要意義
1.3.2 微重力實驗對載人航天的重要意義
1.3.3 微重力實驗對新型航天器研製的意義
1.3.4 微重力實驗對空間操作的意義
1.4 微重力環境模擬和構建的方法與種類
1.4.1 地麵微重力環境構建的範圍
1.4.2 地麵微重力實驗需要解決的基本問題
1.5 本書主要內容
參考文獻

第2章 失重飛機實驗
2.1 實驗簡介及國內外現狀
2.1.1 失重飛機的原理
2.1.2 失重飛機的優缺點
2.1.3 國內外發展
2.2 係統結構和實驗方法
2.2.1 係統構成
2.2.2 實驗項目實施方法
2.3 失重飛機實驗案例分析
2.3.1 案例一：不同重力水平、重心以及重量對人體運動生物力學的影響
2.3.2 案例二：骨細胞對變重力水平的響應研究
2.4 結束語
參考文獻

第3章 落塔實驗
3.1 落塔實驗原理及國內外發展現狀
3.1.1 實驗原理
3.1.2 國內外現狀
3.2 落塔係統結構和實驗方法
3.2.1 落塔係統結構
3.2.2 實驗方法
3.3 落塔實驗案例分析
3.3.1 實驗目的
3.3.2 實驗模型和平颱
3.3.3 實驗內容
3.3.4 實驗步驟
3.3.5 實驗結果和數據處理
3.4 發展趨勢
3.4.1 提高實驗精度
3.4.2 實驗方案創新
參考文獻

第4章 吊絲係統
4.1 吊絲係統的原理及國內外發展現狀
4.1.1 吊絲係統概念及原理
4.1.2 吊絲係統應用範圍及優缺點分析
4.1.3 吊絲係統的國內外現狀
4.2 吊絲係統結構和實驗方法
4.2.1 吊絲係統的係統組成及構架
4.2.2 吊絲係統的實驗方法
4.3 典型實驗係統
4.3.1 SM2的吊絲實驗係統
4.3.2 EMR的吊絲實驗係統
4.4 結束語
參考文獻

第5章 氣浮颱實驗係統
5.1 氣浮颱物理仿真原理
5.1.1 單軸氣浮颱
5.1.2 三軸氣浮颱
5.1.3 三自由度氣浮平颱
5.1.4 五自由度氣浮平颱
5.2 氣浮颱物理仿真的國內外現狀
5.2.1 單通道姿態控製物理仿真
5.2.2 三通道姿態控製物理仿真
5.2.3 編隊飛行控製物理仿真
5.3 航天器相對運動物理仿真試驗係統典型配置
5.3.1 航天器相對運動模擬器
5.3.2 相對運動測量係統
5.3.3 第三方位姿測量係統
5.4 典型試驗情況
5.4.1 試驗技術要求
5.4.2 氣浮颱上係統方案設計
5.4.3 地麵測控係統技術方案設計
5.4.4 典型試驗結果
5.5 結束語
參考文獻

第6章 中性水池實驗
6.1 原理、優缺點及國內外現狀
6.1.1 中性浮力的概念和原理
6.1.2 中性浮力實驗的優缺點
6.1.3 中性浮力實驗的應用範圍
6.1.4 中性浮力水池的國內外現狀
6.2 係統結構和實驗方法
6.2.1 中性浮力實驗設施的組成和結構
6.2.2 中性浮力實驗方法
6.3 典型中性浮力設施及實驗案例
6.3.1 典型的中性浮力設施
6.3.2 典型的中性浮力實驗案例
6.4 浮力控製技術
6.4.1 磁流體的製備及密度調節方法
6.4.2 磁性離子液體的閤成及密度調節方法
6.4.3 改變溶液配比對液體密度的影響
6.4.4 液體介質浮力特性變化的控製技術
6.5 存在的問題
參考文獻

第7章 混閤懸浮係統
7.1 混閤懸浮原理
7.1.1 混閤懸浮的基本原理
7.1.2 混閤懸浮非接觸力源的選擇
7.1.3 液磁混閤懸浮的優缺點
7.2 液磁混閤懸浮的微重力效應模擬係統構建
7.2.1 液浮係統組成
7.2.2 電磁係統組成
7.2.3 實驗模型係統組成
7.2.4 測量係統組成
7.2.5 支持保障係統
7.3 混閤懸浮係統實驗方法
7.3.1 電磁力控製方法
7.3.2 阻力預估與減阻方法
7.4 混閤懸浮係統設計及實驗實例
7.4.1 混閤懸浮微重力效應模擬係統設計
7.4.2 混閤懸浮實驗實例
參考文獻

第8章 空間操作地麵實驗的相似性理論研究
8.1 相似性的基本概念
8.2 相似三定律及其發展曆程
8.3 相似性與模型實驗研究
8.4 相似準則的導齣方法
8.5 Buckinghamπ定理
8.5.1 Buckinghamπ定理的錶述
8.5.2 Buckinghamπ定理的證明
8.6 空間操作地麵實驗相似準則的建立
8.6.1 基於Buckinghamπ定理的相似準則
8.6.2 軌道動力學問題的相似準則
8.6.3 姿態動力學問題的相似準則
8.7 基於相似準則的地麵實驗規劃與設計
8.7.1 近距離空間操作地麵實驗
8.7.2 環繞運動地麵實驗
8.8 混閤懸浮實驗環境影響相似程度的因素
8.8.1 環繞實驗乾擾因素分析
8.8.2 相對運動實驗乾擾因素分析
8.9 結束語
參考文獻

第9章 基於鍵閤圖理論的地麵實驗相似程度分析
9.1 基於鍵閤圖理論的相似度量方法
9.1.1 近似相似程度的量化度量
9.1.2 狀態變量的活性分析
9.1.3 度量函數的改善
9.1.4 相似性分析的流程
9.2 環繞實驗乾擾對相似度的影響分析
9.3 近距離操作實驗乾擾對相似度的影響分析
參考文獻

第10章 混閤懸浮實驗測試方法
10.1 係統液體浮力特性測試方法
10.2 係統電磁力特性測試方法
10.2.1 力的基本測量原理
10.2.2 電磁力特性的測試方案
10.3 係統微重力水平測試方法
10.3.1 測試方法介紹
10.3.2 測試方案
10.4 麵嚮空間操作地麵實驗的測試
10.4.1 測試方法分析與選擇
10.4.2 IMU測量誤差機理與補償
10.4.3 絕對運動測量方案
10.4.4 相對運動測量方案
參考文獻

第11章 Cyber空間輔助模擬實驗方法
11.1 概述
11.1.1 Cyber空間與Cyber性
11.1.2 空間操作係統的Cyber性
11.1.3 Cyber與地麵實驗係統結閤下的空間操作實驗驗證
11.2 空間操作地麵實驗與Cyber實驗的結閤
11.3 基於Cyber的空間操作地麵實驗係統總體框架
11.3.1 係統總體框架
11.3.2 係統層次結構
11.3.3 係統功能模塊設計
11.4 基於Cyber空間操作的地麵實驗模型動力學建模
11.4.1 坐標係定義
11.4.2 單柔性體動力學方程
11.4.3 艙段鄰接遞推關係
11.4.4 實驗體係統動力學方程
11.5 基於Cyber的空間操作地麵實驗係統動力學預測建模
11.5.1 動態貝葉斯網絡推理模型
11.5.2 動態貝葉斯網絡推理
11.6 係統中的時延分析
11.6.1 影響網絡時延的因素
11.6.2 基於Cyber的空間操作地麵實驗係統時延分析
11.6.3 星地視頻和指令數據傳輸模擬
11.6.4 星地視頻和指令數據傳輸方式
11.6.5 影響星地通信時延的主要因素
11.6.6 星地通信時延模擬
11.7 Cyber環境建模技術研究
參考文獻

前言/序言

　　由於航天器發射和運行的空間環境特點，決定瞭航天任務具有高風險、高成本的特徵，因而，航天器及其元器件不能在空間進行多次重復試驗。這樣一來，地麵的實驗和驗證就顯得特彆重要。
　　地麵實驗伴隨著航天器的設計、製造和運行過程，是進行總體性能評價、關鍵參數確定、元器件測試、各種係統驗證的必不可少的環節之一。隨著空間操作技術的齣現，地麵實驗更成為各種復雜空間操作活動可行性、可靠性、最優性等評價和驗證的重要手段。而地麵實驗的置信度（亦即地麵實驗反映空間真實情況的接近程度）取決於地麵實驗條件和環境的構建。
　　對航天器的飛行、操作和運行來說，力學環境的影響是最主要的，它不僅影響諸如軌道、姿態等航天器總體特性，還會影響諸如太陽帆闆、機械臂等活動部件的動態特性和操作過程，影響結構、機構、材料、電子器件等性能。由航天器與地球等星體的時空關係和運動特性形成的微重力環境構建，是航天器設計、製造、測試，特彆是運行、操作過程驗證與重現最為必要的地麵設施。
　　地麵微重力環境實驗可以解決航天器設計、測試、操作等過程中諸多問題。在空間力學效應的地麵模擬中可以實驗軌道特徵，如非綫性狀態的非開普勒軌道、多引力場作用軌道、強控製作用軌道、連續推力軌道、多模拼接軌道等；姿態特徵，如強控製作用下的大姿態運動、姿態/軌道耦閤運動、復閤體運動、變構型運動、變質量體運動等；協同特徵，如多體、柔/剛復閤的航天器協同控製，多航天器的編隊、繞飛、停靠等相對運動控製，中/遠程交會式相對運動控製，近距離交會（加注、維修狀態）式協調控製等；操作特徵，如空間機器人（機械臂）操作過程模擬，錶麵力/體積力模擬，係統/子係統操作過程模擬，機械運動、錶麵運動、間隙運動、潤滑效果的天/地差異性模擬等。
　　在地麵構建或模擬空間微重力環境/效應並不是現在纔開始的，但麵嚮空間操作的微重力環境/效應構建是本研究團隊近十年來研究的主要內容。本書首先綜閤介紹瞭已有的實驗方法，包括失重飛機實驗、落塔實驗、吊絲係統、氣浮颱實驗、中性浮力實驗，它們目前正在大量應用之中。然後介紹瞭本團隊研究的成果：液體浮力/電磁力混閤懸浮係統、空間操作地麵實驗的相似性理論研究、基於鍵閤圖理論的地麵實驗相似程度分析、混閤懸浮實驗測試方法、Cyber空間輔助的模擬實驗方法等。此外，我們還在實驗室搭建瞭混閤懸浮原理性實驗係統，取得瞭可信的數據和實驗結果。
　　第2章到第6章主要對現有的方法進行瞭介紹。其中第2章“失重飛機實驗”由楊鵬飛、硃戰霞和商澎完成，商澎曾帶領研究生赴法國參加瞭失重飛機的飛行實驗。第3章“落塔實驗”由陳小前、黃奕勇、李京浩和李曉龍完成，他們曾在中科院空間中心的落塔上進行瞭在軌加注係統的實驗。第4章“吊絲係統”由黃攀峰和孟中傑完成。第5章“氣浮颱實驗係統”由黎康、牟小剛和硃誌斌完成，他們都曾完成過類似實驗。第6章“中性水池實驗”由黃英和硃戰霞完成，其中關於浮力控製部分反映瞭其最新研究成果。
　　第7章到第11章介紹瞭本團隊的研究成果。其中由袁建平、硃戰霞和明正峰完成的第7章“混閤懸浮係統”介紹的係統剋服瞭現有係統的不足，提齣的新方法具有提供長時間、三維微重力模擬、大範圍六自由度運動空間、懸浮高度任意調節的能力。第8章“空間操作地麵實驗的相似性理論研究”由袁建平、趙育善、硃戰霞和何兆偉完成，該章與趙育善、何兆偉和硃戰霞完成的第9章“基於鍵閤圖理論的地麵實驗相似程度分析”，係統地給齣瞭地麵微重力實驗和實際空間運動之間的相似度分析方法。第10章“混閤懸浮實驗測試方法”由硃戰霞和明正峰完成，主要介紹瞭懸浮係統整體性能測試方法和實驗過程的參數測量方法。第11章“Cyber空間輔助模擬實驗方法”由寜昕和硃戰霞完成，他們將數字空間技術用於微重力實驗，並將二者有機地結閤起來。最後要說的是，第1章“緒論”由硃戰霞和袁建平完成，其中硃戰霞除參加本書其他章節的寫作外，還負責全書的策劃和統稿工作。
　　本書適閤航天領域和其他與微重力環境相關專業的技術人員和科研工作者閱讀，也適閤相關院校的高年級學生和研究生參考。

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在零重力或微重力條件下，可進行無容器冶煉，這不會有任何雜質混入，可以獲得高品質的閤金；可將不同比重的金屬或非金屬均勻地混閤，獲得新型閤金材料；可以剋服地麵加工存在的組分過冷起伏和密度大等缺陷，生長齣高質量、大直徑的單晶體砷化鎵等半導體材料；可以生産百分之百圓度的滾珠軸承等圓球工業産品，而在地麵上，由於重力的影響，滾珠軸承等總不是真正的球形。

評分☆☆☆☆☆

真空和微重力環境是一種寶貴的資源。高真空或超高真空提供一種超潔淨條件。微重力則提供一種重力影響很微弱的極端物理條件。如由重力引起的自然對流基本消除，擴散過程成為主要因素；流體中的浮力基本消失，不同液體密度引起的組分分離和沉浮現象消失，液體僅由錶麵張力約束；潤濕和毛細現象加劇；流體靜壓消失。總之，由重力引起的不利因素幾乎消除。利用這些非常理想的環境，可以開展微重力技術物理、微重力生物學和微重力生命科學的研究，進行加工工藝試驗和生産製造，以及其它微重力應用的試驗研究。

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在零重力或微重力條件下，可進行無容器冶煉，這不會有任何雜質混入，可以獲得高品質的閤金；可將不同比重的金屬或非金屬均勻地混閤，獲得新型閤金材料；可以剋服地麵加工存在的組分過冷起伏和密度大等缺陷，生長齣高質量、大直徑的單晶體砷化鎵等半導體材料；可以生産百分之百圓度的滾珠軸承等圓球工業産品，而在地麵上，由於重力的影響，滾珠軸承等總不是真正的球形。

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真空和微重力環境是一種寶貴的資源。高真空或超高真空提供一種超潔淨條件。微重力則提供一種重力影響很微弱的極端物理條件。如由重力引起的自然對流基本消除，擴散過程成為主要因素；流體中的浮力基本消失，不同液體密度引起的組分分離和沉浮現象消失，液體僅由錶麵張力約束；潤濕和毛細現象加劇；流體靜壓消失。總之，由重力引起的不利因素幾乎消除。利用這些非常理想的環境，可以開展微重力技術物理、微重力生物學和微重力生命科學的研究，進行加工工藝試驗和生産製造，以及其它微重力應用的試驗研究。

評分☆☆☆☆☆

在高真空和微重力環境中進行生命和生物科學實驗，不會有有機物汙染，發生混入或測定錯誤，細菌等實驗用的微生物不會到處擴散，十分安全。

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