《航天器操作的微重力環(huán)境構建》首先介紹了失重飛機實驗、落塔實驗、吊絲系統(tǒng)、氣浮臺實驗、中性浮力實驗等目前正在應用的方法；然后介紹了液體浮力/電磁力混合懸浮系統(tǒng)、空間操作地面實驗的相似性理論研究、基于鍵合圖理論的地面實驗相似程度分析、混合懸浮實驗測試方法、Cyber空間輔助的模擬實驗方法等本團隊研究成果；此外，還在實驗室搭建了混合懸浮原理性實驗系統(tǒng)，取得了可信的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。
《航天器操作的微重力環(huán)境構建》可供航天領域和其他微重力環(huán)境相關專業(yè)的科研人員和技術工作者閱讀，也適合相關院校的高年級學生和研究生參考。
由于航天器發(fā)射和運行的空間環(huán)境特點，決定了航天任務具有高風險、高成本的特征，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，地面的實驗和驗證就顯得特別重要。
地面實驗伴隨著航天器的設計、制造和運行過程，是進行總體性能評價、關鍵參數(shù)確定、元器件測試、各種系統(tǒng)驗證的必不可少的環(huán)節(jié)之一。隨著空間操作技術的出現(xiàn)，地面實驗更成為各種復雜空間操作活動可行性、可靠性、最優(yōu)性等評價和驗證的重要手段。而地面實驗的置信度（亦即地面實驗反映空間真實情況的接近程度）取決于地面實驗條件和環(huán)境的構建。
對航天器的飛行、操作和運行來說，力學環(huán)境的影響是最主要的，它不僅影響諸如軌道、姿態(tài)等航天器總體特性，還會影響諸如太陽帆板、機械臂等活動部件的動態(tài)特性和操作過程，影響結(jié)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系和運動特性形成的微重力環(huán)境構建，是航天器設計、制造、測試，特別是運行、操作過程驗證與重現(xiàn)最為必要的地面設施。
地面微重力環(huán)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面模擬中可以實驗軌道特征，如非線性狀態(tài)的非開普勒軌道、多引力場作用軌道、強控制作用軌道、連續(xù)推力軌道、多模拼接軌道等；姿態(tài)特征，如強控制作用下的大姿態(tài)運動、姿態(tài)/軌道耦合運動、復合體運動、變構型運動、變質(zhì)量體運動等；協(xié)同特征，如多體、柔/剛復合的航天器協(xié)同控制，多航天器的編隊、繞飛、�？康认鄬\動控制，中/遠程交會式相對運動控制，近距離交會（加注、維修狀態(tài)）式協(xié)調(diào)控制等；操作特征，如空間機器人（機械臂）操作過程模擬，表面力/體積力模擬，系統(tǒng)/子系統(tǒng)操作過程模擬，機械運動、表面運動、間隙運動、潤滑效果的天/地差異性模擬等。
在地面構建或模擬空間微重力環(huán)境/效應并不是現(xiàn)在才開始的，但面向空間操作的微重力環(huán)境/效應構建是本研究團隊近十年來研究的主要內(nèi)容。本書首先綜合介紹了已有的實驗方法，包括失重飛機實驗、落塔實驗、吊絲系統(tǒng)、氣浮臺實驗、中性浮力實驗，它們目前正在大量應用之中。然后介紹了本團隊研究的成果：液體浮力/電磁力混合懸浮系統(tǒng)、空間操作地面實驗的相似性理論研究、基于鍵合圖理論的地面實驗相似程度分析、混合懸浮實驗測試方法、Cyber空間輔助的模擬實驗方法等。此外，我們還在實驗室搭建了混合懸浮原理性實驗系統(tǒng)，取得了可信的數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。
第2章到第6章主要對現(xiàn)有的方法進行了介紹。其中第2章“失重飛機實驗”由楊鵬飛、朱戰(zhàn)霞和商澎完成，商澎曾帶領研究生赴法國參加了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了在軌加注系統(tǒng)的實驗。第4章“吊絲系統(tǒng)”由黃攀峰和孟中杰完成。第5章“氣浮臺實驗系統(tǒng)”由黎康、牟小剛和朱志斌完成，他們都曾完成過類似實驗。第6章“中性水池實驗”由黃英和朱戰(zhàn)霞完成，其中關于浮力控制部分反映了其最新研究成果。
第7章到第11章介紹了本團隊的研究成果。其中由袁建平、朱戰(zhàn)霞和明正峰完成的第7章“混合懸浮系統(tǒng)”介紹的系統(tǒng)克服了現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，提出的新方法具有提供長時間、三維微重力模擬、大范圍六自由度運動空間、懸浮高度任意調(diào)節(jié)的能力。第8章“空間操作地面實驗的相似性理論研究”由袁建平、趙育善、朱戰(zhàn)霞和何兆偉完成，該章與趙育善、何兆偉和朱戰(zhàn)霞完成的第9章“基于鍵合圖理論的地面實驗相似程度分析”，系統(tǒng)地給出了地面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“混合懸浮實驗測試方法”由朱戰(zhàn)霞和明正峰完成，主要介紹了懸浮系統(tǒng)整體性能測試方法和實驗過程的參數(shù)測量方法。第11章“Cyber空間輔助模擬實驗方法”由寧昕和朱戰(zhàn)霞完成，他們將數(shù)字空間技術用于微重力實驗，并將二者有機地結(jié)合起來。最后要說的是，第1章“緒論”由朱戰(zhàn)霞和袁建平完成，其中朱戰(zhàn)霞除參加本書其他章節(jié)的寫作外，還負責全書的策劃和統(tǒng)稿工作。
本書適合航天領域和其他與微重力環(huán)境相關專業(yè)的技術人員和科研工作者閱讀，也適合相關院校的高年級學生和研究生參考。
朱戰(zhàn)霞，女，西北工業(yè)大學教授，博士生指導教師。1995年7月本科畢業(yè)于西北工業(yè)大學航天工程學院飛行力學專業(yè)，1998年3月獲西北工業(yè)大學飛行器設計專業(yè)碩士學位，2002年4月獲同專業(yè)工學博士學位。多年來一直潛心于航天器軌道力學、飛行器動力學、空間操作地面實驗方法與技術等方面的教學與研究工作。近年來，主持了包括國家自然科學基金、國家高技術研究計劃、預研基金等多項科研項目。在國內(nèi)重要學術刊物及國際學術會議上發(fā)表論文30余篇,其中被SCI、EI、ISTP等重要文摘收錄10余篇。特別是在航天器操作及其地面實驗方面，進行了系統(tǒng)研究，參加了多項與地面實驗相關的國家級研究項目，取得了可喜的研究成果；在地面實驗技術方面的研究成果已申請了相關發(fā)明專利9項（正在審批之中）。
袁建平，男，西北工業(yè)大學教授，博士生指導教師。1981年獲西北工業(yè)大學一般力學專業(yè)碩士學位，1985年獲西北工業(yè)大學飛行器動力與控制專業(yè)博士學位，是中國首批飛行器設計專業(yè)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，回國后，一直潛心于飛行器動力學、航天器軌道機動理論、空間操作與地面實驗技術等研究。近年來在國內(nèi)外重要刊物及國際學術會議上發(fā)表論文130余篇，其中被SCI、EI、ISTP等重要文摘收錄50余篇。研究成果獲得12項省部級科技進步獎，其中一等獎2項，二等獎5項，三等獎5項。已出版專著5本，其中兩本分別獲第一屆和第三屆國防科技工業(yè)優(yōu)秀圖書獎。
第1章 緒論
1.1 空間操作與地面實驗
1.2 空間環(huán)境對航天器的影響
1.2.1 空間環(huán)境的范圍
1.2.2 空間環(huán)境對航天器本體性能的影響
1.2.3 空間環(huán)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制的意義
1.3.4 微重力實驗對空間操作的意義
1.4 微重力環(huán)境模擬和構建的方法與種類
1.4.1 地面微重力環(huán)境構建的范圍
1.4.2 地面微重力實驗需要解決的基本問題
1.5 本書主要內(nèi)容
參考文獻
第2章 失重飛機實驗
2.1 實驗簡介及國內(nèi)外現(xiàn)狀
2.1.1 失重飛機的原理
2.1.2 失重飛機的優(yōu)缺點
2.1.3 國內(nèi)外發(fā)展
2.2 系統(tǒng)結(jié)構和實驗方法
2.2.1 系統(tǒng)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(jié)束語
參考文獻
第3章 落塔實驗
3.1 落塔實驗原理及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
3.1.1 實驗原理
3.1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀
3.2 落塔系統(tǒng)結(jié)構和實驗方法
3.2.1 落塔系統(tǒng)結(jié)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 實驗模型和平臺
3.3.3 實驗內(nèi)容
3.3.4 實驗步驟
3.3.5 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)處理
3.4 發(fā)展趨勢
3.4.1 提高實驗精度
3.4.2 實驗方案創(chuàng)新
參考文獻
第4章 吊絲系統(tǒng)
4.1 吊絲系統(tǒng)的原理及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
4.1.1 吊絲系統(tǒng)概念及原理
4.1.2 吊絲系統(tǒng)應用范圍及優(yōu)缺點分析
4.1.3 吊絲系統(tǒng)的國內(nèi)外現(xiàn)狀
4.2 吊絲系統(tǒng)結(jié)構和實驗方法
4.2.1 吊絲系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及構架
4.2.2 吊絲系統(tǒng)的實驗方法
4.3 典型實驗系統(tǒng)
4.3.1 SM2的吊絲實驗系統(tǒng)
4.3.2 EMR的吊絲實驗系統(tǒng)
4.4 結(jié)束語
參考文獻
第5章 氣浮臺實驗系統(tǒng)
5.1 氣浮臺物理仿真原理
5.1.1 單軸氣浮臺
5.1.2 三軸氣浮臺
5.1.3 三自由度氣浮平臺
5.1.4 五自由度氣浮平臺
5.2 氣浮臺物理仿真的國內(nèi)外現(xiàn)狀
5.2.1 單通道姿態(tài)控制物理仿真
5.2.2 三通道姿態(tài)控制物理仿真
5.2.3 編隊飛行控制物理仿真
5.3 航天器相對運動物理仿真試驗系統(tǒng)典型配置
5.3.1 航天器相對運動模擬器
5.3.2 相對運動測量系統(tǒng)
5.3.3 第三方位姿測量系統(tǒng)
5.4 典型試驗情況
5.4.1 試驗技術要求
5.4.2 氣浮臺上系統(tǒng)方案設計
5.4.3 地面測控系統(tǒng)技術方案設計
5.4.4 典型試驗結(jié)果
5.5 結(jié)束語
參考文獻
第6章 中性水池實驗
6.1 原理、優(yōu)缺點及國內(nèi)外現(xiàn)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(yōu)缺點
6.1.3 中性浮力實驗的應用范圍
6.1.4 中性浮力水池的國內(nèi)外現(xiàn)狀
6.2 系統(tǒng)結(jié)構和實驗方法
6.2.1 中性浮力實驗設施的組成和結(jié)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 浮力控制技術
6.4.1 磁流體的制備及密度調(diào)節(jié)方法
6.4.2 磁性離子液體的合成及密度調(diào)節(jié)方法
6.4.3 改變?nèi)芤号浔葘σ后w密度的影響
6.4.4 液體介質(zhì)浮力特性變化的控制技術
6.5 存在的問題
參考文獻
第7章 混合懸浮系統(tǒng)
7.1 混合懸浮原理
7.1.1 混合懸浮的基本原理
7.1.2 混合懸浮非接觸力源的選擇
7.1.3 液磁混合懸浮的優(yōu)缺點
7.2 液磁混合懸浮的微重力效應模擬系統(tǒng)構建
7.2.1 液浮系統(tǒng)組成
7.2.2 電磁系統(tǒng)組成
7.2.3 實驗模型系統(tǒng)組成
7.2.4 測量系統(tǒng)組成
7.2.5 支持保障系統(tǒng)
7.3 混合懸浮系統(tǒng)實驗方法
7.3.1 電磁力控制方法
7.3.2 阻力預估與減阻方法
7.4 混合懸浮系統(tǒng)設計及實驗實例
7.4.1 混合懸浮微重力效應模擬系統(tǒng)設計
7.4.2 混合懸浮實驗實例
參考文獻
第8章 空間操作地面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(fā)展歷程
8.3 相似性與模型實驗研究
8.4 相似準則的導出方法
8.5 Buckinghamπ定理
8.5.1 Buckinghamπ定理的表述
8.5.2 Buckinghamπ定理的證明
8.6 空間操作地面實驗相似準則的建立
8.6.1 基于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(tài)動力學問題的相似準則
8.7 基于相似準則的地面實驗規(guī)劃與設計
8.7.1 近距離空間操作地面實驗
8.7.2 環(huán)繞運動地面實驗
8.8 混合懸浮實驗環(huán)境影響相似程度的因素
8.8.1 環(huán)繞實驗干擾因素分析
8.8.2 相對運動實驗干擾因素分析
8.9 結(jié)束語
參考文獻
第9章 基于鍵合圖理論的地面實驗相似程度分析
9.1 基于鍵合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(tài)變量的活性分析
9.1.3 度量函數(shù)的改善
9.1.4 相似性分析的流程
9.2 環(huán)繞實驗干擾對相似度的影響分析
9.3 近距離操作實驗干擾對相似度的影響分析
參考文獻
第10章 混合懸浮實驗測試方法
10.1 系統(tǒng)液體浮力特性測試方法
10.2 系統(tǒng)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 系統(tǒng)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 面向空間操作地面實驗的測試
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 空間操作系統(tǒng)的Cyber性
11.1.3 Cyber與地面實驗系統(tǒng)結(jié)合下的空間操作實驗驗證
11.2 空間操作地面實驗與Cyber實驗的結(jié)合
11.3 基于Cyber的空間操作地面實驗系統(tǒng)總體框架
11.3.1 系統(tǒng)總體框架
11.3.2 系統(tǒng)層次結(jié)構
11.3.3 系統(tǒng)功能模塊設計
11.4 基于Cyber空間操作的地面實驗模型動力學建模
11.4.1 坐標系定義
11.4.2 單柔性體動力學方程
11.4.3 艙段鄰接遞推關系
11.4.4 實驗體系統(tǒng)動力學方程
11.5 基于Cyber的空間操作地面實驗系統(tǒng)動力學預測建模
11.5.1 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡推理模型
11.5.2 動態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡推理
11.6 系統(tǒng)中的時延分析
11.6.1 影響網(wǎng)絡時延的因素
11.6.2 基于Cyber的空間操作地面實驗系統(tǒng)時延分析
11.6.3 星地視頻和指令數(shù)據(jù)傳輸模擬
11.6.4 星地視頻和指令數(shù)據(jù)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(huán)境建模技術研究
參考文獻
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