1、3.航天器地面實驗研究現狀航天器地面實驗作為驗證航天器關鍵技術可行性的關鍵技術手段一直受到 研究人員的重點關注錯誤！未找到引用源。-錯誤!未找到引用源。可以說航天器地面實驗技 術是伴隨航天器發展同步發展的，早在1959年美國Army Ballistic Missile Agency 成功研制三自由度氣浮平臺用以模擬空間航天器姿態變化，標志著航天器地面實 驗成為航天器研制過程中的有效手段，由于該氣浮平臺最早用于航天器地面實驗 故其具有里程碑式的重要意義。目前幾乎所有的航天器在發射之前都需要進行大 量的地面實驗用以確保其任務的順利完成。下面將從航天器地面實驗發展以及電 磁航天器地面實驗兩方面介紹航

2、天器地面實驗的發展。3.1航天器地面實驗在航天器地面實驗的開展過程中，所面臨最大的問題為抵消地面實驗環境中 的重力影響，為此研究人員提出落塔實驗、失重飛機實驗、氣浮平臺實驗以及液 浮平臺實驗等多種地面實驗方法錯誤！未找到引用源。下面將分別介紹上述地 面實驗方法及其在航天器實驗中的應用情況。(1)落塔實驗落塔實驗通過在微重力塔(井)中執行自由落體運動從而產生微重力實驗環 境。目前美國、日本、德國、中國等都建立了自己的落塔實驗系統，并紛紛開展 了大量的微重力實驗用以開展微重力環境下理化科學、材料科學、生命科學等基 礎學科的研究。美國落塔實驗系統美國國家航天局擁有多套落塔、落井實驗系統，其中具有代表

3、性的包括路易 斯研究中心145m落井以及馬歇爾飛行中心的100m微重力落塔。易斯研究中心 145m落井總高度155m，有效實驗高度143m，1966年建成。最初用于太空組件 和流體系統在微重力環境下的研究與開發，該落井系統目前依然正在為世界各地 的研究服務，并用于開發和測試飛行實物硬件，設計航天飛機或國際空間站等任 務。馬歇爾飛行中心的100m微重力落塔總高度101.7m，有效實驗高度89m，曾 用于開展微重力環境下流體自由液面變化的相關研究錯誤!未找到引用源。德國落塔系統德國不萊梅應用空間技術和微重力中心(ZARM)建立了 Bremen落塔錯誤!未找到引 用源。，該落塔實驗系統總高度157米

4、，有效實驗高度110m，自1990年開始投入 使用以來開展了大量的微重力物理、化學、生物等方面的研究，并取得了寶貴的 實驗數據以及落塔實驗系統的使用管理經驗。德國FAMEX落塔實驗系統在廢棄 的礦井改造而成，總高度713.5米，有效實驗高度600m是目前為止世界上有效 實驗高度最高的落塔實驗系統，1993年開始投入使用，主要進行化學、生物科 學、光學以及X射線等許多專業項目的實驗。J.Reimann和S.Will 錯誤！未找到引用源。利 用該落塔實驗系統對積灰的燃燒進行了詳細的分析研究。日本落塔實驗系統日本微重力中心在北海道建立了 JAMIC微重力落塔。該落塔實驗系統總高 度710米，有效實驗

5、高度490米，自1991年建成以來主要進行燃燒、流體物理、 空間材料加工等基礎研究錯誤!未找到引用源。該落塔實驗系統最大允許有效實驗載荷 1000kg，可以進行全系統性的微重力落體實驗。Urban B. D.錯誤！未找到引用源。等人利用 JAMIC落塔對微重力環境下酒精液滴的燃燒及火焰的擴散特性進行了分析研究。中國落塔實驗系統為了加強微重力情況下基礎科學的研究，中國在上世紀七十年代開始發展自 己的微重力落塔實驗系統，較為典型的包括：中國科學院國家微重力實驗室落塔 系統、北京強度研究所BISE54落塔實驗系統以及工程熱物理研究所落塔實驗系 統。其中中國科學院國家微重力實驗室落塔系統總高度93米，

6、有效實驗高度60 米，自建成以來開展了大量的微重力流體物理、微重力燃燒科學以及微重力材料 科學等基礎科學的研究錯誤！未找到引用源。，為我國的基礎研究做出了巨大的 貢獻。由于落塔實驗微重力精度高，故其在微重力科學的基礎研究中獲得廣泛應用。 但是落塔實驗系統實驗時間短、實驗空間受限等缺點制約了其在航天器實驗中的 使用范圍。目前為止，還沒有公開的文獻表明落塔實驗系統用于航天器編隊飛行 動力學實驗。(2)失重飛機實驗錯誤！未找到引用源。根據動力學原理，在地球引力范圍內的物體通過加速或減速使得受到的慣性力與重力相抵消時即可實現失重狀態，失重飛機就是借助這一原理通過拋物線飛 行實現失重環境的模擬。圖1為失

7、重飛機拋物線飛行示意圖，這種實驗方法主要 用于訓練航天員在空間微重力環境下的適應能力，由于其實驗精度較低故沒有得 以大量使用。圖1失重飛機拋物飛行軌跡圖目前只有美國、俄羅斯、日本以及歐洲等國家開展過失重飛機飛行實驗，值 得一提的是電磁航天器RINGS曾經在失重飛機上進行二維漂浮實驗錯誤!未找到引用源。氣浮平臺實驗氣浮平臺利用噴射壓縮氣體產生的反重力抵消衛星模擬器重力，從而實現微 重力環境的建立錯誤！未找到引用源。氣浮平臺作為航天器控制仿真手段幾乎 與航天器研制同時起步，美國早期的TIROS電視轉播衛星利用氣浮臺進行了章 動阻尼實驗；我國東方紅一號衛星也利用三軸氣浮臺進行了天線伸展等實驗錯誤!

8、未找到引用源目前氣浮平臺已經從單一的姿態模擬發展為姿軌聯合模擬，從 簡單的模擬實驗發展為半物理仿真并逐漸向全物理仿真方向發展。氣浮平臺用于 航天器相對運動的模擬始于上世紀六十年代，NASA為阿波羅載人登月計劃在軌 交會對接任務研制了地面對接實驗系統，該系統軸向運動距離0.6m，橫向運動 距離土 0.15m主要用于驗證對接過程的動力學特性。上世紀八九十年代，航天器編隊飛行研究的持續升溫促使歐洲和日本先后建 立了 9自由度的半物理仿真實驗系統。其中德國宇航中心研制的歐洲近距離操作 仿真器EPOS可以用于模擬12米之內航天器的相對運動錯誤!未找到引用源。，日本NASDA 于1994年建立9自由度的半

9、物理仿真實驗系統并開展交會對接任務研究與地面實驗錯誤！未找到引用源。利用氣浮平臺進行航天器編隊飛行任務的全物理仿真實驗系統出現于上世 紀九十年代，美國MIT空間實驗室開展的SPHERES (Synchronized Position Hold Engage Reorient Experimental Satellites)計劃將多個排球大小的衛星送入太空，同 時保持相互之間精確的位置從而可以組成一個龐大的太空望遠鏡，用來尋找其它 恒星附近的行星。為了在地面環境模擬這些微小衛星之間的編隊飛行及測試控制 算法，MIT在2000年至2007年間開發了數套三自由度氣浮臺，這些氣浮臺通過 高壓CO2產生

10、氣墊浮起在工作臺面上，能實現二維的平動及繞垂直軸的轉動錯誤!未找到引用源-錯誤！未找到引用源。NASA噴氣推進實驗室也建有自己的基于氣浮平臺的相對運動仿真系統 (Formation Control Testbed, FCT)，該系統由兩個五自由度衛星模擬器與氣浮平臺 基座組成，其實物圖如圖2所示，最新資料顯示JPL實驗室已經完成對五自由度 衛星模擬器的改造使其升級為六自由度從而實現航天器相對運動全自由度的物 理模擬錯誤！未找到引用源。-錯誤!未找到引用源。據公開資料顯示JPL的相對運動仿真 系統已經用于編隊飛行、姿態協同、編隊重構等問題的地面實驗研究，但是具體 的工程型號及相應的空間任務則未見

11、報道。圖2 NASA五自由度氣浮仿真試驗系統綜上所述，氣浮平臺具有實驗時間長、實驗仿真度高、實驗結果精度高等特 點，故其常常作為航天器近距離相對運動實驗的首選實驗設備。對于電磁航天器 地面實驗而言利用氣浮平臺建立實驗方案具有極高的可行性。液浮實驗液浮實驗是利用液體浮力平衡重力從而使得物體處于懸浮狀態進而建立微 重力實驗環境的實驗手段錯誤！未找到引用源液浮實驗主要用于訓練航天器 空間活動能力與操作能力、驗證空間結構安裝錯誤!未找到引用源。、大型結構的空間對接 及組裝試驗等方面錯誤!未找到引用源。早在20世紀60年代國外就開展了液浮實驗的研 究工作，時至今日液浮實驗依舊在不斷發展與完善。美國早在2

12、0世紀六十年代就開始液浮實驗的研究，并建立了眾多液浮實驗 系統。1973年美國成功利用地面液浮實驗與空間天空實驗室協同工作并一舉修 復太陽帆板展開問題使得針對液浮實驗系統應用前景的研究大幅升溫。值得一提 的是哈勃望遠鏡的修復也是首先在液浮平臺中進行模擬試驗而后由航天員在空 間加以實施的。俄羅斯也在星城建立了自己的液浮實驗系統用以訓練航天員，日 本、德國等國家也先后建立自己的液浮實驗系統。馬里蘭大學在研究在軌服務技術的過程中自主開發一套液浮實驗系統并取 名為Ranger，圖3為馬里蘭大學的Ranger液浮實驗系統實物圖。Ranger液浮實 驗系統通過自主調節自身空腔體積調節浮力以實現懸浮，并利用

13、機械臂模擬空間 機器人在軌服務過程錯誤！未找到引用源。圖3 Ranger系統實物圖我國西北工業大學袁建平、朱占霞教授團隊在液浮實驗系統的基礎上發展并 建立空間環境模擬混合懸浮實驗系統(PESS)錯誤！未找到引用源。-錯誤！未找 到引用源。，該系統利用液浮實驗系統與電磁支撐系統相結合建立地面實驗進而 實現空間運動的地面模擬，目前該項目還在持續建設中。液浮實驗具有實驗時間不受限、實驗自由度高等特點，但是由于流體計算及 阻力補償精度問題限制了其在航天器編隊飛行實驗中的應用錯誤！未找到引用 源。德克薩斯大學曾使用液浮法建立電磁自助對接分離項目的地面驗證性實驗 錯誤！未找到引用源。，并取得了較好的實驗結

14、果。相信隨著流體計算及阻力補 償精度的提高，液浮平臺在航天器編隊飛行地面實驗方面具有廣闊的應用前景。綜上所述，目前航天器地面實驗作為驗證空間關鍵技術的重要手段已經成為 航天器設計研究中的重點。未來航天器中幾乎所有的關鍵技術都需要先在地面環 境下進行實驗驗證，從而確保在軌驗證的順利開展。結合電磁航天器編隊飛行實 驗持續時間長、控制力小以及控制力連續等特點，電磁航天器編隊飛行地面實驗 最適于使用氣浮平臺開展，下面將對目前已經開展的電磁航天器地面實驗進行介 紹。3.2電磁航天器地面實驗電磁航天器地面實驗是驗證電磁航天器可靠性的主要技術手段。由于其對于 電磁航天器的研究具有重要意義，幾乎所有電磁航天器

15、研究單位均會配備相應的 電磁航天器地面實驗系統用以輔助電磁航天器的開發及關鍵技術研究。在電磁航天器的地面實驗中最具代表性的為麻省理工學院空間系統實驗室 所主持的電磁編隊飛行項目。該項目配備有EMFF以及pEMFF兩套地面實驗設 備，用以分別進行十米量級以及米量級條件下電磁航天器的編隊飛行技術。 EMFF由氣浮平臺作為基礎實驗設備，添加超導電磁線圈用以完成電磁航天器編 隊飛行的地面實驗模擬。由于氣浮平臺限制數值方向的自由度，EMFF中的衛星 模擬器僅安裝兩組相互垂直的超導線圈。在地面實驗過程中一個衛星模擬器固定， 另一個在其磁場內利用電磁相互作用完成編隊飛行的任務模擬。pEMFF采用普 通線圈，

16、利用氣浮軸承建立一維的相對運動實驗，驗證電磁航天器編隊飛行過程 中引力、斥力以及剪力的控制。中國國防科技大學主持的空間電磁對接機構研究為國內最早的電磁航天器 地面實驗，因此其對于國內電磁航天器地面實驗的開展具有里程碑式的重要意義。 在其地面實驗中驗證了利用電磁機構實現自主對接的可行性，并利用衛星模擬器 模擬航天器自主交會及電磁機構自主對接全過程。通過對目前已經開展的電磁航天器地面實驗進行分析可以發現，電磁航天器 地面實驗的建立方法基本相同。首先利用地面實驗系統抵消重力影響創造微重力 地面實驗環境如，氣浮平臺系統、液浮平臺系統等；而后利用電磁線圈產生電磁 場模擬電磁航天器之間的電磁場相互作用，或

17、開展相關的電磁技術實驗；最后配 備相應的輔助系統如：測量系統、冷卻系統等以保證地面實驗的順利進行。通過對國內外研究現狀的分析可以發現，未來新型電磁航天器的發展有以下 這幾個方面的趨勢：電磁航天器編隊飛行動力學模型與控制方法研究。在分析線圈產生的電磁場時，采用的是電磁場的遠場模型，有一定程度的簡 化；在分析航天器近距離相對運動時一般采用的是Hill方程，這僅適用于圓參考 軌道較近距離的機動問題；為了拓展電磁航天器編隊飛行應用范圍，需要在動力 學模型方面展開研究。另外在對電磁航天器進行控制時，其磁矩分配方案不為一， 如何設計磁矩分配方案使得各航天器所需電流相同也需要進行相應的研究。多電磁航天器協同

18、編隊控制研究。由于電磁航天器控制力為系統內力，加之其各航天器磁場之間存在相互影響， 故電磁航天器編隊飛行的控制策略與常規編隊飛行控制方法有所不同。為了實現 穩定的電磁航天器編隊飛行，需要對多電磁航天器的編隊飛行控制策略問題進行 深入的研究。電磁航天器編隊控制策略可以按照順序每次只對一對衛星加以控制， 但是其誤差累計會逐漸增加，另一種控制策略將整個編隊中的衛星進行統一的協 同控制從而保證了電磁航天器編隊飛行的控制精度。(3 )電磁航天器編隊飛行技術應用研究。由于電磁航天器在編隊飛行中具有十分巨大的優勢，故針對其應用前景的研 究具有極高的實用價值，比如可以用電磁力來改變編隊構型，抵消分布式衛星的 相對J2攝動力和阻