电磁航天器地面实验

1、3.航天器地面实验研究现状航天器地面实验作为验证航天器关键技术可行性的关键技术手段一直受到 研究人员的重点关注错误！未找到引用源。-错误!未找到引用源。可以说航天器地面实验技 术是伴随航天器发展同步发展的，早在1959年美国Army Ballistic Missile Agency 成功研制三自由度气浮平台用以模拟空间航天器姿态变化，标志着航天器地面实 验成为航天器研制过程中的有效手段，由于该气浮平台最早用于航天器地面实验 故其具有里程碑式的重要意义。目前几乎所有的航天器在发射之前都需要进行大 量的地面实验用以确保其任务的顺利完成。下面将从航天器地面实验发展以及电 磁航天器地面实验两方面介绍航

2、天器地面实验的发展。3.1航天器地面实验在航天器地面实验的开展过程中，所面临最大的问题为抵消地面实验环境中 的重力影响，为此研究人员提出落塔实验、失重飞机实验、气浮平台实验以及液 浮平台实验等多种地面实验方法错误！未找到引用源。下面将分别介绍上述地 面实验方法及其在航天器实验中的应用情况。(1)落塔实验落塔实验通过在微重力塔(井)中执行自由落体运动从而产生微重力实验环 境。目前美国、日本、德国、中国等都建立了自己的落塔实验系统，并纷纷开展 了大量的微重力实验用以开展微重力环境下理化科学、材料科学、生命科学等基 础学科的研究。美国落塔实验系统美国国家航天局拥有多套落塔、落井实验系统，其中具有代表

3、性的包括路易 斯研究中心145m落井以及马歇尔飞行中心的100m微重力落塔。易斯研究中心 145m落井总高度155m，有效实验高度143m，1966年建成。最初用于太空组件 和流体系统在微重力环境下的研究与开发，该落井系统目前依然正在为世界各地 的研究服务，并用于开发和测试飞行实物硬件，设计航天飞机或国际空间站等任 务。马歇尔飞行中心的100m微重力落塔总高度101.7m，有效实验高度89m，曾 用于开展微重力环境下流体自由液面变化的相关研究错误!未找到引用源。德国落塔系统德国不莱梅应用空间技术和微重力中心(ZARM)建立了 Bremen落塔错误!未找到引 用源。，该落塔实验系统总高度157米

4、，有效实验高度110m，自1990年开始投入 使用以来开展了大量的微重力物理、化学、生物等方面的研究，并取得了宝贵的 实验数据以及落塔实验系统的使用管理经验。德国FAMEX落塔实验系统在废弃 的矿井改造而成，总高度713.5米，有效实验高度600m是目前为止世界上有效 实验高度最高的落塔实验系统，1993年开始投入使用，主要进行化学、生物科 学、光学以及X射线等许多专业项目的实验。J.Reimann和S.Will 错误！未找到引用源。利 用该落塔实验系统对积灰的燃烧进行了详细的分析研究。日本落塔实验系统日本微重力中心在北海道建立了 JAMIC微重力落塔。该落塔实验系统总高 度710米，有效实验

5、高度490米，自1991年建成以来主要进行燃烧、流体物理、 空间材料加工等基础研究错误!未找到引用源。该落塔实验系统最大允许有效实验载荷 1000kg，可以进行全系统性的微重力落体实验。Urban B. D.错误！未找到引用源。等人利用 JAMIC落塔对微重力环境下酒精液滴的燃烧及火焰的扩散特性进行了分析研究。中国落塔实验系统为了加强微重力情况下基础科学的研究，中国在上世纪七十年代开始发展自 己的微重力落塔实验系统，较为典型的包括：中国科学院国家微重力实验室落塔 系统、北京强度研究所BISE54落塔实验系统以及工程热物理研究所落塔实验系 统。其中中国科学院国家微重力实验室落塔系统总高度93米，

6、有效实验高度60 米，自建成以来开展了大量的微重力流体物理、微重力燃烧科学以及微重力材料 科学等基础科学的研究错误！未找到引用源。，为我国的基础研究做出了巨大的 贡献。由于落塔实验微重力精度高，故其在微重力科学的基础研究中获得广泛应用。 但是落塔实验系统实验时间短、实验空间受限等缺点制约了其在航天器实验中的 使用范围。目前为止，还没有公开的文献表明落塔实验系统用于航天器编队飞行 动力学实验。(2)失重飞机实验错误！未找到引用源。根据动力学原理，在地球引力范围内的物体通过加速或减速使得受到的惯性力与重力相抵消时即可实现失重状态，失重飞机就是借助这一原理通过抛物线飞 行实现失重环境的模拟。图1为失

7、重飞机抛物线飞行示意图，这种实验方法主要 用于训练航天员在空间微重力环境下的适应能力，由于其实验精度较低故没有得 以大量使用。图1失重飞机抛物飞行轨迹图目前只有美国、俄罗斯、日本以及欧洲等国家开展过失重飞机飞行实验，值 得一提的是电磁航天器RINGS曾经在失重飞机上进行二维漂浮实验错误!未找到引用源。气浮平台实验气浮平台利用喷射压缩气体产生的反重力抵消卫星模拟器重力，从而实现微 重力环境的建立错误！未找到引用源。气浮平台作为航天器控制仿真手段几乎 与航天器研制同时起步，美国早期的TIROS电视转播卫星利用气浮台进行了章 动阻尼实验；我国东方红一号卫星也利用三轴气浮台进行了天线伸展等实验错误!

8、未找到引用源目前气浮平台已经从单一的姿态模拟发展为姿轨联合模拟，从 简单的模拟实验发展为半物理仿真并逐渐向全物理仿真方向发展。气浮平台用于 航天器相对运动的模拟始于上世纪六十年代，NASA为阿波罗载人登月计划在轨 交会对接任务研制了地面对接实验系统，该系统轴向运动距离0.6m，横向运动 距离土 0.15m主要用于验证对接过程的动力学特性。上世纪八九十年代，航天器编队飞行研究的持续升温促使欧洲和日本先后建 立了 9自由度的半物理仿真实验系统。其中德国宇航中心研制的欧洲近距离操作 仿真器EPOS可以用于模拟12米之内航天器的相对运动错误!未找到引用源。，日本NASDA 于1994年建立9自由度的半

9、物理仿真实验系统并开展交会对接任务研究与地面实验错误！未找到引用源。利用气浮平台进行航天器编队飞行任务的全物理仿真实验系统出现于上世 纪九十年代，美国MIT空间实验室开展的SPHERES (Synchronized Position Hold Engage Reorient Experimental Satellites)计划将多个排球大小的卫星送入太空，同 时保持相互之间精确的位置从而可以组成一个庞大的太空望远镜，用来寻找其它 恒星附近的行星。为了在地面环境模拟这些微小卫星之间的编队飞行及测试控制 算法，MIT在2000年至2007年间开发了数套三自由度气浮台，这些气浮台通过 高压CO2产生

10、气垫浮起在工作台面上，能实现二维的平动及绕垂直轴的转动错误!未找到引用源-错误！未找到引用源。NASA喷气推进实验室也建有自己的基于气浮平台的相对运动仿真系统 (Formation Control Testbed, FCT)，该系统由两个五自由度卫星模拟器与气浮平台 基座组成，其实物图如图2所示，最新资料显示JPL实验室已经完成对五自由度 卫星模拟器的改造使其升级为六自由度从而实现航天器相对运动全自由度的物 理模拟错误！未找到引用源。-错误!未找到引用源。据公开资料显示JPL的相对运动仿真 系统已经用于编队飞行、姿态协同、编队重构等问题的地面实验研究，但是具体 的工程型号及相应的空间任务则未见

11、报道。图2 NASA五自由度气浮仿真试验系统综上所述，气浮平台具有实验时间长、实验仿真度高、实验结果精度高等特 点，故其常常作为航天器近距离相对运动实验的首选实验设备。对于电磁航天器 地面实验而言利用气浮平台建立实验方案具有极高的可行性。液浮实验液浮实验是利用液体浮力平衡重力从而使得物体处于悬浮状态进而建立微 重力实验环境的实验手段错误！未找到引用源液浮实验主要用于训练航天器 空间活动能力与操作能力、验证空间结构安装错误!未找到引用源。、大型结构的空间对接 及组装试验等方面错误!未找到引用源。早在20世纪60年代国外就开展了液浮实验的研 究工作，时至今日液浮实验依旧在不断发展与完善。美国早在2

12、0世纪六十年代就开始液浮实验的研究，并建立了众多液浮实验 系统。1973年美国成功利用地面液浮实验与空间天空实验室协同工作并一举修 复太阳帆板展开问题使得针对液浮实验系统应用前景的研究大幅升温。值得一提 的是哈勃望远镜的修复也是首先在液浮平台中进行模拟试验而后由航天员在空 间加以实施的。俄罗斯也在星城建立了自己的液浮实验系统用以训练航天员，日 本、德国等国家也先后建立自己的液浮实验系统。马里兰大学在研究在轨服务技术的过程中自主开发一套液浮实验系统并取 名为Ranger，图3为马里兰大学的Ranger液浮实验系统实物图。Ranger液浮实 验系统通过自主调节自身空腔体积调节浮力以实现悬浮，并利用

13、机械臂模拟空间 机器人在轨服务过程错误！未找到引用源。图3 Ranger系统实物图我国西北工业大学袁建平、朱占霞教授团队在液浮实验系统的基础上发展并 建立空间环境模拟混合悬浮实验系统(PESS)错误！未找到引用源。-错误！未找 到引用源。，该系统利用液浮实验系统与电磁支撑系统相结合建立地面实验进而 实现空间运动的地面模拟，目前该项目还在持续建设中。液浮实验具有实验时间不受限、实验自由度高等特点，但是由于流体计算及 阻力补偿精度问题限制了其在航天器编队飞行实验中的应用错误！未找到引用 源。德克萨斯大学曾使用液浮法建立电磁自助对接分离项目的地面验证性实验 错误！未找到引用源。，并取得了较好的实验结

14、果。相信随着流体计算及阻力补 偿精度的提高，液浮平台在航天器编队飞行地面实验方面具有广阔的应用前景。综上所述，目前航天器地面实验作为验证空间关键技术的重要手段已经成为 航天器设计研究中的重点。未来航天器中几乎所有的关键技术都需要先在地面环 境下进行实验验证，从而确保在轨验证的顺利开展。结合电磁航天器编队飞行实 验持续时间长、控制力小以及控制力连续等特点，电磁航天器编队飞行地面实验 最适于使用气浮平台开展，下面将对目前已经开展的电磁航天器地面实验进行介 绍。3.2电磁航天器地面实验电磁航天器地面实验是验证电磁航天器可靠性的主要技术手段。由于其对于 电磁航天器的研究具有重要意义，几乎所有电磁航天器

15、研究单位均会配备相应的 电磁航天器地面实验系统用以辅助电磁航天器的开发及关键技术研究。在电磁航天器的地面实验中最具代表性的为麻省理工学院空间系统实验室 所主持的电磁编队飞行项目。该项目配备有EMFF以及pEMFF两套地面实验设 备，用以分别进行十米量级以及米量级条件下电磁航天器的编队飞行技术。 EMFF由气浮平台作为基础实验设备，添加超导电磁线圈用以完成电磁航天器编 队飞行的地面实验模拟。由于气浮平台限制数值方向的自由度，EMFF中的卫星 模拟器仅安装两组相互垂直的超导线圈。在地面实验过程中一个卫星模拟器固定， 另一个在其磁场内利用电磁相互作用完成编队飞行的任务模拟。pEMFF采用普 通线圈，

16、利用气浮轴承建立一维的相对运动实验，验证电磁航天器编队飞行过程 中引力、斥力以及剪力的控制。中国国防科技大学主持的空间电磁对接机构研究为国内最早的电磁航天器 地面实验，因此其对于国内电磁航天器地面实验的开展具有里程碑式的重要意义。 在其地面实验中验证了利用电磁机构实现自主对接的可行性，并利用卫星模拟器 模拟航天器自主交会及电磁机构自主对接全过程。通过对目前已经开展的电磁航天器地面实验进行分析可以发现，电磁航天器 地面实验的建立方法基本相同。首先利用地面实验系统抵消重力影响创造微重力 地面实验环境如，气浮平台系统、液浮平台系统等；而后利用电磁线圈产生电磁 场模拟电磁航天器之间的电磁场相互作用，或

17、开展相关的电磁技术实验；最后配 备相应的辅助系统如：测量系统、冷却系统等以保证地面实验的顺利进行。通过对国内外研究现状的分析可以发现，未来新型电磁航天器的发展有以下 这几个方面的趋势：电磁航天器编队飞行动力学模型与控制方法研究。在分析线圈产生的电磁场时，采用的是电磁场的远场模型，有一定程度的简 化；在分析航天器近距离相对运动时一般采用的是Hill方程，这仅适用于圆参考 轨道较近距离的机动问题；为了拓展电磁航天器编队飞行应用范围，需要在动力 学模型方面展开研究。另外在对电磁航天器进行控制时，其磁矩分配方案不为一， 如何设计磁矩分配方案使得各航天器所需电流相同也需要进行相应的研究。多电磁航天器协同

18、编队控制研究。由于电磁航天器控制力为系统内力，加之其各航天器磁场之间存在相互影响， 故电磁航天器编队飞行的控制策略与常规编队飞行控制方法有所不同。为了实现 稳定的电磁航天器编队飞行，需要对多电磁航天器的编队飞行控制策略问题进行 深入的研究。电磁航天器编队控制策略可以按照顺序每次只对一对卫星加以控制， 但是其误差累计会逐渐增加，另一种控制策略将整个编队中的卫星进行统一的协 同控制从而保证了电磁航天器编队飞行的控制精度。(3 )电磁航天器编队飞行技术应用研究。由于电磁航天器在编队飞行中具有十分巨大的优势，故针对其应用前景的研 究具有极高的实用价值，比如可以用电磁力来改变编队构型，抵消分布式卫星的 相对J2摄动力和阻