空间系外行星探测与研究进展

系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科.其主要研究内容和目标包括,通过发展各种探测技术探测太阳系外行星,分析行星轨道、成分、大气性质,评估行星的宜居性,统计行星的分布规律,从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制.系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义.随着21世纪空间探测技术的发展,系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段.本文分析了系外行星研究领域的发展态势,凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,以推进系外行星研究的快速稳步发展.

近邻宜居行星巡天计划:利用空间天体测量法寻找下一个“地球”

近邻宜居行星巡天计划(Closeby Habitable Exoplanet Survey,CHES)采用空间微角秒级别的高精度天体测量技术,普查太阳系近邻(10 pc内)约100颗FGK等类型恒星,探测宜居带类地行星或超级地球;详细普查宜居行星的数目、真实质量和三维轨道等信息,这将是国际上首次近邻宜居带类地行星的空间探测任务.CHES的有效载荷是一台口径为1.2 m,视场为0.44°×0.44°,焦距为36 m的高像质、低畸变、高稳定光学望远镜,采用同轴三反TMA光学成像系统.为实现宜居带类地行星探测,CHES任务中的测量精度为1μas,是目前国际测量精度最高的空间探测项目.在空间科学先导专项背景型号项目的支持下,CHES团队深入凝练和论证科学目标,成功突破了三项关键技术难题:实现了畸变大视场高像质空间望远镜光学系统技术的重要突破;突破了10–5 pixel级别星间距测量技术;实现了卫星系统高稳定度姿态控制精度及热控精度的创新.CHES预计发现50颗类地行星,引领中国空间科学探测技术的跨越式发展.

天基分布式光学合成孔径技术

宜居带行星探测研究是近年系外行星研究的热点领域之一,探测太阳系附近的宜居行星对研究生命起源等具有重要意义,成为系外行星探测的重要内容.天基分布式合成孔径技术作为系外宜居行星探测的重要手段,已经成为目前前沿光学技术研究的热点方向,但是仍有诸多技术问题需解决.本文从宜居行星搜寻计划的需求出发,根据以迈克尔逊干涉成像为基础的天基分布式合成孔径系统技术原理,介绍了国内外典型分布式合成孔径系统的技术发展,重点分析了实现天基分布式干涉成像所需采用的控制系统和技术,并阐述了解决高精度空间测距、高精度时间同步、多层级位相同步等关键问题的技术要点.为未来大型柔性可重构空间望远系统的建造提供了参考.

《空间科学学报》征稿简则

《空间科学学报》是中国科学院主管,中国科学院国家空间科学中心与中国空间科学学会共同主办的综合性学术刊物。由科学出版社出版,国内外公开发行。刊载的主要内容为与空间领域相关的研究性成果、空间科学和探测计划综述及总体方案。目前为中文核心期刊,接收中英文投稿。1.投稿方式请登录期刊网站(http://wwwcjsac.cn)进行在线投稿。2.稿件评审稿件严格执行主编、副主编初审,同行专家评审,副主编、主编终审的审稿程序。评审过程严格、客观、公正。稿件收到后编辑部将在3个月内予以答复,并及时向作者转达评审意见。

《空间科学学报》征稿简则

《空间科学学报》是中国科学院主管,中国科学院国家空间科学中心与中国空间科学学会共同主办的综合性学术刊物。由科学出版社出版,国内外公开发行。刊载的主要内容为与空间领域相关的研究性成果、空间科学和探测计划综述及总体方案。目前为中文核心期刊,接收中英文投稿。

深空探测自主运行的一种可信性技术体系

未认知与不确定性是深空探测任务的基本特征.本文基于战略导向的体系化基础研究,建立了一种面向科学价值最大化的探测场景和以可靠性为核心技术基础的深空探测自主运行可信性技术体系.分析研究了深空探测场景下的可靠性概念;面向精确感知、最优计算、准确决策、快精准执行的目标要素,提出了深空探测自主运行的可信性体系框架以及“需求-认知-工程”总体技术架构;针对自主运行可信性的关键技术难点,开展了可靠性导向的多物理场、强耦合白盒建模,复杂网络故障传播机制分析,COTS元器件深空探测应用的高可靠保证,以及“模型+数据+知识”一体的融合机制分析等研究.对该技术体系的关键技术验证策略及其最小系统在卫星星座中的应用进行了验证,结果表明,所提出的技术体系具有较高的工程价值.

月面原位水资源获取技术与发展趋势

随着深空探测活动的持续推进,月球探测已成为开展行星际探测的重要部分.月球原位资源利用是保障载人月球探测及月面长期驻留的关键技术途径,中国已将月面原位水获取方法列为月球探测的关键技术之一.月面原位水获取方法主要分为极区水冰勘探开采和月壤氢还原制水两种技术途径.现有勘探到的水冰资源主要位于月球极区,分布不均匀,开采难度大.目前研究提出了多种不同类型的极区水冰勘探开采方法,但实际效果有待月面原位试验验证.月壤加氢还原制水技术方法工作条件不受区域限制,应用范围较广,但仍存在反应条件要求高、能耗大等技术限制,未来需在节能和有效矿物成分富集等方面有所突破.

微重力条件下PCM液桥内固液相变过程及热毛细对流数值模拟

为揭示微重力条件下PCM液桥相变过程流动特征及相变演化规律,建立PCM液桥数理模型,采用数值模拟的方法系统研究了不同工况下PCM液桥相变过程中固液界面的演化过程,分析不同高径比和温差对液桥形状、固液界面演化规律、相变速度和热毛细流动的影响.研究结果显示,在大温差条件下热毛细流动更加强烈,处于外部壁面处的相变材料的相变速度也会更快,外壁处的相变界面与壁面的夹角会更小.大高径比条件下会有同样的效果,同时也会产生更多的涡胞结构,热毛细对流效果更明显.结果表明,微重力条件下通过流体界面热毛细效应强化PCM相变是一种有效的方法.

全球电离层峰值参数的季节变化

针对全球电离层峰值参数的季节变化问题,使用2006-2019年COSMIC掩星电离层月均值数据和小波分析方法分析了全球电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)季节变化特征,结果表明:电离层N_(m)F_(2)和h_(m)F_(2)随地方时、季节、纬度存在显著差异,电离层峰值参数均与太阳活动水平表现出正相关性,月均值相关系数分别达到了0.9和0.8以上;正午电离层N_(m)F_(2)在太阳活动高年期间存在显著年、半年等季节变化特征,午夜基本以年变化为主,且南半球电离层N_(m)F_(2)季节变化特征更为明显;正午电离层h_(m)F_(2)所有年份均存在显著年变化特征,午夜期间季节性变化特征不太明显,且南半球电离层h_(m)F_(2)季节变化特征强于北半球;电离层峰值参数的季节变化规律在太阳活动高年期间更为显著;太阳活动指数和电离层峰值参数中似乎存在25~35个月的周期信号,但未通过显著性检验,综合分析研究认为电离层中的等离子体不会受到QBO现象影响.

小行星探测历史及启示

自1989年美国Galileo探测器在探测木星的途中顺访了小行星951 Gaspra和243 Ida起,小行星探测已经逐渐成为各主要航天国家深空探测的重点目标之一.过去30年,小行星探测任务从飞掠探测到专访探测再到采样返回,探测类型愈加丰富,并逐步从单纯的科学探测发展到小行星防御与资源利用.中国预计在2025年发射天问二号,同时计划开展首次小行星防御任务.在此背景之下,本文详细分析了迄今为止小行星探测任务的历程、科学目标、科学载荷配置以及主要研究成果,并重点研究了日本Hayabusa和Hayabusa 2任务及美国OSIRISREx任务的样品储存管理、分配经验和返回样品实验室初步分析流程,以期对中国未来小行星探测任务的设计和实施提供参考.设计低成本、多频次采样返回任务;统筹任务规划,注重加强任务之间的配合;加强科学团队建设是更好地规划中国未来小行星探测任务的要点.

搜寻第二个地球——系外地球(ET)巡天计划

系外地球科学卫星(ET)将通过采用空间大视场超高精度测光这一关键技术在国际上率先突破生命起源中的系外地球存在及其演化这一重大前沿科学问题. ET卫星将在日地拉格朗日L2点晕(Halo)轨道部署由6台广角凌星望远镜和1台微引力透镜望远镜构成的空间天文台,结合凌星法和微引力透镜法,利用空间超大视场和超高精度的光学测光观测,首次发现富有重要意义、被广泛关注的系外地球,并确定其发生率,对目前了解甚少的类地行星和流浪行星进行国际上第一次大规模的种群普查,首次发现流浪地球,并确定其发生率,揭示类地行星和流浪行星起源,为地外生命探寻提供候选者和新方向. ET卫星的观测结果、统计研究以及和对理论的检验将回答系外地球在宇宙中有多普遍,类地行星是如何形成和演化的,流浪行星又是如何起源的这些亟待解决的前沿科学问题.对ET卫星发现的系外地球样本的后随观测,将精确测量其质量、密度和大气成分,有助于深入分析宜居性特征.此外,对ET新发现的大量各种系外行星样本的研究,以及对理论的检验将推动这些种类的行星形成和演化规律的更深入认识, ET的大量高精度、高频次和长基线测光数据将推动星震学、银河系考古学、时域天文学、双星和双星黑洞等领域的研究.

35 K空间深低温热传输系统性能天地差异

为了解决空间红外探测系统的深低温散热问题,保证红外探测器的低温工作环境,基于脉冲管制冷机和深冷环路热管,设计研制了一套35 K温区的深低温获取与热传输集成系统.该系统由一套35 K温区氖工质深冷环路热管、两台35 K温区脉冲管制冷机、一台150 K温区脉冲管制冷机、隔热冷屏、测温/加热组件、控制系统等组成.完成了地面单机级、整星级热真空测试,并于2020年完成空间飞行测试.在地面单机试验中开展了水平姿态和逆重力恶劣姿态下的传热测试,保证了空间微重力下必定能稳定工作;整星级测试验证了系统在卫星平台散热工况下的工作特性,空间飞行测试获得了系统的空间微重力下的工作性能.本文分析了系统在上述不同阶段的热性能,包括超临界启动特性,稳态运行性能等,验证了相关设计的正确性,重点对比了不同阶段的性能差异,分析其可能的原因.

火星原位建造材料研究进展与展望

火星风化层作为一种重要的原位自然资源,在火星基础设施建设上具有重要作用.基于与地球上不同的火星极端环境与火壤特殊性质,系统研究了火星原位建造材料的物理特征与机械性质,重点分析了火壤类混凝土材料(具体包括含硫混凝土、聚合物混凝土、地聚物混凝土与水凝胶基混凝土)、火壤熔融与烧结原位固化材料两个方面的最新研究进展.尽管目前火星原位建造材料的研究已取得一定成果,但仍面临诸如聚合物混凝土原位制备困难、熔融与烧结过程能耗较大,以及在火星环境下建造材料服役性能不足等局限问题.根据火星原位建造材料在未来的发展方向,研究结果旨在积极推进对火星原位建造材料的深入研究,为实现火星原位建造提供借鉴与参考.

空间机械臂操作子系统设计与实现

空间机械臂作为中国空间站建设和在轨运营的重要平台,具有自由度多、转动惯量大、操作精度高、模式多样等特点.针对空间机械臂在轨任务特点,建立了支持长期在轨、多模式工作的空间机械臂操作子系统.该操作子系统由机械臂操作台、虚拟仿真平台、显示器等构成,可满足多任务需求.通过对操作子系统的架构、工作模式、技术特点的分析,重点研究了操作子系统的多总线体系结构、多模态人机交互技术、力觉渲染算法,并根据地面验证和在轨试验,给出了空间机械臂操作子系统的验证情况.结果表明,空间机械臂操作子系统可有效模拟在轨任务,准确完成对机械臂的控制与精细操作,为支撑空间机械臂任务实施积累了经验和数据.

方柱微结构内气液界面振荡特性数值研究

重力突然下降引起的气液界面振荡和重构对空间流体管理具有重要影响.考虑到贮箱壁面润湿特性在该问题中的重要作用,借鉴传热强化领域方柱微结构表面设计思想,提出一种利用方柱微结构壁面对液体振荡的衰减作用实现空间贮箱被动防晃的方法.采用流体体积法(VOF)对一种方柱微结构形成的异形基本单元内气液界面振荡特性进行数值模拟,分析自由液面随时间的变化特征,并讨论系统振荡频率、阻尼特性等与能量耗散特性密切相关的参数变化规律.研究发现,初始液位主要影响液面振幅,振幅随着初始液位高度的减小而增大,但是液位过低时振荡过程会出现液面触底而加剧耗散;接触角对振幅和阻尼比都有影响,接触角增大,振幅和阻尼比均有所减小.

ICON/MIGHTI与TIMED/SABER探测温度数据的对比

ICON卫星为临近空间环境特性研究、建模和预报提供了新数据.通过对ICON/MIGHTI与TIMED/SABER在90~105 km高度探测温度数据的比较,计算两者的年平均温度偏差和均方根误差,同时分析月平均温度偏差在不同月份中随高度和纬度的分布情况,为MIGHTI和SABER温度探测数据在临近空间大气建模和预报应用提供参考依据.结果表明,MIGHTI和SABER的温度垂直廓线变化趋势基本吻合,数值上有所差异.在12°S-42°N范围内,MIGHTI探测温度与SABER相比,在90~93 km时偏低,偏差最大值约2.5 K,在93~105 km偏高,偏差的绝对值最大约10 K.在不同季节,白天的温度偏差通常高于夜晚.SABER和MIGHTI的月平均温度偏差随季节和纬度的变化显著,夏季时的月平均温度偏差最大,且温度的均方根误差最大.

空间生命学科发展战略研究

空间生命学科是一门致力于研究在空间环境条件下生命起源、演化及其分布,生命现象及其规律的学科.该学科从理论和实验两个层面深入探讨生命起源和早期演化机制,同时也探索地外天体生命的宜居性、存在形式等基本科学问题.随着中国空间站、嫦娥工程和天问系列等大科学计划的实施,中国空间生命科学研究进入了一个高速发展阶段.本文对空间生命领域的发展态势进行了梳理,提炼出了中国未来空间生命学科的重点发展领域,并针对学科布局进行优化,旨在推动空间生命科学研究的高质量发展.

空间啮齿类动物培养装置及实验技术研究进展

空间动物实验是人类空间生命科学研究的重要组成部分.一直以来,空间动物实验为探索地球生物体在航天环境中的生命现象及活动规律、支持载人航天的可持续性发展做出了重要贡献.随着航天工程的发展,航天员在空间驻留的时间越来越长,为解决人类在空间旅行中的健康问题,各国先后开展了空间啮齿类动物实验,研究空间环境给生命体带来的影响,为人类空间飞行提供重要的生理和医学数据.本文研究了国外主流的空间啮齿类动物培养装置,根据各类装置培养动物的存活情况及死亡原因,提出装置的不足与可改进之处;深入分析空间啮齿类动物实验发射前、在轨、返回地面阶段的相关实验技术,为中国空间啮齿类动物培养装置设计及动物实验提供参考.

基于BiLSTM-Attention的F_(10.7)指数预测模型与中国自主数据集的应用

F_(10.7)指数是太阳活动的重要指标,准确预测F_(10.7)指数有助于预防和缓解太阳活动对无线电通信、导航和卫星通信等领域的影响.基于F_(10.7)射电流量的特性,在双向长短时记忆网络(Bidirectional Long Short-Term Memory Network,BiLSTM)基础上融入注意力机制(Attention),提出了一种基于BiLSTM-Attention的F_(10.7)预报模型.在加拿大DRAO数据集上其平均绝对误差(MAE)为5.38,平均绝对百分比误差(MAPE)控制在5%以内,相关系数(R)高达0.987,与其他RNN模型相比拥有优越的预测性能.针对中国廊坊L&S望远镜观测的F_(10.7)数据集,提出了一种转换平均校准(Conversion Average Calibration,CAC)方法进行数据预处理,处理后的数据与DRAO数据集具有较高的相关性.基于该数据集对比分析了RNN系列模型的预报效果,实验结果表明,BiLSTM-Attention和BiLSTM两种模型在预测F_(10.7)指数方面具有较好的优势,表现出较好的预测性能和稳定性.

空间平台与分离式载荷一体化热控设计

随着航天探索需求发展,对组合式航天器通过空间平台在轨完成释放,分离出有效载荷或舱段来实现更复杂功能的需求愈加迫切.空间平台为分离前舱段或载荷提供服务保障.在假设的空间平台和分离式载荷条件下,提出一种空间平台与分离式载荷一体化热控设计,进行热控方案设计,并对载荷存储控温、载荷与平台互相影响、分离时平台温度变化进行热仿真,同时开展初步热真空试验,验证稳态工况下热设计的正确性,并校正热模型以开展更多工况的分析.通过热试验和仿真获得了该设计的温度特性和热量传递特性,数据分析表明该设计合理有效,验证了热耦合的载荷和平台进行独立热试验方法的可行性,可为此类航天器热控制提供依据.