月球熔岩管探测与开发方案设计

在总结前期探测成果和前人研究的基础上,结合对地球熔岩管洞穴的实地考察,深入分析月球熔岩管洞穴的探测开发价值与挑战。结合月球遥感探测数据,针对不同洞口构造的熔岩管,以中丰富海及静海两个典型熔岩管洞穴为案例,构建了由月面平台、探测器及自主机器人等组成的联合探测方案。围绕未来建设月球熔岩管洞穴基地的目标,深入分析熔岩管洞穴开发建设需求与挑战,进一步提出了熔岩管洞穴内部场坪建设、通信能源部署以及居住设施建造方案。

月球空间天气探测与研究进展

稳定的天体地质构造、与地球合适的距离、无稠密大气和全球磁场,使得月球成为日地月空间天气监测和研究的天然优良实验室。回顾了国内外月球空间天气探测和研究进展,梳理了月球空间天气关键科学问题及预报应用问题,提出了建立月球空间天气监测站的构想,明确了监测站具体科学目标,并介绍了监测站三大系统构成及相互关系,包括监测系统、科学研究系统以及建模与预报系统。建立月球空间天气监测站对研究太阳爆发活动、日地月耦合关系以及月球局地环境的变化具有重要的科学意义,也有利于促进月球空间天气建模和预报技术的发展,提升未来月球科研探索任务空间环境保障能力。

月球测绘在月球探测中的应用

根据探月历史概述了月球测绘与月球探测的关系、月球探测的焦点和我国探月计划;分析研究了月球 测绘的关键技术;论述了月球测绘在月球探测中的应用。

载人月球探测科学研究发展概述与趋势分析

月球是具有重要科学价值与战略价值的自然天体,开展载人月球探测,实现中国人首次登陆地外天体,将成为航天强国建设的重要标志。在载人月球探测过程中,可利用月球特殊条件及资源,开展有人参与的科学研究活动,获取月球科学、月基科学和月球资源利用等方面的研究成果。首先回顾了阿波罗计划、阿尔忒弥斯计划、嫦娥工程等月球探测任务,针对其中的科学研究任务实施情况及关键成果进行了总结,并分析了后续载人月球科学任务发展趋势。在此基础上,对人类在开展未来载人月球探测任务过程中重点部署的方向提出了建议,涉及月球样品采集、月球科学探测,以及月球原位资源利用等方面。对载人月球探测科学研究发展趋势的分析及建议,可为未来载人登月相关论证设计提供参考。

月球站所的法律地位浅析

目前,月球活动正进入新的阶段——月球站所的筹备与建设。然而,现有相关国际法规范尚需完善,其中月球站所的法律地位是需首要考虑的问题。对月球站所法律地位问题的思考始于月球站所活动的特殊性:以人类社会的可持续发展为长远目标,开展于天体之上,将对天体表面固定区域进行使用且产生事实上的活动范围。合乎《外空条约》的月球站所建设是为全人类谋福利的自由探索和利用月球的活动,不存在既排他又永久地使用月球表面区域的情形,且在互惠基础上对他国开放。为此,建议在国际月球科研站活动中考虑“非排他”和“有时限”二者择一的规范路径以履行相应的国际法义务,并且明确国际月球科研站对他国开放的“互惠”前提与“参观”范畴。同时,需将月球站所的四个方面作为判断其法律地位的具体考量因素,即月球站所的使用目的与活动范围大小,月球站所的可移动性,月球站所的使用期限以及月球站所信息的通知、更新与公开。

月球探测器鲁棒环形山检测及光学导航方法

针对月球探测器环形山检测方法受光照影响、鲁棒性差的问题,本文提出一种基于极大熵阈值三值化的鲁棒环形山检测算法。采用不同滤波核对图像进行去噪平滑,然后对处理后的图像进行极大熵阈值分割、将图像信息三值化,去除图像对光源的敏感性,同时最大程度保留图像信息;提出一种归一化多指标约束环形山匹配和拟合方法完成环形山提取,将环形山提取算法应用于光学导航中进行打靶实验验证算法实时性表现。仿真结果表明:与传统基于形态学或自适应边缘检测的方法相比,本文方法在较大尺度条件下提取出连续、光滑的环形山边缘,有效环形山数量提升35%以上,同时实时性更好、计算消耗降低40%;基于鲁棒环形山提取的光学导航算法实时性更好。

月球环境模拟设备研究及发展分析

月球环境模拟设备能够模拟月球表面的温度、真空及月尘等环境因素,以便在地面开展相关科学研究和试验验证。本文对月球环境模拟设备的发展现状进行了跟踪研究,结合国内外月球环境模拟设备的研制和使用情况,梳理出月球环境模拟设备研制的关键技术,并针对未来载人月球探测活动所需的月球环境模拟设备提出了发展建议。

月球地形测绘和月球大地测量(5)

主要介绍月球地形测绘和月球大地测量的情况。第一部分论述了月球大地测量(Selenodesy)的定义和方法。月球大地测量的一个特点是它的观测数据绝大部分都要依靠航天探测器或环月、绕月卫星来获取。月球大地测量的内容可以考虑有三个方面:一是在月球上给出一个有确定定义的坐标参考系,并在其中布测一个控制网;二是确定这一月球参考系的大地测量几何和物理常数;三是求定月球的外部重力场。第二部分介绍月球地形测绘。重点介绍了月球地形的特点,它大体分为月海、月陆、环形山等三种类型。

“载人月球探测月面机器人技术”专刊编者按

2023年,中国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施,计划于2030年前实现中国人首次登陆月球。重返月球、开发月球资源、建立月球基地已成为世界航天活动的必然趋势和竞争热点。月面机器人具有环境适应性好、工作时间长和安全性高等特点,可以辅助航天员开展更长时间、更广区域的月面作业。未来,月面机器人将在人机联合作业、月面科学探测、原位资源利用和月面设施建造等任务中发挥重要作用。

月球资源开发利用的进展与展望

中国探月工程“绕、落、回”三步走圆满收官,后续将建立国际月球科研站,并进一步规划建立月球基地。月球探测任务由探测勘察进入到开发利用新阶段,月面资源的勘查、开发和利用是未来月球探测的重点任务。总结了月球资源开发利用方面的国内外重要进展,涉及月球资源勘探、水冰等挥发分分析、月球矿物冶炼与材料制备、月面建造与月壤3D打印等四个方面。同时,月球资源开发利用面临极端月面环境、独特月壤理化特性、全流程无人自主控制等重大挑战,为解决这些问题,提出了未来月球资源开发利用的重点任务和研究思路,可为后续科学研究和工程任务实施提供参考。

月球样品的中子活化分析技术研究

月球的起源是月球研究的核心问题。月球探测任务返回的数据和样品极大地提高了人类对地月系统的认知,同时也发现了更多未解之谜,亟待未来的探测任务和科学研究来解答。嫦娥五号月壤是我国首次地外天体采集返回的样品,也是继美国和苏联探月采样任务45年后人类再次获得的月球样品。鉴于月球样品的珍贵性和特殊性,利用先进技术开展其全元素含量的非破坏精准分析对于认识月球演化和月球资源就地开发利用具有重要的意义。依托大型核反应研究堆和加速器中子注量率优势,利用中子活化分析技术可实现月球样品中的全元素非破坏分析:1)仪器中子活化分析技术(INAA)可测量Na—U元素之间的60余种元素;2)瞬发γ中子活化分析技术(PGNAA)可补充测量INAA不适合测量的元素如H、B、C、N等;3)中子深度剖面分析技术(NDP)可测量样品近表面(微米级)聚变能源3He的浓度深度分布;4)缓发中子测量技术(DNC)可定量样品中痕量裂变核素如^(235)U和^(239)Pu,并结合INAA可测量238U/235U同位素比值;5)14 MeV快中子活化分析技术(FNAA)可测量INAA和PGNAA不灵敏或不适合测量的元素如O、Si、P等。因此,中子活化分析技术(NAA)可有效解决月球样品中全元素、非破坏和精准测量问题,为我国深空探测珍贵样品研究提供核分析技术支撑。

月球探测的历史现状及未来

月球是地球唯一的天然卫星,是距离地球最近的天体.它一直是人类观察和研究的对象,远古时代,人类只能用肉眼观看天体,明亮的月亮和闪烁的繁星曾让人们放飞无数个遐想.几百年来,月亮的神秘和美丽曾让许多科学家呕心沥血.……

面向月球科研站资源支持的永久阴影区水冰红外遥感探测方法研究

水冰是支撑国际月球科研站建设和运行所需的重要资源。红外遥感是探测月球水冰的重要手段,但却难以直接用于无阳光直射的永久阴影区。提出了一种基于光照散射强度模型的阴影区光谱信息校正方法,并构建了基于光谱吸收特征的水冰探测方法,实现了对于永久阴影区水冰信号的探测。应用该方法对月球南极沙克尔顿(Shackleton)和诺比利(Nobili)撞击坑进行分析,发现它们内部的永久阴影区存在水冰信号。该研究有望为国际月球研究站的选址和建设提供借鉴。

月球形状及其重力场

本文首先从测绘科学与技术在月球探测中的应用角度,对月球形状及重力场的研究进展、获取方法及代表性成果进行了综述;进而针对现有的月球DEM及重力场模型中存在的主要问题进行分析,并提出了解决方案;最后结合各国的探月计划和我国正在实施的“嫦娥”四期工程,对月球形状和重力场研究面临的机遇和挑战进行了展望。

月球表面及月壤内温度分布特征的数值模拟

文章建立了月表辐射与月壤内二维非稳态导热的耦合传热模型,采用控制容积法数值模拟月壤内的温度分布,主要研究了月表、月壤内温度的分布和变化规律及探测器对局部月表温度的影响。计算结果表明一昼夜期间月壤内存在明显的温差:浅层月壤处的昼夜温差较大且受纬度的影响明显;随着深度的增加,月壤昼夜温差降低并趋于稳定,且受纬度的影响较小。探测器的存在遮挡了月表接受的太阳辐射,导致其阴影区域内月表温度发生突变,新的平衡温度接近探测器底面温度,且受探测器驻留时间的影响较小;当探测器移开,月表温度又迅速恢复到原有的变化规律。

月球地质形貌及其环境概述

文章重点介绍了月球的地质形貌和月球环境.针对在月球上建立生产基地和居住基地,提出了需要重点开展的一些研究工作.

基于模型的载人月球探测人机功能分配方法研究

针对载人月球探测任务飞行模式复杂、各阶段衔接紧密、活动间关联性强的特点,为确保人参与到系统中去,引入基于模型的系统工程(MBSE)对载人月球探测任务总体设计中人机功能分配进行设计与验证研究,提出了一种基于模型的载人月球探测人机功能分配方法。考虑载人月球探测活动中人机功能分配是一个不断反复、连续的决策过程,从人因需求指标体系出发,引入MBSE阐述载人月球探测任务系统建模方法,并基于系统模型实现月面科考载人月球车驾驶场景下的人机(航天员-月球车)功能分配合理化。通过模型化载人月球探测人机功能分配过程,合理分配人、机作业,使航天员处于合适的工作负荷状态,以简化系统设计、操作的复杂性,提高整个系统的机动灵活性和安全可靠性。

月球弹簧回复式绳驱采样机械臂的设计及试验

针对深低温、低重力环境的月壤采样任务,设计并研制了一种功耗低、重量轻、结构简单、可靠性高的四自由度绳驱机械臂。将驱动绳索安装在臂杆末端,较大程度地减小了机械臂的功耗;在关节2、3处安装扭转弹簧,通过弹簧扭力给机械臂末端提供超过20 N的下压力;针对深低温环境,匹配了不同材料的配合间隙,提高了机械臂的可靠性;建立并验证了机械臂运动学模型的正确性。采样路径的仿真结果表明机械臂可完成采样任务。采用半闭环控制策略对样机的各独立关节进行了位置阶跃试验和正弦轨迹跟踪试验,试验结果表明各关节具备较高的响应速度、良好的稳定性和轨迹跟踪能力。

月球背面无人自动采样返回任务分析与要点设计

嫦娥六号任务是实现人类首次月球背面采样返回的任务。针对月球背面整体地形崎岖、可选平坦采样区少的特点,通过开展采样区选址分析,选取了南极艾特肯盆地阿波罗坑内的主、备两块着陆区,确保月背安全可靠着陆、起飞和月面工作;针对嫦娥六号在产品技术状态基本确定情况下实现新的任务目标,需要开展系统方案优化设计,减少系统的改动量,规避过多技术状态更改带来的工程实现风险,通过开展方案比较确定了逆行环月轨道飞行方案,在保证实现任务目标的前提下实现了系统更少的更改;针对嫦娥六号中继测控时长相对嫦娥五号减少且不连续的特点,提出了分阶段、多自主、中继联合协同的月面工作时序设计方案,确保着陆、起飞和月面工作可靠、高效实施;针对载荷搭载需求,提出了以数据处理单元作为核心的系统设计方案,确保系统信息接口、电气接口的安全性,并对不同载荷设计了定制式探测模式,在保证不影响主任务完成的前提下,实现探测收益的最大化。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用,确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功,并可为后续月球及深空探测任务提供有益的参考。

基于星星双中继的国际月球科研站的全时无缝通信

2021年中国提出与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设的建议,引起多方广泛关注,国际月球科研站工程建设按计划顺利推进.国际月球科研站建设完成后,与中国地面控制中心间保持全时无缝通信将是重要需求.中国地面深空测控网设立的国外站,长期来看可能存在一定风险,例如降低中国地面深空测控网的可用性,影响国际月球科研站与地面控制中心间的全时通信.为此,根据中国对月探测现状,借鉴天链中继卫星系统的设计、建设、应用、发展实际,提出一个“鹊桥–天链”星星双中继通信设想.从几何可见性角度进行多种条件的覆盖仿真分析,并从传输体制、链路设计、系统组成、捕获跟踪、工作流程、整体定位等多方面进行研究分析,初步完成了基于星星双中继的国际月球科研站全时无缝通信研究.在地面控制中心统一控制下,通过地面深空测控网、星星双中继的综合利用,国际月球科研站与地面控制中心间的全时无缝通信将具备完全实现的技术基础.此外,该设想也可为地月空间、行星际探测的其他航天器通信提供借鉴,并可进一步促进中国地基测控网、天基测控网和深空测控网的融合发展.