基于稀疏同波束测量的天问一号火星着陆点定位方法

在广义相对论参考框架下,利用天问一号巡视器在着陆火星后与环绕器进行同波束测量,建立了适用于火星着陆点定位计算的测量模型,并根据两目标相对运动关系设计了基于火星时空参考框架的统计定位方法。通过蒙特卡洛仿真打靶,分析了多种误差和测量弧段对着陆点定位精度的影响,其中广义相对论的引力延迟会产生亚米级模型误差,对火星着陆点定位产生约百米级的影响。针对实际火星车测量单一且稀疏的特点,将环绕器定轨与火星车的定位从并行计算调整为串行计算,引入火星数字高程模型约束着陆点定位的高度,提升环绕器轨道精度并压缩计算弧段,最终将火星车着陆点精度从千米量级提升至约300 m。

基于虚拟现实的火星车路径规划方法

火星表面巡视探测具有环境复杂、资源受限等特点,火星车自主避障路径规划是在火星车运动能力约束下,综合安全性和效率,规划能够安全抵达目标位置的最优路径,对开展火星探测具有重要意义。针对火星车路径规划问题,提出一种基于虚拟现实技术的火星车路径规划方法。首先,在分析火星数字高程模型(DEM)数据、坡度处数据、粗糙度数据和阶梯地形数据的基础上,建立火星环境危险度地图;其次,设计集成危险度函数的改进A*算法,在虚拟现实开发引擎Unity3D中开发火星车路径规划系统;最后,对路径规划算法进行仿真验证。实验结果表明,与传统A*算法相比,改进A*算法的危险度显著降低,有效提高了火星车行驶的安全性,验证了虚拟现实技术在火星车路径规划的可行性。

火星表面微生物存活的潜力和限制因素分析

评估微生物在地外行星表面的存活状况是深空探测活动中实施地外生命探测和行星保护的前提条件之一。文章分析了火星表面环境特征及其对微生物存活的影响,以及在火星探测活动中微生物存活的潜力;归整出可用于微生物对火星环境适应性研究的空间模拟平台和地面环境模拟设备,并指出要模拟真实火星环境仍需改进多功能模拟设备。研究微生物在火星环境中存活和适应机制对于地外生命探测、地外生物安全风险评估以及深空探测工程应用有重要意义。

基于非监督对比学习的火星地形特征提取方法

火星表面地形智能识别对火星车自主探测具有重要意义,火星地形图像的特征提取方法目前主要分为传统的浅层视觉特征提取和基于监督学习的深层特征提取2类。找回丢失图像信息、获取大量带标签数据是要解决的关键问题。为此,提出一种基于非监督对比学习的火星地形特征识别方法,通过建立图像字典数据集,用“问询”和“编码”2组神经网络分别将单个图像与“字典”数据集中其他图像进行对比,用相似度泛函作为损失函数对网络进行训练,从而实现对火星地形图像的特征识别。所提方法还具有对训练数据集之外的新类型地形图像识别能力,后续识别分类优越性突出。仿真结果表明:所提方法识别准确率为85.4%,对新类型地形图像的识别准确率为84.5%。

火星资源赋存状况及其原位利用技术研究进展与展望

太空资源的勘探及利用是深空探测的重要目的之一。火星是人类最容易到达和资源利用最为迫切的行星,对火星资源进行勘查和原位利用是未来火星载人探测及基地建设需要解决的重要问题。本文对火星大气资源、水资源、土壤与岩石矿物资源、风能与太阳能资源等可利用资源的类型及赋存状况进行了分析,制作了火星资源的全球分布图,并从资源分布的角度提出了未来火星资源探测及火星基地建设的首选区域。同时,本文也总结了火星原位资源利用技术的研究进展及问题,认为未来需要从以下几个方面开展进一步研究:加强火星资源的针对性勘查与评估;开发新的资源利用模式与技术;建立资源利用成本的综合评估模型;完善资源开发与利用相关的法律法规。

火星样品返回任务中样品捕获定向概念与验证

针对火星样品返回任务中样品捕获回收概念,提出了一种样品捕获定向系统架构,以实现火星轨道样品容器的在轨捕获、姿态定向,并将样品容器转移到封装桶内。该方案使用捕获盖进行样品容器的捕获;4个扇面形成可收缩的捕获空间,用于约束定位样品容器;扇面上的传送带与样品容器接触,利用摩擦力与突出挡条带动样品容器运动,传送带相互协同传动用于实现样品容器姿态回正,并转移到封装桶内。为了准确实现样品定向与直线转移,基于扇面转角测量信号制定了扇面与传送带的协调动作策略。设计和研制了样品捕获定向机构样机,测试验证了样品捕获、定向和转移功能。该机构具有质量小(<12 kg)、定向与转移功能集成度高、样品容器姿态回正适应性强、转移可靠性高等特点,可应用于火星样品返回任务。

基于地球河流扇预测模型的火星地表水径流量预测

【目的】火星表面的水活动地质历史一直是科学界关心的热点,直接影响着火星探测的研究方向。【方法】根据火星和地球的可对比性,建立了融合345个地球现代河流扇沉积的数据集并形成了高精度扇体面积预测模型,从而识别火星上的河流扇沉积,预测火星河流扇发育期的地表水径流量。【结果】结果表示,在火星南部高地霍尔顿陨石坑附近识别出一个面积约84.35 km^(2)的典型河流扇沉积,并反向预测出该扇体形成需要的年平均地表水径流量为1.8828×10^(6)m^(3),推测出该区域径流量不是由单一降水构成,为雪山(冰川)融水和降水多种来源。【结论】该成果是河流扇研究在行星沉积学中的应用,为进一步深入研究火星和其他天体地表水活动提供了新的方法。

火星低密度大气条件下超声速降落伞充气过程研究

降落伞充气过程是火星探测器着陆过程中最为关键的环节,该文推导建立了考虑火星稀薄大气环境、超声速工作条件的降落伞充气过程计算流体动力学和结构动力学模型,流场求解采用可压缩流场模型,结构动力学采用伞系统多节点质量阻尼弹簧模型,通过计算得到某时间节点处的流场,将该流场中的压力数据引入伞系统质量阻尼弹簧模型,从而获得下一时间节点的伞衣形状,最后得到充气过程中伞衣形状和流场之间的动态关系,从而模拟了在这种条件下的降落伞充气过程。将仿真计算结果与飞行试验结果进行对比分析,两者的一致性很好,证明了所建立的数学模型的正确性。研究表明:开伞动载达到峰值后有明显的振动,振动频率只与降落伞自身特性有关;伞衣张开的速度呈现出先慢后快的特点;在初始速度相同的情况下,随着大气密度的增加,开伞动载峰值增大;在初始动压相同的情况下,随着大气密度的增加,开伞动载峰值减小。

第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛:地月空间助力火星移民和近地小行星探测

本文首先简要介绍了全国(中国)空间轨道设计竞赛的发展概况和第十二届全国(中国)空间轨道设计竞赛题目的研究背景。然后介绍并解读了“可重复使用地火运输空间站火星移民”“可重复使用探测器飞越探测近地小行星”两组竞赛题目,回顾了竞赛组织历程,分析了竞赛最终提交结果。最后简要陈述了赛后交流和研讨情况以及总结和展望。此外,文中各章节对本竞赛区别于其他学科竞赛的若干特色也进行了简要陈述。

火星探测器进入过程防热层温度测量方法

火星探测器进入过程中的防热层烧蚀温度是防热结构设计和气动热环境辨识的关键参数之一。为了满足防热层温度在轨测量的需求,提出采用柱塞式结构大底分层测温探头和U形结构背罩测温探头,与电缆和多通道温度变换器共同组成温度传感器进行在轨测温的方法。设计内容包括测温探头热电偶元件选取、结构形式和安装方式,以及信号集中放大变换和自动冷端补偿等。开展全量程标定和风洞专项试验验证,证明所设计的温度传感器可以实现1300℃以下烧蚀温度变化全过程测量,测量精度达到0.28%。该温度传感器已在我国首次火星探测任务“天问一号”探测器的着陆巡视器上成功应用,可为进/再入航天器烧蚀温度在轨测量的实施提供借鉴和参考。

火星神图像论略

在中国绘画史上,从唐代至清代,并行流传着两种类型的火星神,一种是驴首冠形,另一种是驴首且骑驴形。驴首冠形的火星神主要出现在佛教和道教题材壁画中,在流传过程中,其形象逐渐发生了变化,主要是驴首冠逐渐消失,绘画的主体主要为民间画工。驴首且骑驴形的火星神一直未发生变化,绘画的主体主要为名画家或宫廷画工。至于出现这两种类型的火星神的原因,主要是与二者所依据的文献及其功能有关。

火星表面硫酸盐探测与研究进展

作为太阳系类地行星中与地球最为类似的一颗行星,火星是人类深空探测的重要目标,也是未来太空移民的主要候选星球。火星探测至今已有60多年的历史,到目前共有47次探测任务对火星开展探测并取得了一系列重要科学发现。硫酸盐作为火星表面水蚀变/水岩作用重要的产物,对其展开研究可以深入了解火星水演化历史和气候变化特征,助力评估地表环境宜居性和生命痕迹的可能性等重大科学问题。本文主要回顾了火星硫酸盐的轨道遥感与就位探测研究进展,探讨了硫酸盐模拟实验研究的科学意义以及硫酸盐对未来火星资源利用的重要价值,以期为未来火星探测任务和火星科研站建设提供有益参考。

火星无人机实验台发展综述及构想

火星地表崎岖、环境复杂,火星无人机由于其具有高机动性和灵活性,为火星探测提供了一种新的工作模式,是未来深空探测的重要范式。本文对比了火星与地球相关地表环境参数的差异,分析了火星无人机需要克服的困难和主要用途,阐明了火星无人机实验台的重要性;详细介绍了国内外研究机构研发火星无人机实验台的技术特点与功能优劣,总结了实验台需要具备的模拟火星环境和测量相关参数。在此基础上,提出了构建火星无人机实验台设想,给出了总体设计思想和思路,并对火星无人机气动力学实验平台的应用前景进行了展望。

火星探测的主要科学问题

在太阳系的行星中,火星与地球之间存在最多的相似之处,因此,火星是一颗承载人类最多梦想的星球。火星有水和生命存在的问题,激发了人类火星探索的好奇心,成为人类持续探测火星的推动力。火星的起源和演化与太阳系形成过程的关系,火星与类地行星的共性和特性,是当代行星科学研究的重要内容。为了人类社会的可持续发展,火星可否改造成为适宜人类居住的绿色星球——这些是人类在火星探测中必须面对的重大科学问题。只有这些重大科学问题被一一解答,我们才能清晰地去思考地球和人类自身的未来!

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.

火星表面起飞上升热控技术研究与分析

火星表面起飞上升热控技术是火星取样返回探测的关键技术,涉及探测器在火星表面存储控温、火星表面起飞上升控温及火星在轨飞行控温等,具有温度指标要求高、控温维度大、资源紧张的特点。本文对国内外主要火星车及美国航空航天局(NASA)火星上升器的热控方案进行了调研和总结。分析表明火星表面探测器热控技术根据资源分配情况主要采用2种方式:当热控质量受限不明显时,可采用机械泵驱动流体回路技术配合常规热控措施,对大热耗单机进行热量收集和传输,实现废热的再利用;当热控质量受限严重时,需采用轻量化低功耗的控温措施,可采用复合纳米气凝胶隔热技术配合常规热控措施,高效隔绝火星表面低温对流环境,实现低功耗控温。随后提出了火星表面起飞上升的热控关键技术,主要包括纳米气凝胶隔热技术、火星原位资源隔热技术、机械泵驱动两相流体回路技术、气动热防护技术及热试验模拟技术等,可为后续火星探测提供一定的参考。

火星进入流场特性中红外吸收光谱诊断研究

火星探索项目是我国深空探测工程的重要组成部分,“天问一号”2021年成功着陆火星,是中国航天在火星探索研究迈出的一大步。火星大气的气氛主要以二氧化碳为主,表面气压远低于地球大气,由于大气成分和进入轨道的差异,火星进入器面临的热环境同地球返回器有很大不同,其进入过程为非空气介质的高速流动,将产生严重的气动防热问题。利用电弧风洞模拟火星进入器气动加热环境,是开展火星探测防热系统设计的关键。电弧风洞模拟火星进入高温过程,其主要过程是CO_(2)主导的离解反应,并且CO等高温离解组分与火星进入器防热材料相互作用,产生的催化效应会显著影响气动热环境。利用中红外量子级联激光吸收光谱测量技术,开展电弧加热火星进入流场特性的在线定量研究。电弧加热在线诊断研究利用CO在4.5μm附近中心波长为2212.625 cm^(-1)(v″=0,R(19))的谱线,实现了对火星地面流场的高信噪比测量,采用单线-直接吸收光谱诊断技术获得了自由流静温和关键组分CO摩尔浓度的实时测量结果。典型状态下,火星进入流场自由流静温和CO摩尔组分浓度在整个运行时间内保持稳定,显示出电弧加热流场良好的稳定性。六组重复试验显示自由流静温和CO摩尔组分浓度分别在(1757±69)K和(0.189±0.027)范围内,自由流温度波动≤3.9%,CO组分浓度波动≤14.3%,证明电弧风洞建立的火星地面流场具有非常好的重复性。基于该研究发展的电弧风洞中红外激光吸收光谱诊断技术,可以为研究火星进入器气动热环境和防热材料烧蚀-催化特性提供精细化测量能力。

火星探测热防护系统传感测量技术进展与启示

当前对于火星进入、下降与着陆过程(entry,descent and landing,EDL)气动环境认知不足,任务风险高。在EDL系统上搭载传感仪器进行飞行数据测量,重建火星大气和气动热环境,并开展充分全面的地面验证是验证科学设计工具和降低未来火星EDL任务风险的有效途径,对任务成功与否至关重要。本文首先回顾了人类火星探测任务的发展历程,明确设置热防护传感系统的必要性;然后系统总结了美国两次火星着陆任务MSL、Mars 2020,欧洲ExoMars2016任务和中国天问一号任务所搭载的EDL热防护传感系统的体系构成,以及为满足任务要求,如何进行仪器选择与布局;归纳了4次任务飞行数据的重建方法、关键技术和结果结论;最后给出了EDL热防护传感系统总结的经验、面临的技术难题和未来发展建议。

火星弓激波上游离子回旋波的观测研究

离子回旋波广泛分布于火星弓激波上游,在卫星坐标系下其频率接近当地质子回旋频率,准平行于背景磁场方向传播,与在火星外逸层太阳风拾起新生H离子有关。该文基于磁流体理论,对MAVEN探测器观测到的离子回旋波进行事例分析,通过对等离子体密度扰动、速度扰动以及磁场扰动的参数拟合,发现该离子回旋波事件可用斜传播的快磁声波与平行传播的阿尔文波的叠加来解释。该文有助于进一步理解火星上游所观测到的离子回旋波相关扰动的物理本质,对其中等离子体物理过程的重新建模和数值模拟具有指导意义。

火星弓激波上游高能拾起氧离子实例分析

火星外逸层中的氧原子(O)经光致电离、电荷交换或电子碰撞产生氧离子(O^(+)),新生O^(+)随即被太阳风拾起,进而被对流电场加速.这些O^(+)被称为“拾起”O^(+).2018年11月17日08∶54∶00—10∶24∶00 UT期间,火星大气和挥发物演化任务(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN,MAVEN)卫星从上游太阳风进入磁鞘中,持续观测到背离太阳运动的高能拾起O^(+)(约30 keV),在相空间呈现为初速度不为零的部分环分布.分析表明:这部分高能O^(+)的初始能量较高,回旋半径较大,位于摆线运动的高能区域,穿越火星弓激波进入磁鞘,离子在该范围内能量变化不显著,只是使得相应环分布在穿越弓激波后发生偏转.这些结果有助于进一步认识火星空间高能拾起O^(+)的产生与运动轨迹.