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.

无传动间隙的3K行星齿轮减速器设计

3K行星齿轮减速器的啮合齿轮副存在齿侧间隙,使得传动链中引入了传动间隙,导致传动精度降低以及换向冲击。为消除3K行星齿轮减速器的传动间隙,利用3K行星齿轮传动中行星架不参与力矩传递的特性,提出了一种柔性行星架以消除传动间隙,并通过仿真分析验证了所提消隙机构的有效性。通过配齿及效率优化实现了高效的正向和反向传动。研制样机并进行了传动精度、滞回特性、正弦响应误差、正向传动效率、反向传动效率以及反向启动扭矩测试,结果验证了所提柔性行星架对消除3K行星齿轮减速器传动间隙、提高传动精度和传动效率以及提高反向传动性能的有效性。

活动小行星311P/PANSTARRS的动力学特性分析

311P/PANSTARRS是一颗活动小行星,具有小行星和彗星的双重特征,是中国``天问二号'的探测目标之一.311P/PANSTARRS直径较小,约为400 m,非引力效应可能会对其长期动力学演化产生较大的影响.通过假定不同表面组分,研究了Yarkovsky效应对311P/PANSTARRS轨道演化的影响,讨论了密近交汇、非破坏性碰撞和YORP(Yarkovsky-O'Keefe-Radzievskii-Paddack)效应等非引力效应,计算了小行星与大行星密近交汇及碰撞概率,估计了311P/PANSTARRS达到自转周期分裂极限的时标.模拟结果显示与纯引力模型相比,Yarkovsky效应可能会加快311P/PANSTARRS离开当前共振区域,大约在10Myr以后311P/PANSTARRS会离开当前所在共振带,在表面覆盖风化层的情况下有机会通过v6长期共振成为越火小行星;在考虑YORP效应的情况下,311P/PANSTARRS在2 Myr时标内可达到自转周期分裂极限;在考虑Yarkovsky效应及YORP效应等因素的情况下,311P/PANSTARRS在10 Myr时标内仍可保持其动力学稳定性,且YORP效应不会显著影响其半长径偏移量.

恒星活动与系外宜居行星探索卫星——“紫瞳”科学卫星

生命从哪里来?人类在宇宙中是否独一无二?这些都是各国科学界研究的重大科学问题。恒星辐射与活动性是决定行星宜居性的关键因素。本文提出的科学卫星“紫瞳”,瞄准了系外宜居行星探测等重大科学问题,首次在近紫外-可见光双波段开展恒星活动观测与系外行星搜寻,并期望在“另一个地球”搜寻上取得重大突破。“紫瞳”载荷为4个共视场(10°×10°)的30 cm口径望远镜,等效口径50 cm。“紫瞳”主要科学目标包括:对1000多万颗恒星开展活动性监测,揭示恒星活动性规律;发现2000多颗系外行星候选体,揭示热行星的大气特征;发现红矮星周围的“另一个地球”。此外,“紫瞳”在太阳系小天体探测、暂现源监测、超大质量黑洞搜寻和刻画、引力波对应体搜寻等时域天文学领域也发挥着重要作用,帮助理解宇宙中极端高能事件的物理机制。

重载行星轮系安装误差对系统均载性能的影响

行星轮安装误差的存在会导致行星轮系产生不均载问题,进而会影响减速器的传动性能和寿命。以往的研究未明确定义不同角度下的安装误差对系统均载性能的影响,并且关于多行星轮对系统均载影响的研究(在不同安装误差和不同输入功率下)也较少。为此,研究了实际应用中行星轮系安装误差对系统均载性能的影响。首先,以重载四行星轮系为研究对象,建立了行星轮径向和切向安装误差的综合误差表达形式;然后,基于轮系的传动模型,分析了单行星轮不同安装误差角和误差数值对系统均载的影响;最后,在单行星轮的基础上分析了不同工况和误差配置下多行星轮对系统均载的影响。研究结果表明:行星轮的切向安装误差对系统均载影响最大,径向安装误差对系统均载影响最小,当单行星轮安装误差数值为60μm,安装误差角θ从径向往切向方向靠近时,行星系统的均载系数增大了9.6%;误差绝对值越大,均载系数越大,当单行星轮安装误差数值从-30μm到-60μm时,系统的均载系数增大了4.6%;多行星轮存在切向安装误差对系统均载的影响可以用有效误差来衡量;齿轮承载范围内,随着输入功率的增大,安装误差对系统均载的影响逐渐减小。

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.

类地行星低阶重力场、自转与内部圈层结构研究进展

低阶重力场和自转参数是类地行星内部结构的函数且指示着其物质成分与演化,一直是深空探测的首要目标.行星自转状态能够直接揭示行星核的密度和大小.随着深空探测数据的逐渐积累和精度的不断提高,低阶重力场和自转观测在行星内部结构,尤其是行星核方面的研究取得了一系列重要进展.本文首先介绍行星主惯性矩张量的基本理论与计算方法,接着介绍行星自转动力学基本理论以及与行星内部结构密切相关的行星自转简正模,并介绍利用低阶重力位系数求解行星主惯性矩张量的方法.本文还总结了利用有限的自转观测和低阶重力场观测确定行星平均密度和平均惯性矩的研究现状,以及反演行星内部结构的基本方法.最后,本文对目前利用低阶重力场、自转观测反演行星和小行星等内部结构方面存在的问题进行了总结与展望,希望为我国未来的深空探测计划提供科学参考与理论支持.

近地小行星材料特性对激光烧蚀驱动效率的影响试验分析

基于激光驱动效果和小行星材料特性密切相关的问题,针对脉冲激光对近地小行星物质的烧蚀驱动效率开展了试验研究,选用不同材质、孔隙率的类小行星试验样品,开展了冲量耦合规律测量试验。试验结果表明:在脉冲激光烧蚀的作用下,C型小行星比S型小行星具有更高的冲量耦合效率;随着小行星孔隙率的升高,冲量耦合效率降低,激光烧蚀驱动的效率下降。此外,还对激光烧蚀类小行星物质质量变化的规律进行试验,试验结果表明存在使得小行星质量烧蚀效率最佳的激光功率密度。对于需长期预警时间的威胁小行星,在烧蚀驱动偏转其轨道的同时,以最快的速率减少其质量,可进一步提升防御效率,实现防御的目的。

“赫拉”小行星撞击探测任务浅析

“赫拉”(Hera)任务是由欧空局(ESA)主导并与美国国家航空航天局(NASA)合作开展的行星防御任务之一,通过对“双小行星重定向测试”(Double Asteroid Redirection Test,DART)任务撞击的“迪蒂莫斯”(Didymos)双星小行星系统开展近距离探测、物理特性表征及精确定轨等工作,从而实现撞击后小行星偏转评估、撞击坑产生和演化评估、撞击过程能量传递效率的评估,以此验证撞击防御的有效性并为后续合理有效的撞击防御方案设计提供重要的数据支撑。此外,任务通过撞击翻出的小行星表层以下物质的探测进一步研究太阳系早期小行星形成过程等科学问题。本文概述“赫拉”探测任务探测器设计、载荷配置、立方星设计、任务过程等工程实施特点,针对未来中国小行星防御技术的发展和规划提出思考和建议。

高开采价值小行星探测目标选择探讨

随着全球金属消费量不断攀升和地球能源日渐紧缺,开发利用小行星资源已成为有效解决矿产资源和能源储备问题的主要探索途径之一。首先根据小行星自身价值、开采利润和成本效益等,从众多小行星中筛选出高开采价值的目标范围;再综合分析轨道特性、尺寸大小和自转周期等约束因素对小行星探测可行性的影响,从技术限制角度筛选出未来几十年能实现开采的目标范围;最后,融合高开采价值和特定时间下低技术限制的初选目标,并从发射窗口、目标资源、成本效益和最小速度增量等方面对各目标进行更为详细的比对分析,优选出适合不同时间段探测任务的空间探测对象,从而为未来几十年高开采价值小行星探测目标选择提供参考。

太空风化对硅酸盐小行星反射光谱的影响

太空风化研究对小行星表面环境及成分遥感反演具有重要意义.目前对太空风化引起小行星光谱变化的研究结果并不统一,对硅酸盐小行星风化模式缺乏统一的认识.基于大样本研究的思路,统计了4颗普通球粒陨石(H、L和LL型)、7种硅酸盐单矿物、6组橄榄石-辉石不同比例混合物的激光辐照实验,分析辐照前后样品可见-近红外反射光谱(0.45–2.5μm)的变化,并结合小行星光谱研究太空风化对硅酸盐小行星光谱的影响.结果显示,太空风化不会引起1μm吸收中心的明显偏移,但会导致吸收面积比(2μm带面积/1μm带面积)增加.因此,使用“1μm吸收中心–吸收面积比”作图来区分陨石类型仍然有效,即太空风化对矿物学分类影响较小.在主成分分析图中, A型小行星具有几乎平行于α线的风化趋势,其余硅酸盐小行星具有“Q-Sq-S”的风化趋势.基于斯隆数字巡天数据(Sloan Digital Sky Survey dataset, SDSS)的小行星分类系统会混淆富含橄榄石小行星的分类,并可能低估A型小行星的数量.系统分析了硅酸盐小行星太空风化模式及光谱变化规律,对深入认识小行星光谱的太空风化效应以及矿物定量遥感反演具有实用价值.

面向近地小行星防御验证的协同监测任务分析与设计

协同监测任务通过全过程链条测定小行星轨道并监测撞击过程,可有效评估以动能撞击手段进行小行星防御的效能,是实施近地小行星防御演示验证任务的关键环节。文章在全面调研“双小行星重定向测试”(DART)任务的评估特点和协同监测情况的基础上,面向我国近地小行星防御演示验证任务,综合分析我国现有地基、天基监测能力以及协同监测任务的特点,按照“远探、近监、回看、联测”的思路设计协同监测任务方案,并梳理出需要攻克的关键技术。最后,从推进监测能力体系建设、深化拓展国际交流合作等方面提出启示与建议,以期为我国未来近地小行星防御演示验证任务论证实施以及天地协同的监测预警能力体系建设提供支撑。

基于格拉姆角场与深度卷积生成对抗网络的行星齿轮箱故障诊断

针对行星齿轮箱故障诊断中样本分布不均衡所引起的模型泛化能力差及诊断精度低等问题,采用格拉姆角场图像编码技术和深度卷积生成对抗网络相结合进行数据增强,融合AlexNet卷积神经网络进行故障诊断。将采集到的一维振动信号转化为格拉姆角场图,按比例划分训练集与测试集,将训练集样本与随机向量输入到深度卷积生成对抗网络模型中,交替训练生成器与判别器,达到纳什平衡,生成与原始样本类似的生成样本,从而实现故障样本的增广。用原始样本与生成的增广样本训练卷积神经网络分类模型,完成行星齿轮箱的故障识别。实验结果表明,所提方法能够有效提升样本不均衡条件下的行星齿轮箱故障诊断精度,使之达到99.15%,且能使收敛速度更快。

行星思维与行星艺术

在“人类世”的种种危机下,以迪佩什·查克拉巴蒂为代表的一些学者呼吁从全球化思维转向行星思维,以超越人类中心主义的视角来思考人类历史和生命、非生命之间的复杂关系。许煜和布拉顿都强调技术圈对推进行星认识论的重要作用;“堆栈”则向我们显示了利用数字技术来反抗单边政治的可能性;当代行星艺术也呼应数字技术的发展,进行积极转化,打破“人类—技术—环境”的边界,将艺术变成宇宙物质历史过程中的可感片段,并为观众营造一个与非人的行动者不断演练“宇宙政治”的剧场。

迈向行星电影

在斯皮瓦克提出“行星性”概念20年后,面对技术奇点和“人类世”的双重危机,“行星”和“行星性”获得了新的时代含义并重新成为学术热点,引发了新的学术转向,使得“行星艺术”和“行星电影”这些属于时代的概念相继出现。以“行星”概念的发展轨迹为基础,可以通过“地表—地质—行星”的认知脉络来澄清电影媒介的“行星性”,并通过行星视觉、行星触感和行星思维这三个方面来把握“行星电影”的概念及其内涵,从而呼唤这个时代可能的“行星电影”。

小行星样品密封设计及验证

中国计划开展探测编号为2016H03的近地小行星并采集样品返回地面,测定小行星样品的物理性质、化学成分与矿物成分,为小行星起源与演化、太阳系的形成与演化过程提供科学依据。针对中国首次近地小行星采样封装任务,设计多种样密封方案,综合考虑密封力、密封面样品颗粒污染物防护等因素,采用双弹性体径向密封方案,并开展密封方案验证工作,通过高温、低温及模拟尘埃污染漏率试验,密封漏率优于5×10^(-6)Pa·m^(3)·s^(-1),满足小行星样品密封要求。

JWST时代系外行星大气研究的机遇与挑战

当前已经探测到超过5000颗系外行星,系外行星领域正在从搜寻普查进入到精细表征阶段。过去20年通过对大约100颗系外行星大气表征,初步建立了对凌星行星和直接成像行星的大气探测方法和一系列大气光谱正向建模、反演方法与大气理论的基本框架。詹姆斯·韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)具有前所未有的近红外到中红外光谱探测能力,高质量数据将带动大气理论与模型的跨越性发展。第一轮观测的科学产出展现了JWST对凌星行星和直接成像行星的大气表征能力以及对宜居带行星大气的初步限制。JWST时代的系外行星大气精细研究已初露峥嵘,与未来5年内即将建成的具有大气普查能力的ARIEL和大口径自适应光学地基望远镜相联合,将在更深的层次上揭示系外行星大气的多样性。

近地小行星天地基协同监测和轨道确定试验

基于中国科学院国家天文台空间碎片试验望远镜,联合“仰望一号”“吉林一号”卫星,设计并开展了近地小行星天地基协同监测试验,利用图像处理和定轨方法,实现了天地基观测图像的目标检测和天文定位,完成了近地小行星轨道的精确确定。经分析,基于现有的天地基设备可实现对近地小行星的协同监测和轨道编目,为研判近地小行星撞击风险提供轨道数据支持。

行星紫外光谱探测载荷技术发展综述

行星大气是深空探测、空间天文等领域的重要研究方向,其中紫外谱段是行星大气活动研究中重要的环节。为了获得不同地外行星的紫外光谱信息,国际研究团队近几十年来开展了相关技术研究,并研制了大量科学探测载荷。本文主要综述了行星紫外光谱探测载荷的发展,并分析了紫外核心器件技术发展推进下的紫外光谱载荷技术的发展与迭代,最后给出了我国在行星紫外光谱探测领域可能的发展方向和重点研究方向。

基于SPWVD与知识蒸馏的行星变速器故障诊断研究

行星变速器运行工况多是非平稳运行工况,运行过程中齿轮啮合振动信号相互耦合导致测试信号混叠,其隐藏故障诊断难度增大;同时应用复杂的神经网络模型进行故障诊断预测时多数会收到工业现场边缘计算设备硬件的限制。针对相关问题,在保证行星变速器故障诊断准确率的情况下减少网络模型的参数量,提出了一种应用平滑伪维格纳-威利分布(smooth and pseudo Wigner-Vile distribution, SPWVD)与知识蒸馏结合的智能识别模型用于行星变速器故障诊断。首先,利用集合经验模态分解(EEMD)方法将多分量振动信号分解后选取单分量信号进行SPWVD计算后线性叠加得到二维时频图作为输入,以ResNet101为教师模型指导学生模型MobileNet进行训练,复杂教师模型将数据中的知识传授给学生模型,提高了学生模型的精度。将该方法与同类方法进行了对比,结果表明,模型以牺牲2.43%准确率为代价,存储成本下降为教师模型的24.55%,相较未知识蒸馏的MobileNet的准确率提高了9.61%,实现模型轻量化。本研究方法对提高深度学习模型在工程实际应用,降低边缘计算设备部署成本提供了一种有效且可行的解决方法。