太阳系边际探测任务辐射效应综合分析

针对太阳系边际探测任务中面临的强辐射问题,在太阳系边际鼻尖和尾部两次探测任务中,系统分析了探测器飞行过程中涉及到的空间辐射环境,包括地球辐射环境、太阳宇宙线辐射环境、银河宇宙线辐射环境、木星辐射环境和海王星辐射环境及模型特点。采用模型仿真给出了屏蔽厚度与辐射剂量关系曲线,结合国外探测数据获得了两次任务遭受的辐射总剂量,估算结果可支持在屏蔽重量代价和探测器抗辐射能力之间进行优化选择。针对空间核电源辐射特性,提出了适用于工程应用的核电源辐射效应分析方法。结合探测任务特点和工程可实现性,对各类辐射效应的综合影响提出了系统级防护策略,为太阳系边际探测的方案设计和任务实施提供了技术支持和参考。

“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。

基于弱稳定边界理论的低能地月转移轨道设计

针对弱稳定边界轨道求解困难、模型复杂、对初值的敏感程度较高等问题,提出了一种基于弱稳定边界的地月低能转移轨道设计方法,通过一种双层优化算法求解流形拼接问题,实现航天器低能地月转移。首先计算地月L2点Halo轨道及不变流形;随后将其与日地系统Halo轨道的不变流形进行拼接,计算离散流形拼接点,根据离散流形拼接点的速度和位置选择优化初值;最后建立流形拼接的优化模型,优化求解得到双圆限制性四体模型下的转移轨道。仿真结果表明,该轨道设计方法转移所需的能量较低,并满足多种约束条件,可为未来地月探测低能轨道设计提供参考。

太阳系边际探测飞行任务规划

针对太阳系边际探测任务,开展了星际多目标飞越的任务规划,采用小推力混合优化设计方法完成了基于借力飞行及电推进技术的行星际转移轨道联合优化设计,对比研究了面向日球层鼻尖和尾部探测的星际多目标探测飞行方案。研究表明,探测器在2024-2025年发射,可飞抵日球层鼻尖区域,在2027-2030年发射可飞抵日球层尾部区域,并可在2049年1月1日前飞离日心100 AU,实现太阳系边际空间的科学探测。其中日球层鼻尖探测任务探测器飞抵100 AU的位置位于鼻尖中心区域,可与旅行者1号、2号探测器形成有效互补。文章所用任务规划方法,可为太阳系边际探测的自主任务规划技术提供基础,相关研究成果能够为未来中国首次太阳系边际探测任务的实施提供有价值的参考。

基于实测数据的大气密度反演方法及应用研究

针对中长期的平均大气密度反演问题,以我国典型遥感卫星运行轨道数据作为基础,采用实测数据反演大气密度并对MSIS00模型进行局部修正,并将修正后的模型应用于遥感卫星推进剂的预算,仿真结果表明:得到的修正大气模型具有较高的准确度,且采用修正后的大气模型得到的轨道维持推进剂消耗比修正前减少了近35%,达到了在保障卫星安全运行基础上最大限度降低整星质量的目的。研究结果还可用于我国未来航天器的高精度轨道预报、推进剂预算、碰撞规避等任务。

木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究

根据我国木星系及行星际穿越探测任务规划,瞄准工程方案可行,对使用多次借力的地木转移轨道及行星飞越飞行轨道进行了深入研究分析。首先,对星际飞越目标进行了探讨,明确了满足任务约束的星际飞越目标;其次,对行星际飞行序列进行了优选,从探测器发射日期、发射双曲剩余速度的平方(C3)、深空机动、木星到达C3和总的任务时间角度,对比分析了多个星际飞行序列,给出了最优序列设计结果;最后,基于工程约束,对探测器的连续发射机会进行了优化设计,给出了探测器连续8天、11天和16天发射所需的发射C3和深空机动大小需求。研究结果表明:在2029—2032年期间,木星系及行星际穿越探测任务最优的深空飞行序列为地球-金星-地球-地球-木星-天王星,最优的发射日期集中在2029年10月份。

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。

多次行星借力的小推力飞行控制策略研究

针对小推力深空探测器采用多次行星借力的飞行控制策略优化问题,文章提出了一种将推进段作为整体与滑行段进行打靶拼接的方法,最大限度地减少了优化设计时的待优化参数个数.首先,文章给出了小推力飞行轨道的间接优化设计模型和基于B平面理论的行星借力模型.随后,建立了给定开关机时序条件下的小推力借力飞行控制策略优化模型;最后,采用遗传算法和序列二次规划算法循环对该模型进行优化求解,并以地球–金星–地球–木星小推力飞行轨道控制策略优化设计为例进行仿真分析,仿真结果验证了优化模型的正确性和有效性,表明本文的研究方法可对小推力多次行星借力飞行的控制策略进行优化设计.

GEO卫星电推进与化学推进组合变轨方案研究

针对GEO卫星采用电推进和化学推进系统进行变轨的问题,在给定轨道控制模型的基础上,给出实现轨道半长轴、偏心率和倾角3个参数单独调整和联合控制的控制律。结合假设的运载火箭发射能力约束,给出航天器不同入轨高度对应的初始质量。以此为约束,给出化学推进和电推进不同组合的6种GTO向GEO转移方案,并对比分析各方案完成变轨所需的时间、推进剂、速度增量以及完成变轨后的质量剩余情况,研究方法可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。

全电推进GEO卫星的变轨策略研究

针对采用全电推进平台的GEO卫星的轨道转移问题,在给定电推进轨道控制模型的基础上,开展卫星由GTO向GEO的变轨策略研究。首先,在轨道远地点高度不变的基础上,给出了给定控制解析解的变轨策略,并给出了该种策略轨道控制律的解析解。其次,文章基于李雅普诺夫优化原理给出了优化的变轨策略,并结合仿真算例计算了该种策略控制律的数值解。在电推进优化转移策略研究的基础上,还分析了全电推进平台卫星在不同推力下的变轨时间需求。文章的变轨策略可为电推进系统在航天领域的应用提供参考。

一种实用的遥感卫星空间碎片规避机动方法

提出了一种实用的遥感卫星空间碎片规避机动方法,根据遥感卫星在轨运行允许的地面轨迹漂移范围构建标称轨迹保持控制环,并划分为不同区域,对可能发生危险交会需要进行轨道机动规避空间碎片碰撞威胁的航天器,针对不同区域确定不同的机动策略,以达到规避碰撞风险的目的.采用轨迹保持控制环作为制定策略的依据,能够通过精确定量的变轨量实现遥感卫星对空间碎片的有效规避机动,简单高效,易于操作,特别适合空间碎片碰撞规避这种需要很高时效性的操作,能够提高效率,节省时间,为空间碎片碰撞规避赢得宝贵的时间,提高卫星在轨运行的安全性.同时最大限度地降低了规避机动对航天器飞行任务的影响,提升了卫星空间碎片碰撞预警与规避能力.

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明:针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。

嫦娥二号卫星绕日运行轨道分析

嫦娥二号(Chang’e-2)卫星是我国首颗绕日运行的人造行星,文章在给定卫星轨道数据的基础上,对其绕日运行的轨道进行分析。分析了卫星与地球的交会周期,以及一个交会周期内卫星相对地球和太阳的距离变化情况。通过分析得出了嫦娥二号卫星返回地球的速度增量需求和可飞越的目标小行星。分析结果可为嫦娥二号卫星后续任务的论证规划提供参考。

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。

一种火星多任务探测器系统概念设计

随着在轨组装技术的发展,大型空间系统设计及其空间应用逐渐受到关注。大型模块化火星探测器可以同时执行多种探测任务,实现对火星的综合勘察。首先调研分析了国外关于火星轨道空间环境的相关探测任务,对探测器载荷、轨道策略进行了分析。其次,针对前期模块化深空探测器研究基础,重点分析了火星探测的多项任务规划,提出了一种火星多任务探测器系统的任务序列设想,包括表面遥感、环境详查、表面详查以及数据中继等。然后,通过对火星多任务探测器系统的功能分析与定义,给出了探测器系统的初步概念设计,包括母体飞行器、中继星、多类型探测器、轨道转移飞行器等。最后,按照地火转移、火星捕获、轨道转移以及探测器任务轨道部署等开展了初步策略分析,为多任务探测器系统的各模块探测与轨道转移等提出了轨道方案。关于火星多任务探测实施、探测器系统功能定义以及系统轨道策略分析等,有望为我国后续深空探测任务规划以及新型深空探测器论证提供参考。

巨型商业星座发展对轨道资源影响探索

巨型商业星座对空间碎片环境必将带来颠覆性的影响,必须及早面对,积极应对,提出合理的对策。本文在现有空间物体的基础上,分别对部署一网(OneWeb)星座、星链(Starlink)星座及同时部署两个巨型星座后,其对相应轨道高度的空间密度分布、碰撞概率分布的增长率变化规避开展分析。得到在影响最大的高度,其增长率接近18倍的结论。由此可知,巨型星座的部署,对运行在其轨道高度范围内的航天器,将带来巨大的碰撞风险增量。开展巨型星座对重要轨道资源影响分析,可为相关分析和决策提供参考。

共轨飞行航天器轨道特性分析

针对与空间站长期共轨飞行的航天器轨道维持问题,文章基于相对轨道参数演化方法,考虑J 2摄动、大气阻力、轨道机动等因素,推导了两航天器升交点赤经、倾角、相位、半长轴等参数间的解析关系,提出了一种共轨飞行的标称轨道设计方法和对应的维持策略,此外,进一步推导了定轨误差、控制误差、环境预报误差和面质比误差对共轨飞行轨道的影响。仿真结果表明:文章提出的解析计算方法与数值仿真结果相比具有较高的精度,给出的维持策略和误差分析方法简化了共轨飞行的轨道设计,在空间站共轨飞行任务中具有重要工程应用价值。

太阳立体探测任务设想

太阳空间探测在太阳物理前沿科学问题研究和空间天气预报应用研究方面具有重要的意义.人类在60余年的太阳空间探测活动中,取得了一系列重要成果,但仍存在诸多根本性重大问题有待解决.太阳立体探测可以克服单视角观测的局限,获取全方位、多要素的物理数据,促进解决太阳物理中的重大科学问题.本文介绍了太阳内部结构和磁场起源、太阳活动机理研究、太阳活动的全日球空间天气效应和空间天气预报模式研究4个科学目标,太阳立体探测任务空间布局、系统组成和探测器总体设计,以及太阳立体探测任务的有效载荷配置和主要技术指标.

火星采样返回任务轨道方案初步设计

火星采样返回是近年国际上深空探测规划的重点任务.本文考虑开展火星探测任务的实际工程约束,以2028年发射机会为例,对火星采样返回任务全飞行过程各阶段的轨道方案进行了研究,在不同方案比较分析的基础上,推荐未来开展火星采样返回任务的可能轨道方案.对任务轨道进行了初步分析和设计,给出了主要阶段的分析结果,讨论重点包括发射转移、近火制动、火星轨道交会对接和火地转移等飞行阶段轨道方案的初步设计.分析表明:火星采样返回任务每两年有一次发射机会,其中2028年发射窗口集中在11月;考虑到重型火箭研发风险,可以采用现役火箭分别发射着陆上升组合体和轨返组合体的两次发射方案;从火星返回地球,约两年有一次返回机会,火星出发窗口和地球出发窗口相差约两年时间.