2023年国外深空探测领域发展综述

2023年,国外共发射7次深空探测任务,包括3次月球探测、1次木星系探测、1次科学观测、1次太阳探测和1次小行星探测任务。美国发射“赛琪”(Psyche)小行星探测器;欧洲发射“欧几里得”(Euclid)空间望远镜和“木星冰卫星探索者”(JUICE);俄罗斯发射近半个世纪以来的首次月球探测任务--月船-25(Luna-25),但着陆失败;印度成功发射月船-3(Chandrayaan-3)和阿迪蒂亚-L1(Aditya-L1)太阳探测器;日本成功发射“小型月球探测着陆器”(SLIM)。

面向宽域飞行平台的涡轮增强组合动力总体性能分析

面向宽域飞行平台的动力需求,提出了兼顾加速性与燃油经济性的新型涡轮增强组合动力方案,并从发动机组成与工作原理的角度阐明了采用串联式流道方案实现高加速能力与高比冲性能的可行性。首先,基于自主开发的性能评估模型,对发动机涡轮增压模式和冲压模式宽域性能进行预估,并通过整机三维数值模拟对典型工作点发动机性能进行计算。在采用液氧/甲烷推进剂时,马赫数为0~3的涡轮增压模式可实现800~1 000 s的比冲和145 s的最大比推力;在当量比1.0的冲压模式下,马赫数为4时可实现1 300 s以上的比冲,马赫数为6时可实现1 000 s以上的比冲。其次,以该组合动力方案作为两级入轨第一级飞行器动力,开展两级入轨任务的总体方案初步论证,结果表明该组合动力方案具备优异的宽域加速能力,能够支撑高效的可重复使用航天运输任务。该组合动力还可以作为覆盖亚声速到高超声速范围的宽域机载无人平台动力,实现自主加速和超高速巡航。最后,对发动机研制面临的主要关键技术进行了梳理和总结。

“阿尔忒弥斯”计划最新发展分析

美国以确保全球航天领导地位为目标,推动实施“阿尔忒弥斯”计划,以实现本世纪载人重返月球,并为今后的载人登陆火星和其他目标奠定基础。本文首先对“阿尔忒弥斯”计划总体目标、系统架构进行梳理,随后分析了美国在建立协调机制、调整组织机构、鼓励商业化、促进国际合作等方面采取的管理举措,分析了项目最新进展情况,得出了对“阿尔忒弥斯”计划发展的几点思考。

2023年全球航天发射统计分析

2023年是世界航天发展历史上创造新纪录的一年。在美国、中国航天的带动下,全球航天活动高位高速推进,全年共完成223次航天发射,合计发射航天器2945个,创造了运载火箭发射次数和航天器年度发射数量的历史新高。

新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇

空间事业的发展对航天器环境工程提出了新挑战,同时也为该专业技术进步和领域延展提供了难得的机遇。近10年来,伴随着载人航天、深空探测等一系列重大航天工程的顺利实施,中国航天器环境工程领域在诸多方面取得了长足进步。文章回顾了中国航天器环境工程的发展历程,围绕中国空间站长期运行、深空探测新任务、低轨巨型星座建设等提出的新需求,分析了航天器环境工程将面对的挑战和必须突破的关键技术。结合具体工作内容介绍了北京卫星环境工程研究所在LEO辐射环境在轨探测与数据应用、特殊空间环境效应与防护、火星探测器特殊力热环境试验技术和航天器产品环境试验ISO标准等方面取得的最新进展。在建设航天强国的过程中,航天器环境工程必将伴随着航天器整体技术的升级实现更高水平的跃迁。

陆地生态系统碳监测卫星自主任务规划研究

低轨遥感卫星往往以全球或全国范围内的特定地物为探测目标。为提高卫星在轨运行的自主性,文章提出了一种面向地物目标属性的遥感卫星自主任务规划方法。首先外推出预报点90 min后的星下点经纬度,并根据星载地图和太阳高度角,得到预报点的阳照/阴影、陆地/海洋、境内/境外属性。对地物目标属性信息进行平滑处理后,根据各载荷的地物目标属性,识别出各载荷的工作任务时间段,可实时实现提前约1个轨道圈的载荷自主任务规划。

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.

载人登月任务航天员地质学训练综述

针对中国载人登月任务航天员训练任务分析的需要,综述了NASA在阿波罗号登月任务时期及近期航天员的地质训练情况,以及ESA行星模拟地质学和天体生物学训练进展;另外,还介绍了中国航天员地质学训练情况,以及国内地质学教育主要课程和方法。在此基础上,进一步探讨了中国载人登月任务航天员地质学训练的必要性、训练设计要求和训练实施要求,并对中国载人登月任务航天员地质学训练进行了展望。

面向微纳遥感星座构建的阻力差分控制方法

基于整星质量、功耗、体积和成本考虑,一些微纳卫星通常不加装推进系统。为满足这类微纳遥感卫星构建星座的要求,提出采用阻力差分控制(无动力控制)技术实现星座构建的方法。通过调整太阳翼迎风面积,利用星间阻力差增大或减小2颗卫星轨道半长轴之差,在不改变卫星飞行姿态、不影响有效载荷应用的情况下实现微纳遥感星座相位控制。利用20颗微纳遥感卫星构建星座对阻力差分控制方法进行验证,结果表明:将阻力差分控制技术应用于微纳遥感星座相位控制,能顺利完成微纳遥感卫星同一轨道面的等相位部署,并成功实现星座构建。

太阳抵近探测计划——观测位置的新突破

太阳抵近探测计划(SCOPE)旨在突破高温和强辐射防护、长距离运载、远距离轨道控制和先进载荷等一系列极限技术,将探测器投送至距太阳中心仅有5个太阳半径的位置上,深入太阳大气层进行探测,研究太阳附近极亮、极热的深空探测“无人区”,在全新的位置上对太阳进行超近距离原位探测和遥感观测,针对磁场和等离子体结构实现空间分辨率优于0.1"的观测。探测器将穿越太阳爆发磁重联电流片,显微观测太阳爆发磁结构,原位探测磁重联电流片、日冕物质抛射与激波以及各类带电粒子,以推动揭示太阳爆发理论机理。探测器将在最靠近太阳的区域显微监测和探测日冕中尺度小于0.1"的纳耀斑、光球中尺度小于0.06"的磁场和速度场结构及其演化特征,确认日冕加热机制;探测太阳风重离子电荷态,确认太阳起源及加速机制。探测器还将在最接近太阳的区域内与原位探测日冕磁场,显微观测太阳极区磁场和等离子体结构和演化特征;揭示太阳附近尘埃分布特征,进入无尘埃区,确定太阳系尘埃盘内边界。困扰太阳物理界近百年的两个科学难题,即太阳爆发机理难题和日冕加热与太阳风加速机理难题,随着该计划的顺利实施将被破解;在最接近日心的位置处实现日冕磁场,包括太阳极区磁场原位探测“0到1”的突破也将实现。本文将介绍SCOPE的背景、科学目标和预期产出、有效载荷以及卫星平台关键技术。

一种基于直流式风洞的火星尘暴模拟装置

为了研究火星表面尘暴环境对探测器及人类活动的影响,研制了一种基于低密度直流式风洞的火星尘暴环境模拟装置:采用超声速引射器作为风洞动力源,结合具备多工况动态调节能力的大抽气量真空系统,实现了引射气量精准调控,可模拟100~1500 Pa低气压下的5~100 m/s大跨度风速;针对低气压下沙尘浓度难以精确控制的问题,采用振动式喂料、逆向螺旋式喷嘴设计以及大周期滞后串级调节方式,实现了0.1~1 g/m^(3)的沙尘浓度精确控制。该装置可用于研究火星尘暴环境对材料和机构的影响,同时还可用于火星气动力研究。

卫星有源相控阵高热流微尺度器件热设计与验证

为解决卫星有源相控阵高热流微尺度器件散热和热试验验证难题,首先,提出T/R模块低温共烧陶瓷热设计优化方案,选择热通孔面积比为11.4%,并建立尺度比为800∶1的跨尺度热模型;其次,进行地面常压热平衡试验,利用红外热像仪测量器件温度;再基于热参数敏感性分析方法评估自然对流、热辐射和热传导有关参数对器件温度的影响,结果表明:对于特征长度为600μm的典型器件,接触热导对散热影响最大,而自然对流和热辐射影响均低于2%;基于常压热平衡试验数据修正热模型后的仿真与试验数据吻合良好,最大温度偏差1.7℃;高热流微尺度器件接触热导为16200 W/(m^(2)·K),预示真空下器件的最高温度为73.2℃,满足工程要求。研究结果可为卫星高热流微尺度器件热设计和验证提供参考。

外空安全与环境治理:进展、挑战与机遇

随着人类航天活动的迅猛发展,外空环境日益复杂无序,外空安全的威胁显著上升,外层空间长期可持续性面临严重挑战。本文全面介绍了外空安全面临的最新态势,系统分析了空间碎片数量逐年增多、低轨大规模星座迅猛部署、新型航天活动快速喷发、外空资源争夺日趋激烈、外空军事化愈演愈烈等对外空安全和外空长期可持续的冲击。本文指出,从外空命运共同体、国家空间资产安全、航天强国建设出发,外空环境治理是大势所趋和唯一出路,孕育着航天技术创新、产业革命、法规建制等重大机遇。基于国情提出了我国对策和发展建议。

地月空间:太空安全新挑战

随着航天技术的迅猛发展,太空经济与军事活动正从近地空间向地月空间延伸拓展,地月空间的国际竞争日趋激烈。本文阐述了地月空间的战略价值,分析了主要大国地月空间布局与发展态势,梳理了地月空间对太空安全提出的新挑战,提出了关注地月空间安全与发展的思考建议。

微小空间碎片多参数在轨探测技术

空间碎片按尺寸可以分为大碎片、危险碎片和微小碎片。尺寸小于1 mm的空间碎片称为微小碎片,航天器对于该种空间碎片目前主要采取“抗”的手段进行防护,防护的主要设计流程是首先建立空间碎片环境工程模型;其次,对航天器运行轨道的微小空间碎片的时空分布规律进行评估;接下来设计防护措施对航天器进行防护处理;最后对航天器遭遇空间碎片撞击的风险进行评估。空间碎片环境是动态变化的,建立并修正空间碎片环境工程模型是一项有益的基础建设,需要获取微小空间碎片的空间环境探测数据。本文综述了近年来微小空间碎片环境探测领域发展,总结了目前主流的探测设备分类及发展脉络,分析了探测设备及其探测方法的发展趋势,提出了适宜的微小空间碎片多参数探测技术的方案。

考虑多类型时间依赖资源约束的敏捷卫星调度优化

随着现代空间科技的迅猛发展,光学遥感图像数据的应用需求越来越广泛,大力推动了光学对地观测卫星的发展.然而,由于高昂的发射成本的约束,对地观测卫星的资源是有限的,远远无法满足各类数据需求.因此,提高对地观测卫星的使用效率,提高其任务执行率,具有非常重要的应用价值.本文聚焦于敏捷对地观测卫星的任务调度问题,即在给定的调度周期内,对有限的卫星资源制定合理的任务调度方案,在满足一定星上资源约束下,最大化观测任务收益.该问题难点在于星上的资源是非常有限的,例如存储图像数据的固存资源、用于采集数据和卫星姿态切换的能量资源及执行任务活动耗费的时间资源.需要注意的是,能量消耗量和时间消耗量依赖于任务的执行时间,这是敏捷卫星相对传统的非敏捷卫星独有的特性.不同任务场景对不同类型资源的需求不同,多种资源约束互相耦合,资源约束具有时间依赖特性,这些难点无疑极大地增加了卫星调度的求解难度.为高效地求解该问题,本文构建了多类型时间依赖资源约束的敏捷卫星调度整数规划模型,并针对问题特性提出了一种基于自适应选择因子的迭代局部搜索启发式算法.自适应选择因子综合考虑了目标收益、资源消耗量、资源约束的松弛量,采用动态变化的资源重要度,能快速自适应地根据当前场景下各种类型的资源数据使用量来确定最佳局部搜索方向,从而在有限时间内找到高质量的解.实验结果证明,本文所提出的算法在多种情况下相比当前最好算法求解效果显著更优.此外,算法独有的自适应选择因子相比传统的选择因子的求解质量更高,这是因为所设计的自适应选择因子兼顾了目标收益和资源消耗量之间权衡关系的同时,采用动态变化的资源重要度准确捕捉了资源需求的迫切程度.

俄罗斯航天员选拔训练60年之变化

2024年4月12日是第13个世界航天日,也是苏联航天员尤里·加加林完成人类首次太空飞行63周年。60多年过去了,经过几代人的传承,载人航天事业仍方兴未艾。在太空探索的道路上,航天员们的脚步正在向更远更深的目标迈进。与60多年前相比,现如今俄罗斯航天员的选拔和训练发生了很多的变化,总体来说选拔标准更加宽松,训练方法和手段更加科学和多样,更加注重航天员的专业技能和研究能力的提高。

微流星体碰撞对日地L_(2)点Halo轨道的影响

空间中存在大量高速运动的微流星体,与在轨运行的航天器发生碰撞后将导致轨道偏离、性能下降、结构破坏甚至航天器失效.由于Halo轨道具有不稳定的特性,本文主要探究微流星体碰撞对日地L_(2)点Halo轨道动力学演化规律的影响.首先,建立日地L_(2)点附近轨道的动力学模型,通过微分修正法构造Halo轨道的初始条件,基于Grün微流星体通量模型计算微流星体与航天器碰撞的数量和碰撞引起的速度改变量.然后,采用Runge-Kutta算法求解Halo轨道的动力学方程,研究碰撞速度改变量引起的轨道偏差随时间的演化规律.此外,采用状态转移矩阵方法分析初始状态偏差的演化规律,并与数值积分方法对比.最后基于状态转移矩阵方法分析了不同碰撞速度改变量的大小和方向引起的动力学响应.研究发现,状态转移矩阵在短时间内得到的结果与数值积分方法基本一致,而且只需一次矩阵乘法即可通过初始状态偏差计算得到末时刻状态偏差,具有非常高的效率.研究结果表明,由于Halo轨道固有的不稳定特性,所以初始时刻微流星体碰撞引起的微小状态偏差会快速增长,导致消耗更多控制燃料,最终将影响航天器的寿命.此外,微流星体碰撞的速度改变量的方向对偏差传递的规律有重要的影响.

俄罗斯“安加拉”A5火箭东方发射场首飞情况分析

本文主要叙述了俄罗斯“安加拉”A5大型火箭东方发射场首飞情况。首先介绍了安加拉火箭的基本情况和主要特点,以及“安加拉”A5火箭的技术性能,其次描述了东方发射场的布局配置、猎户座上面级的基本性能及射前准备,最后阐述了本次发射的重大意义。

2024年国外重大航天活动展望

2023年,全球共进行了223次航天发射,相比于2022年的186次,增加了37次(增长率约19.89%)。2024年,全球航天发射热潮还将持续,美国国家航空航天局(NASA)阿尔忒弥斯-2(Artemis-2)、波音CST-100星际客船首次载人试飞等重量级航天任务引人期待,“新格伦”(New Glenn)、阿里安-6(Ariane-6)等新型火箭首飞也将在世界航天发射市场上激起新的变化。