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。

太阳系边际探测器自主技术需求分析

回顾了已有的太阳系边际探测任务及其自主运行技术的初步应用情况,归纳了太阳系边际探测任务的特点。结合发展和应用历程,分析了实现太阳系边际探测器自主运行所需的关键技术,并给出了各项技术的重点研究方向,包括不确定环境下的自主任务规划技术、超长周期高可靠性自主健康管理技术、极远深空环境自主导航技术、核电源系统自主运行管理技术、极端热环境下的自主热控技术和超远距离下自主通信与休眠技术,能够为太阳系边际探测任务的关键技术研究和任务实施提供参考。

太阳系边际的能量粒子探测

太阳系能量粒子的起源、加速及传播一直是物理学和空间物理学的重要前沿课题。太阳系边际探测将为研究这一前沿课题提供至关重要的信息。在太阳系边际区域,源自太阳系的能量粒子主要分为两类:太阳风超热粒子和能量中性原子(Energetic Neutral Atoms,ENA)。这些能量粒子对太阳系边际的形态和动力学过程会有很强的调制作用。但是,现在仍然缺乏对太阳风超热粒子的高精度就位探测和对太阳系边际的高精度ENA成像这些关键观测手段。基于STEREO卫星上的STE仪器对太阳风超热粒子的高精度探测和对地球磁层的高精度ENA探测,建议采用低能量阈值的新一代半导体探测器,结合已成熟的调制狭缝成像系统,以实现对太阳系边际(和顺访行星的磁层)的高精度ENA成像和对太阳风超热粒子的高精度就位探测。这些高精度观测将会为认识太阳系与星际介质之间相互作用的动力学演化和太阳系能量粒子的起源、加速及传播这些前沿课题提供关键信息。

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。

太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究

针对我国目前正在论证的太阳系边际探测任务的科学目标,提出了科学载荷配置建议,包括场、粒子和光学3大类共10台载荷,给出了载荷的性能指标需求及重量和功耗等工程需求。各载荷的方案兼顾指标先进性和研制周期紧迫性,集中了国内多个单位的技术优势,具有较好的技术基础和继承性。针对该超远距离探测任务,提出了载荷小型化和低功耗、高可靠和长寿命、科学数据处理和压缩等共性关键技术及初步解决方案。载荷配置主要立足国内,同时结合已有的国际合作基础,国际合作将会发挥更大作用。

面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法

太阳系边际探测将增进人类对太阳系形成与演化的认知,是未来深空探测的重要方向。由于太阳系边际距离地球遥远,探测所需轨道能量大,利用多天体借力飞行是实现太阳系边际探测的必然选择。研究了面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择问题。给出了两种多天体借力动力学模型,并评估了两种模型各自的优势。基于太阳系边际探测的约束与目标处理方法,提出了一种结合两种多天体借力模型的逐步多层嵌套优化方法,并给出设计步骤,实现不同任务约束下太阳系边际探测多天体借力转移轨道优化设计。以2030—2040年针对太阳系鼻尖与尾部探测为例,给出了最优多天体轨道飞行序列排序,验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,针对太阳系鼻尖的最优多天体借力序列为地球-金星-地球-地球-木星-土星-太阳系边际鼻尖,而针对太阳系尾部的最优序列为地球-金星-地球-地球-木星-海王星-太阳系边际尾部,研究可以为我国未来太阳系边际探测目标选择与任务规划提供参考。

面向太阳系边际探测的激光通信方案研究

针对我国太阳系边际探测任务需求,提出了利用激光链路进行对地高速信息传输的方案。梳理了深空激光通信的国外发展现状,分析了太阳系边际探测任务的激光链路特点和约束条件,给出了飞行激光终端和激光地面站的初步方案和主要参数,进行了链路预算和影响因素分析,并对我国未来太阳系边际探测任务激光通信的发展进行展望,为我国太阳系边际探测任务的激光通信论证与实施提供参考。

太阳系边际探测研究

本文在综述太阳系边际探测的发展历程和现状基础上,基于太阳系边际探测的发展趋势,阐释了太阳系边际探测的4类科学目标,提出了我国太阳系边际探测的总体目标、阶段目标及近期探测任务设想,给出了应重点研究和突破的6类关键技术,为我国太阳系边际探测的论证与实施提供参考.

柯伊伯带尘埃动力学研究进展

回顾了针对柯伊伯带开展的空间探测任务,介绍了柯伊伯带尘埃的2类形成机理和3类破坏机理。在此基础上,总结了前人在柯伊伯带尘埃动力学建模方面所做的工作,探讨了柯伊伯带尘埃表现出的族群迁移机制,以及柯伊伯带尘埃对于内太阳系行星际尘埃的贡献。研究有助于理解太阳系边际与星际空间的尘埃环境,从空间环境安全角度为太阳系边际探测任务的轨道设计提供一定的指导意义。

日球层边际能量中性原子遥感探测技术与发展趋势

来自太阳系边际及以外的星际空间的能量中性原子,是认识邻近星际介质及其与太阳风相互作用的重要载体。受限于太阳系边际就位探测的任务时长与探测难度,在近地空间对日球层边际能量中性原子实施遥感探测更为切实可行。研究日球层边际能量中性原子可以增进对局地/邻近星际介质的组成及性质了解,深入验证太阳系演化与系内行星演变过程等空间科学问题,对推动我国空间任务和前沿科学发展有着重大意义。本文对近年来国际上开展或计划开展的日球层边际能量中性原子遥感探测的案例进行了总结,分析其探测任务的关键技术与科学目标,梳理了未来该领域的发展趋势及方向,针对我国今后的太阳系边际探测任务规划与技术发展提出了建议。