深空探测磁动力技术研究进展

开展深空探测对人类研究宇宙起源与发展、生命存在与进化等重大科学问题具有重要的意义。深空探测有很多关键技术有待突破,先进推进技术是其中最为重要的一个。而可用于深空探测的无需携带推进剂的磁动力推进技术,是利用太阳系和宇宙中广泛存在的等离子体流,使探测器所携带的低密度超导材料制作的线圈通电,在探测器周围形成一个磁场区域,通过该磁场与太阳风等离子流相互作用产生推动力的一种先进技术。文章介绍了磁动力技术的国内外发展现状、磁帆与等离子体流增强型磁帆的基本原理、技术特点以及在未来深空探测中的潜在应用,为我国未来深空探测任务的工程实施提供一种新的方法。

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。

深空天文自主导航技术发展综述

航天器地面无线电导航在深空中面临着信息传输时延长、数据传输率低、天体遮挡等问题,难以满足未来深空探测的导航需求。天文自主导航技术利用天文信息为航天器提供导航支持,可有效提高其在深空中的生存能力及任务执行能力,已成为深空导航领域的研究热点。结合国内外深空探测任务及其实际工程需求,首先概述了深空天文自主导航技术发展的现状和特点,进而总结了深空天文自主导航的发展趋势和重点研究内容,最后对深空天文自主导航技术的发展提出了若干建议。

大口径薄膜光学探测技术空间应用进展及展望

系统地回顾了MOIRE计划建立的背景,DARPA在大口径空间薄膜光学探测技术应用方面完成的相关工作,总结提炼了薄膜光学技术空间应用的技术难点和关键技术,为开展我国薄膜光学卫星研发指明研究方向。

深空探测天文测角测速组合自主导航方法

自主导航是保障深空探测任务顺利实施的关键技术之一。当前深空自主导航大多通过天文测角信息来实现导航状态的实时估计,无法获得直接速度测量信息。针对深空导航的特点及需求,基于天文恒星光谱测速方法瞬时速度精度高,但位置精度随时间发散的特点,将其与测角导航方法相结合形成组合导航系统,实现深空探测连续自主、实时高精度的导航方案。通过可观测性分析,组合导航的可观测度较传统的测角导航方法提高了一个数量级,可有效提高导航估计收敛速度和抗干扰能力。在系统设计的基础上,搭建了半物理仿真系统,并结合火星探测工程任务背景开展了仿真。仿真结果表明,加入天文光谱测量信息后,有效抑制了量测误差的影响,进一步提高了导航估计精度,增强了导航系统可靠性,为实现深空探测高精度自主导航提供了新的技术途径。

用于深空探测的大承载高燃重比薄壁贮箱一体化结构设计

针对某空间科学探测器采用木星借力方式进入太阳极轨,若采用CZ-5运载火箭与上面级组合发射,探测器允许质量无法满足有效载荷需求的情况,为确保探测器质量可达1 350kg,创新提出大承载高燃重比薄壁贮箱一体化结构设计。先确定贮箱构型为6只球形贮箱焊接形成六边形整体。再通过分析承力杆内倾角、数量、是否贯穿贮箱内部等因素对承力效果的影响,确定承力杆最佳构型为正八边形构型,承力杆内倾25°,电子仪器贮箱各自与2根承力杆连接,内部贯穿;推进剂贮箱对应的承力杆不贯穿,变为贮箱上下两端的接头。既有贮箱组合承力,又有杆件集中承力。对整器的模态分析和一体化球形贮箱的静力分析表明均满足结构强度要求。燃重比从传统推进结构的12.5提高至20.7,增幅为65.6%,满足木星、太阳等深空探测任务变轨携带大量推进剂的需求。

可分离式构型深空探测器最优分离点评价方法

对两级推进系统干质量与速度增量的关系进行数学建模,将入轨有效质量作为评价标准,提出了一种面向工程应用的分离式深空探测器最优分离点评价方法。以火星探测为例,给出了在该评价标准下的探测器最优分离点,指出了分离式飞行器在深空探测任务中的优势和限制,为我国未来深空探测器的设计与研制提供参考。

深空天文测速自主导航速度矢量合成误差传递分析

针对深空天文测速自主导航系统速度矢量合成过程中的误差传递问题,推导了视向速度测量误差与定速误差统计特性之间的映射关系,获得了当测量误差满足零均值高斯分布时的定速误差概率密度函数,给出了在特定条件下定速误差均值与方差的解析表达式。理论与仿真分析均表明,当三个恒星视线方向两两正交时,测量误差对定速误差的影响达到最小,仿真结果还给出了目标恒星夹角对误差传递的影响,这些研究结果可为测速导航系统的目标选取提供理论依据。

工程光学监测技术在火星探测中的应用

在深空探测活动中,利用工程光学监测技术可以对探测器的工程状态进行直观、有效地监测,辅助地面系统确认探测器状态。利用监测相机对地球、月球、火星、小行星等天体进行成像,可有效提升公众对任务的认知度和参与度。结合国际深空探测任务,文章对"火星快车"、"好奇号"等火星探测活动中的工程监测任务及相机进行了分析,并对以"嫦娥二号"卫星为代表的中国深空探测活动中的工程监测子系统进行了探讨。围绕中国首次火星探测任务,进行工程监测任务设计,利用固定安装式、可分离式两种监测相机实现各监测任务,并对监测效果进行分析。文章的工作可应用于中国首次火星探测任务。

某深空撞击器侵彻试验研究

通过地面试验模拟了某深空撞击器侵彻天体过程,并得到侵彻过程有关数据。试验采用125 mm口径滑膛炮作为撞击器发射平台,浇筑C20圆柱形素混凝土靶标,发射撞击器撞击靶标,得到了撞击器在不同速度下的侵彻深度、受损情况及过载数据。试验结果表明:以125 mm口径滑膛炮作为发射平台合理有效;撞击器在着靶速度662 m/s以上时能达到1 m以上侵彻深度,同时满足强度要求。

深空测角测速组合导航系统时间配准方法研究

深空测角测速组合导航系统通过测角信息与测速信息融合,获取探测器位置、速度等参数,具有连续、自主、实时、高精度的优点。在深空测角测速组合导航系统多源信息融合过程中,要求各敏感器数据必须是统一时间基准。基于天文测角测速组合导航系统基本原理,阐述了在实际系统中,测角敏感器、测速敏感器由于时间基准误差、采样周期不一致、数据传输时延等都会造成时间不同步,而时间误差对位置和速度测量信息会带来很大的影响。本文分析时间误差在深空测角测速组合导航系统位置估计和速度估计中的作用机理,研究基于内插外推方法的时间配准方法,实现了测角敏感器与测速敏感器量测信息的同步。数学仿真结果表明,内插外推时间配准算法可有效抑制时间误差,提高深空测角测速组合导航系统导航精度。

深空撞击器结构设计与试验

深空撞击器可侵入目标天体表面以下一定深度进行有关探测。文中根据动能侵彻弹相关设计理论,设计了一种深空撞击器结构。采用滑膛炮作为发射平台,对其侵彻混凝土过程进行了试验。试验结果表明,所设计撞击器在初速度为662~819 m/s之间时,均能达到侵彻深度1 m以上,且结构强度满足性能要求,最后通过数值仿真与试验结果进行了互证。试验所得过载数据为撞击器内部有效载荷设计提供了参考。

月基磁悬浮旋转抛射返回系统新技术

月球资源开发与利用是深空探测由“探”到“用”发展的内生源动力,是全球深空探测的热点研究领域。月球具有丰富的3He、钛、稀土金属等珍稀资源,受限于传统月地返回方式技术复杂度高、规模庞大、重复性差、经济性差等因素,各国对月球资源开发与运返利用均停留在“探”的阶段,对如何实现高效的“用”,尚未形成经济可行的技术方案。基于现有的磁悬浮和旋转飞轮技术,提出以磁悬浮旋转抛射为核心的月地返回系统新技术。该技术充分利用月表低温、弱重力等环境因素,实现月球资源可被重复、低成本、高频次地运返地球。

土星系探测任务进展与展望

《2021中国的航天》白皮书表示中国行星探测工程将实施小行星探测、火星采样返回、木星系探测等任务,对于更为远期的行星探测任务尚未有明确规划。土星是太阳系第二大行星,拥有美丽的星环和众多天然卫星,其中土卫二可能存在冰下海洋、土卫六是太阳系第二大天然卫星且是唯一一个拥有浓密大气的卫星,均具有极大的科学研究价值。本文对国外土星探测任务的发展状况进行了调研分析,包括已实施的先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号、卡西尼-惠更斯号,以及后续的土卫二轨道-着陆器、土卫二多次飞越探测等。对这些任务的特点及实施土星系探测面临的关键难点进行了归纳总结。最后,提出了土星系探测的总体任务设想,进行了任务分析与初步设计,可作为中国后续行星探测任务规划的参考。

木星冰卫星探测任务分析与我国木星探测建议

欧洲航天局研制的木星冰卫星探测器是目前已发射的探测器中技术最为先进、任务最为复杂的。木星冰卫星探测任务是欧洲航天局“2015—2025宇宙展望计划”的首个大型任务,该任务将研究太阳系最大的行星——木星,重点探测木星的三颗冰卫星(木卫三、木卫四和木卫二)以确定它们的宜居性。本文对木星冰卫星探测任务的科学目标、有效载荷、飞行轨道、探测器关键功能设计进行了研究分析,给出了一种木星系探测任务初步设想,并对我国木星系探测任务提出建议。

月球资源低成本规模化批量运返技术方案设想

月球资源开发与利用是新时代世界航天大国月球探测的核心内容和焦点。本文介绍了月球资源开发工程的技术难点,提出了一种月球资源开发低成本规模化批量运返技术方案,其核心为全新设计的月基磁悬浮旋转抛射返回系统。该方案具有原创性强、易实现、高效益等技术优势和特点,能够大幅提升月球资源开发运返效率,降低运返成本,对实现月球资源规模化批量运返,促进其商业化开发具有重要的现实意义。同时本文还提出了月球资源开发应用系统大科学装置的构想,以服务于将来的月球探测科学研究以及月球资源开发与利用。

深空天文测角测速组合自主导航可观测性分析方法

导航系统的性能与其可观测性密切相关,而可观测矩阵是分析导航系统可观测性能的重要依据。本文基于分段线性定常系统(PWCS)方法给出导航系统的可观测矩阵,进而针对测角测速组合导航系统开展可观测性分析。通过分析测角测速组合导航系统可观测矩阵的秩和条件数,得到导航系统的可观测性和整体可观测度,并研究导航系统的可观测阶数对导航系统的影响;同时基于奇异值分解(SVD)方法给出测角测速组合导航系统各个状态分量的可观测性分析方法。最后,以小行星探测工程任务巡航段为背景,系统地给出了不同量测模型的导航系统可观测性结果,分析了不同可观测性分析方法对导航系统可观测性刻画的适用性。本文所提出的可观测性分析方法,对导航系统可观测性分析具有很好的参考性,可为组合导航系统量测模型的优选提供参考,具有良好的理论和应用价值。

基于传递标准探测器的远紫外电离层光度计定标技术研究

为了验证电离层光度计的设计及研制性能,以满足仪器在轨高灵敏度高精度探测的使用需求,利用氘灯、标准探测器、单色仪、准直仪、漫反射板、真空系统构建一套基于传递标准探测器的全链路电离层光度计真空紫外定标系统,利用真空紫外定标系统完成了电离层光度计在夜间135.6nm和白天135.6nm、LBH带3个探测通道的130~200nm光谱响应及辐亮度定标试验,测试了仪器的灵敏度指标。最后对整个定标系统的定标精度进行分析和估计,得到系统的定标精度优于9.1%。试验证明了基于传递标准探测器建立高精度真空紫外辐射定标系统的可行性。

深空高速撞击的变系数末制导律设计方法

具有潜在撞击地球危险的近地小行星将对人类生存构成重大威胁,通过直接撞击的方式改变危险小行星的轨道是一种可行且有效的方法。以对地球威胁程度较大的近地小行星Bennu为预设对象,进行深空高速撞击末制导律设计。针对高速撞击任务相对速度大、撞击精度要求高、燃料有限的特点,考虑目标的运动加速度,基于增广比例制导律推导加速度指令:综合考虑机动时刻与燃料消耗、撞击精度的关系,将原常值比例系数设计为相对距离的归一化幂函数,在满足制导精度要求的前提下使机动时间更少、更靠前,节省燃料消耗;同时设计点火策略,将连续指令转化为脉冲发动机指令,无需预先给定机动时刻,且脉冲指令可直接应用于深空探测器。仿真结果表明,撞击器在本文算法的加速度指令下能在初始距目标9.36×10^(5)、较大相对速度10.2km/s场景下准确撞击目标,且相比定系数算法,本文的变系数算法在所需的点火次数、机动速度增量及燃料消耗方面性能更优,更具有效性与实用性。

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。