地外天体软着陆自主导航与控制技术研究进展

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典型GNC方案及自主导航与控制技术主要进展;最后,针对未来的地外天体精确定点软着陆任务,提出了需要重点关注和发展的自主导航与控制关键技术,为未来技术发展提供借鉴和参考。

地外建造研究进展与科学技术挑战

随着深空科学与深空探测技术的不断发展,NASA、ESA以及其他一些国家纷纷提出地外空间中长期驻留设想及其地外建造相关计划。该文梳理了国内外地外建造相关战略,系统分析了地外建造的概念内涵及其发展;总结了地外建造结构设计、材料制备和建造工艺装备三方面研究进展;进而分析指出地外建造关键科学技术挑战。期待更多的学者关注地外建造这一新的研究领域,为我国深空探测贡献土木工程学科智慧。

一种地外天体着陆凸轨迹曲率滑模制导方法

针对复杂地外天体表面安全着陆问题,提出了凸轨迹曲率滑模制导方法。该方法考虑着陆轨迹形状对着陆安全性的影响,将曲率约束引入到滑模面设计中,实现着陆器系统状态位于滑模面上时,轨迹形状为凸。首先,针对曲率约束进行等效转化和松弛,提出了曲率松弛项,并利用曲率松弛项设计了曲率滑模面,满足三维凸轨迹条件。其次,推导了曲率滑模反馈制导律,滑模状态可在有限时间内收敛到零,在该制导律作用下,着陆器将以凸轨迹状态完成精准软着陆。最后,通过蒙特卡洛仿真验证了所提算法的有效性和鲁棒性。

地外样品研究中电子探针元素面扫描分析技术的应用

由于月壤等地外样品十分珍贵,在实验室研究中优先使用原位、微区、无损的元素分析方法。电子探针元素面扫描是地外样品研究中常用的分析方法之一,它可获取样品整体或者感兴趣区域的多种元素分布数据,应用于矿物相识别与含量估算,锆石等定年矿物的快速定位,矿物环带、出溶、反应边结构等特殊岩相和矿物接触关系等分析和研究。以嫦娥五号月壤、月球陨石、火星陨石研究为例,介绍目前元素面扫描的应用方法,对比、分析了电子探针面扫描技术与其他面扫描技术的优缺点和适用范围。未来十年,我国将实施一系列月球、火星、小行星等天体采样返回任务。电子探针元素面扫描分析未来将在这些地外样品研究中广泛使用。同时,建议行星科学家围绕所关心的科学问题,合理搭配多种分析方法以实现各种技术优势互补和样品科学价值最大化,服务我国月球与深空探测任务科学产出和行星科学发展。

地外天体着陆自主避障制导技术研究进展

基于地外天体软着陆探测任务的需求,阐述了地外天体着陆自主避障制导技术的研究进展。首先对典型的地外天体着陆探测任务进行回顾与分析,并总结了着陆避障制导面临的形貌复杂多样、控制资源受限、避障精度要求高、星载计算资源有限等挑战与难点。在此基础上,从自主障碍评估和自主障碍规避两个方面梳理了着陆避障制导的研究现状。最后,结合未来地外天体探测任务需求,对着陆避障制导技术的发展方向进行了展望。

地外天体样品采样密封技术进展与发展建议

在回顾国内外地外天体样品采样密封技术发展状况的基础上,详细论述了地外天体特性与采样方式和密封容器的适配性设计,着重分析了样品密封技术的特点以及能够实现的漏率指标,深入剖析了包括防尘设计和生物灭菌在内的样品密封过程中的关键问题。最后展望了地外天体密封技术的发展趋势以及需要研究解决的技术问题,旨在为中国地外天体采样密封技术的发展提供参考。

地外天体探测与钻取技术发展研究

总结了过去几十年,包括中国、美国在内的世界多国在不同时期开展的月球及其他地外天体探测活动,分析了月球探测逐步由月球外围向月表和月球内部发展的趋势,研究了月球及其他天体内部探测必要性,对比了地外天体内部探测及钻取技术不同方法具备的不同特点,又通过分析地外天体内部探测面临的极端空间环境、地质环境和超长距离延迟通信等带来的不利条件和挑战,结合未来深空探测任务形式,给出了天体内部探测、选取、分析技术发展的建议。

地外风化层采样机械臂自主避障控制方法

由于地外天体风化层环境的不确定性,执行浅层钻取采样任务时易受到潜在障碍物的干扰,而对于采样时感知环境并进行机构姿态调整的研究相对较少。为提高采样成功率、改善作业时末端机构受力情况,提出了一种应用于地外风化层采样任务的机械臂自主避障控制方法。设计了能够辅助旋转避障与平移探进的三自由度机械臂,并进行了运动学分析。通过搭载三维力传感器获取采样器受力信息,结合导纳控制与旋转避让进行障碍规避。为验证方法可行性,进行了多组仿真实验和实物实验。实验结果表明,所提出的方法能够有效帮助采样器避让障碍物体,显著减小了作业阻力,X、Y、Z三方向最大受力的改善分别达到46.7%、57.0%、64.9%,改善了常规柔顺方法应用于浅层钻取时易受干扰的不足。

地外天体固体样品封装技术综述

采样返回任务是目前地外天体探测中重点发展的航天技术领域,针对样品容器密封失效导致样品被污染的问题,文章总结了20世纪以来国内外地外天体样品封装技术的研究进展和成果。重点从密封和封装机构两项封装核心技术对地外天体样品封装进行了综述,并对目前应用较为广泛的橡胶圈密封、金属挤压密封、爆炸焊接和钎焊焊接等密封技术进行了对比分析,最后对我国地外天体样品封装技术的发展趋势进行了展望。

基于视觉的地外天体探测器着陆测速

为了确保探测器安全、准确地降落在地外天体表面,需实时测量探测器的下降速度,为制导导航与控制系统完成软着陆任务提供重要参考依据.提出一种仅利用光学相机的实时视觉测速方法,针对天体地表视频图像,采用递归全对场变换光流算法提取相邻帧间的光流场,然后通过深度神经网络的卷积层和池化层提取光流场对应的特征向量.为减小探测器降落过程中成像透视效应对测速精度的影响,构建一种适用于连续视频帧的长短期记忆网络,对特征向量和速度进行拟合,实现探测器着陆速度的实时估计.仿真实验结果表明,与基于前向传播网络的测速算法相比,本文方法的平均绝对百分比误差减小了11.98%,测量精度更高.

土卫二海洋或富含磷元素,地外生命探索迎来新飞跃?

2023年6月,英国《自然》杂志发布的报告显示,有科研团队研究分析了卡西尼号探测器收集的土星卫星土卫二附近E环中粒子的化学成分,发现E环中的冰粒富含磷酸钠,由于这些冰粒很可能是从土卫二内部海洋喷射到太空中的,所以这预示了土卫二内部海洋可能存在高浓度的磷元素,这是否意味着人类在太阳系中寻找地外生命的工作迎来了"巨大的飞跃"?

科学史上关于寻找地外文明的争论——人类应该在宇宙的黑暗森林中呼喊吗?

尽管地外文明是否存在的问题,目前尚无定论,但与其相关的探讨,已成为科学史领域的重要研究课题。1970年代,随着搜寻地外文明计划(简称SETI)的一无所获,与其相对的另一种试图接触地外文明的实践手段——主动向地外文明发送讯息(简称METI),也被提上日程,并在科学界引发颇多争议。本文对争论双方的观点以及争论所产生的影响进行了考察,并研究了与METI有关的几种费米佯谬的解决方案。本文认为,在尚未做好接触地外文明的准备之前,实施METI是非常危险的。

利用嫦娥4号低频射电频谱仪搜寻地外智慧生命——地外文明宇宙学

"嫦娥4号"成功登月,实现了人类第一次位于月球背面的软着陆。利用"嫦娥4号"着陆器配置的低频射电频谱仪以及中继星上配置的由荷兰合作团队研制的低频射电探测仪,我们能够发挥月球背面绝佳的低频射电环境的优势,尝试低频射电波段搜寻地外智慧生命(SETI)实验的可行性。本文将对于以往的SETI实验做出综述,解释基于射电波段的SETI实验的理论基础,详细阐述SETI实验射电观测数据处理的具体方法,并探讨"嫦娥4号"相关低频射电仪器在SETI实验中可能的应用。实际上,随着宇宙138亿年的演化,银河系中的太阳系的地球上孕育出了人类文明。宇宙中文明可能在宇宙不同时期、不同的位置在不断地产生和消亡。宇宙微波背景辐射携带了宇宙30万年至今所历经的几乎宇宙所有的成长信息,因此在宇宙不同时期的文明产生的信息一定会遗留在宇宙微波背景辐射中。利用宇宙学的方法研究地外文明,即地外文明宇宙学。

地外二氧化碳转化利用技术研究现状与展望

为有效解决未来长期载人地外生存面临的物资供给等关键问题,获得更高的氧回收率、能量转化效率和更低的应用成本,亟须发展更高效的地外二氧化碳转化利用技术。文章总结了地外二氧化碳利用的发展现状并分析了近期的研究进展,发现不同技术之间差异大,在航天应用过程中,需充分考虑地外环境限制因素,以选用更合适的技术。空间站上已搭载的Sabatier装置和火星车上的MOXIE装置初步实现了地外二氧化碳还原。以“地外人工光合成”为代表的常温二氧化碳转化技术可为地外环控生保提供新路线。其不仅能够实现地外氧气供给,还可获得甲酸、乙烯和甲烷等有机分子作为燃料或生物转化原料。随着相关基础研究的不断发展,有望实现二氧化碳的高效转化和高附加值有机物、甚至碳糖食物的生产。地外二氧化碳转化利用技术的发展,将实现地外密闭环境下的废弃资源利用与物质循环,降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求,也将为原位资源利用火星大气中的二氧化碳提供创新思路,以支撑未来可承受、可持续的地外生存任务。

用于地外星体探测的一种新结构取心钻头研究

根据地外星体探测取心钻具的功能要求,研制出一种具有阻隔环的新型结构钻头,以解决取心钻头取心率低的问题。对主、副切削具在取心过程中使星壤产生的失效形式进行分析,并建立切削模型和星壤侧向失效模型。根据郎肯被动土压力原理,建立阻隔环对星壤样心的阻隔模型。以月球土壤为例,分析副切削具的结构参数对取心率的影响。试验结果表明有阻隔环结构的钻头能有效地提高星壤取心率。研究结论可为我国探月工程月面采样钻头的设计提供理论依据。

关于地外生命与地外文明探索的几点讨论

探索宇宙奥秘、寻找地外文明是一个令人神往的问题。本文讨论了外生命和地外文明存在的可能性;地外生命和地外文明产生的条件以及寻找地外文明的艰巨性,还介绍了一些搜寻地外文明的计划。

新生代地外物体撞击事件诱发的古气候环境灾变

本文在论述新生代以来６５、３４、１５、２．４、１．０、０．７ＭａＢ．Ｐ．六次重大撞击作用的地质地球化学证据基础上，详细地讨论了撞击作用诱发古气候灾变的过程和机制，认为撞击作用产生的尘埃、炭黑和气溶胶可产生短期的快速降温效应，温度最低可降至２２５Ｋ；撞击后大气中ＣＯ２含量的下降则可导致最大时间尺度为１０５ａ的地球气候的寒冷期。目前撞击界线层中的氧同位素记录所反映的古气温变化支持本模式的结论。

地外撞击作用与地球灾变环境

撞击理论是美国物理学家Alvarez等(1980)根据白垩系-第三系(K/T)界线粘土层中发现的贵金属元素铱的异常所提出的。十几年过去了,科学家们围绕着这一理论开展了广泛的争论和多方面的研究,取得了不少成果。到目前为止,在世界各地白垩系-第三系界线上发现的铱异常已有百余处。不少地方还发现了冲击变质矿物和冲击层。研究还发现显生宙以来生物的大量绝灭和地外物体的撞击具有近乎一致的周期性,大约为26Ma。最近又在墨西哥Yucatan半岛发现了一个隐伏的环形构造,被认为是与K-T撞击事件有关的陨击坑。虽然如此,撞击理论仍面临着不少问题。特别是关于异常铱的来源、陨击坑的确定、撞击作用对地球环境的影响以及生物绝灭的机制等方面还存在着不少疑问。深入的研究工作仍待继续。

地外天体着陆巡视探测自主智能技术进展

以月球、火星和小行星等地外天体着陆巡视探测任务为背景,对自主智能技术的发展现状、应用情况与未来趋势进行了分析研究。回顾了目前国内外地外天体着陆巡视探测任务的实施情况;从导航定位与环境感知、轨迹优化与制导控制、自主探测与路径规划、故障诊断与自主处理等四个方面,阐述了该领域自主智能技术的研究现状,并对未来发展态势进行了展望。

K/T界线铂族元素丰度异常与地外撞击事件

遍布全球的Ｋ／Ｔ界线粘土层不仅存在着铱的丰度异常，其它铂族元素的含量也异常高，并且基本上保持着类似与地外物质中的丰度分布模式。实验表明，在粘土层中铂族元素主要呈可交换离子相和难溶金属相的形式存在，而在硫化物和硅酸盐相中的含量却很低。这与铂族元素来源于地外物体撞击的成因解释是一致的。此外，在铂族元素异常层位上普遍有超高温矿物变种（富镁铁尖晶石）、冲击变质矿物和玻璃陨石与其伴生。这些现象为Ｋ／Ｔ界线地外撞击事件的确定提供了无可争议的地质证据。