非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

随着我国深地战略的逐步实施,深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇,但也面临诸多挑战,高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动,是决定施工工艺和工程效率的主要因素。在极端地质条件下,以刀具为基础的岩石破碎技术由于刀具磨损快、岩石破碎效率低,已成为遏制深地战略顺利实施的关键技术瓶颈,为解决深地岩石高效破碎难题,保障深地战略的顺利实施,迫切需求革命性的岩石破碎技术。无刀具破岩技术作为刀具破岩技术的重要补充,是突破刀具破岩技术瓶颈的可行性思路。为此,将无刀具破岩技术归纳为冲击破岩、热应力破岩和冲蚀磨损破岩3类技术体系,系统分析了水射流、激光和磨料空气射流等16种岩石破碎技术,总结了每种技术的发展历史和技术原理,分析了其破岩优势和技术瓶颈。得出,目前非刀具破岩技术没有在资源开采和地下空间建设中广泛应用的主要原因为破岩能耗高、适用较差和技术装备复杂等。相比刀具破岩,非刀具破岩技术破岩能量利用率较低,水射流破岩比能耗为刀具的40~70倍。微波、激光和等离子体等技术对施工环境要求较高,无法适用于钻井、隧道掘进等受限和恶劣环境。为解决极端地质条件岩石破碎难题,提出多种非刀具破岩技术协同破岩的思路,充分发挥每一种非刀具破岩的技术优势,构建了以射流切缝卸除高地应力、粒子冲击体积破碎坚硬岩体的破岩理念,最大限度降低岩石破碎能耗,简化系统装备,为岩石破碎技术向非刀具化发展提供理论支撑。

临边/深空背景探测系统地球杂散辐射建模分析

为评估地球杂散辐射对地球临边、深空背景探测类空间光学遥感器成像的影响,指导遥感器杂光抑制设计,对地球杂散辐射进行了建模分析。基于辐射学理论,建立了地表球冠杂散辐射模型,给出了卫星任意位置时对其光学载荷杂光有贡献的地表球冠区域,并采用区域网格化,小面元积分的方法求解地球总的杂散辐射。小面元的辐射能量包括透过大气的地物能量、大气自发辐射能量、大气对太阳辐射的后向散射能量,为准确表征,根据卫星参数建立了小面元的经纬度模型、太阳矢量模型来计算其太阳照射几何,结合卫星观测几何、地表参数、大气参数等,通过大气辐射传输模型仿真求得。以某空间遥感器可见光及长波红外谱段为例,从星下点位置、时间、载荷视轴指向等各维度进行了地球杂散辐射仿真分析。

当代地球科学和大地构造学研究发展的几点思考

面对行星地球自然演变和人类社会发展的重大需求,综合研判当代地球科学研究面临的严峻挑战与机遇,及其发展现状与动向势态,据此重点探讨并提出当代大地构造学研究发展新的战略方向、目标和前瞻基本基础科学问题,期望交流讨论,推动学科发展。

航天服隔热材料技术研究进展

为明确我国未来航天服被动热防护技术的应用发展方向,结合国内外在用近地轨道航天服隔热材料技术的发展现状和先进航天服隔热材料的设计需求,对先进航天服隔热材料的相关研究进行了评述。目前,多层隔热组件是在近地轨道和月面等高真空环境下隔热效果最理想的材料,但为提高服装的活动性能和对空间环境的适应能力,需作进一步改进。纤维类材料在航天服隔热应用方面具有传统优势,但在面向火星任务为代表的低真空环境的深空探测中,未能达到热导率和材料厚度相结合的隔热目标;气凝胶类材料具有较低的热导率,在火星大气环境下具有最好的隔热性能,但无法规避粉尘污染及机械耐久性等问题。研究具有更细纤维尺度和特殊空隙结构的纤维种类,制备具有柔韧耐久特质的有机气凝胶材料,探索具有不同技术优势的材料的组合应用,将成为解决未来先进航天服隔热问题的主要途径。

分布式地基雷达深空探测技术

地基雷达深空探测可以获得天体的轨道、形貌、材质等信息,可用于深空的科学研究。地基雷达深空探测的回波信噪比极低,需要增大天线口径、提高发射功率,由于口径、体积等方面的因素,单台套雷达天线不能无限制地扩大,发射功率也不能无限制地提高,因此需要研究可扩展性强的雷达体制。分布式雷达是一种由多部单元雷达和中心控制处理系统组成的新体制雷达,通过增加雷达单元数量,可以实现口径的空域扩展和能量合成,等效形成一部大口径、高功率的雷达,结合长时间积累技术,分布式地基雷达将实现更远距离和更高分辨的深空目标探测,看到更加遥远的天体。

基于显式制导的月地返回轨道中途修正研究

月地返回轨道存在各种摄动误差,终端约束复杂,有必要对其进行中途修正研究。显式制导法通过二体轨道与精确轨道之间的差别进行多次迭代求解给定时刻所需的修正速度。文章利用显式制导法,采用月球段及地球段分段进行中途修正的策略,给出了基于分段落点预报显式制导的月地返回轨道中途修正方案。该方案无需计算雅克比矩阵,算法简单、计算快速、实用性强,能满足再入点参数要求。算例仿真与蒙特卡洛仿真验证了该方案的适用性。

类木行星轨道卫星深层介质充电效应防护研究

高能电子引起的卫星深层介质充电效应是造成卫星异常和故障的一个重要的空间环境效应。类木行星(包括土星、天王星、海王星以及木星的卫星)被认为具有很强的电子辐射带,可能会造成卫星深层介质充电效应。旅行者1号飞越木星期间,产生了至少42次内部静电放电事件。随着深空探测的发展,人们越来越关注类木行星轨道上的卫星深层介质充电效应。采用蒙特卡罗工具包GEANT4和辐射诱导电导率RIC模型计算了类木行星轨道上的卫星深层介质充电效应,并将结果与预防地球轨道卫星深层介质充电效应的标准进行了比较。研究结果表明,在地球轨道上行之有效的标准并不总是适用于类木行星轨道。一般来说,木卫一、木卫二、土星(R_S=6)、天王星(L=4.73)和木卫三任务应该采用更厚的屏蔽层或更高的介电常数材料,而海王星(L=7.4)和木卫四任务可以采用更薄的屏蔽层厚度或更低的介电常数材料。此外,介质双面接地和使用薄介质也可以降低卫星深层介质充电风险。

火山与深空深地深海探测密切相关

在已知的太阳系行星及其卫星中几乎都发现有火山。火山作用贯穿于地球及其他星球的整个时空,在它们形成演化中扮演重要角色,是星球的灵魂。地球系统科学和深空、深地、深海探测是当今科技发展战略的重要组成部分和世界科技竞争的制高点,这些重大基础理论和战略需求的研究都离不开火山,无论是上天、入地、下海都要面对火山。火山是探索深地、深海的窗口,是通往宇宙的桥梁。目前人类能探知的地下深度仅约12 km,且只有一个点,而火山却能把数十千米,乃至几百千米深的物质带到地表,覆盖了地球和其他星球的大部分表面,这些火山产物是反演星球内部物质组成、结构和动力过程的重要抓手,对揭示行星差异演化和运行规律具有重要意义。此外,火山作用对气候、环境、资源、生物等都会产生重大影响,是构建地球系统科学的天然纽带,加强火山研究是大科学需要,势在必行。

深空探测中利用静止轨道卫星编队连续导航精度分析

针对我国难以全天候24小时对探测器连续测控和通信,以及建立全球性深空网络困难的问题,提出利用地球静止轨道卫星编队进行深空导航的构想。两个静止轨道卫星编队相距一定角度,可以完成对深空探测器进行全天候连续导航定位。卫星编队采用无源反向导航的方法,多颗卫星协同工作,共同完成导航任务。分析表明该天基导航系统的几何参数精度因子受时间测量误差均方差和基线长度变化影响较大。编队的构型对定位精度有很大影响,其中基线长度不能过小,时间测量误差均方差不能过大,否则定位误差会急剧增加,伴随卫星椭圆轨道偏心率也存在一定界限。增加伴随卫星数量也有利于提高系统的定位精度。

深空通信中利用GEO卫星的双跳下行链路特性研究

利用现有的地球静止轨道(GEO)卫星资源,构建深空通信中深空探测器到GEO卫星、再到地面站的双跳链路系统。在自由空间链路段载波宜采用较高频率以获得链路增益;在GEO卫星到地面站链路段宜采用10GHz左右的卫星通信窗口以规避大气的相关影响。与传统一跳链路相比,双跳链路系统可以获得更大的信噪比和信道容量,以及更小的误码率。采用现有的GEO地面天线完全能够满足深空通信的要求,提高了系统的可靠性。

萤火一号火星探测器星地测控对接试验技术

介绍了萤火一号(YH-1)火星探测器星地对接测控试验任务及过程。给出了参与试验的YH-1火星探测器、俄罗斯与欧空局地面站设备等的组成和主要技术指标。介绍了试验项目及其原理,分析了副载波多普勒频移测量和电磁屏蔽等关键技术。列出了试验确定的主要技术指标。试验结果证明YH-1火星探测器星地测控参数匹配,相关技术参数可满足火星探测要求,同时确认了地面改造建设是成功的。

深空对地观测创新工程进展与主要成果

科技创新是地质调查事业发展的第一驱动力。深空对地观测科技创新工程(以下简称工程)是中国地质调查局"地质科技创新计划"的重要组成部分。工程针对我国自主对地观测系统性、整体性不足,卫星业务应用产品类型相对单一,以及数据处理能力较为薄弱等问题,从对地观测数据体系构建、应用系统建设、自然资源与环境变化监测体系创新,以及新型对地观测技术研发等方面开展工作与部署,取得了一系列工作成果。这些成果提高了我国深空对地综合观测能力,提升了基础地质调查、地质环境监测的定量化水平。

月球空间站停泊轨道选择分析

系统梳理了月球附近可用于部署空间站的停泊轨道类型,给出了不同类型轨道的定义及主要参数,通过仿真计算和对比国内外轨道研究结论,分析了不同类型轨道的能量需求、登月任务支持性、空间环境等特点,在此基础上,分析了美国“深空之门”空间站部署轨道选择的主要考虑和依据,并提出了各类轨道的应用建议,可为未来部署月球空间站的停泊轨道选择提供技术参考。

关于深基坑支护工程中几个问题的综述

从土水压力的计算、地下水对基坑工程的影响、基坑工程的时空效应与变形控制三方面,对深基坑支护工程中存在的问题进行了论述.

深空通信中继下行链路特性研究及仿真分析

在深空通信中,由于信号传输距离遥远,功率受限的下行链路信号衰减巨大。为解决上述问题,分析地球大气层和外层自由空间的传输特性差异,提出以地球同步轨道卫星为中继站的下行链路的构想,根据每一段链路特性的不同选择载波频率。仿真结果表明,中继链路可以提高信号传输的信噪比、增大信道容量、降低误码率,提高了深空通信下行链路的可靠性。

用于深空探测任务的先进通信与导航体制(英文)

介绍了一套用于深空探测的先进通信与导航体制。在综述美国国家航空航天局相关研究进展、讨论这套体制中的关键特征技术的同时,文章利用飞行在地月平动点L3/L4/L5的晕轨道上的中继通信和跟踪卫星,建议了一种超长距离干涉测量(ELBI)技术。探讨了ELBI技术对先进通信与导航体制进行增强的可能性和应用潜力。

极低信噪比高动态信号的多普勒频偏估计算法

为了提高极低信噪比下高动态信号的多普勒频偏估计性能,提出了一种基于一阶多普勒变化率补偿的频偏估计算法。分析了一阶变化率对相干累加与非相干累加的影响,在此基础上,一阶变化率被补偿,对于相干累加,补偿消除了频谱"平台效应",提高了检测性能,对于非相干累加,补偿消除了频谱的"漂移"现象,保证了非相干累加的有效性,并推导了一阶变化率扫描间隔的计算。通过对载噪比25分贝条件下的铱星信号的频偏估计,验证了新算法在极低信噪比条件下,对高动态信号的多普勒频偏估计的性能。

载人小行星探测任务总体方案研究

设计了在近地轨道组装具有分组单元结构的载人深空飞船,包括核热推进单元、燃料储箱与供给单元、主动防辐射单元、人工重力单元、深空居住舱与多任务乘员舱等,给出了各个单元的尺寸与质量参数,并对主要单元的具体组成、功能和技术特点进行了分析。在此基础上,本文以编号4660的Nereus小行星为探测目标,设计了两脉冲转移初始轨道,并进行了轨道优化,得到了发射窗口和最优转移轨道。仿真结果表明,给出的最优两脉冲转移轨道单次施加脉冲在5km/s以内,单程转移时间在160d以内,能够满足未来能量较小的载人小行星探测任务。

月基平台对地观测数据传输链路方案设计及分析

数据传输及处理能力是月基平台构建中的一个重要问题,如何高效准确地传输海量对地观测数据至地球供后续研究是开展月基对地观测的关键环节。通过STK和MATLAB软件联合仿真,模拟月基平台对地观测数据传输链路,首次提出适用于月基平台的下行链路通信方案:通过构建中纬度地球站、最小间隔经度值为40°的2颗中继卫星组的设计方案,可以最大程度地实现全天候、无时断的信号传输,满足下行链路接收端获取足够强度和低误码率的信息,从而保障月基平台的运行。

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时,因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制,有效发射日期窗口亟需拓展的问题,采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP),研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上,重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后,采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法,通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道,研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果,证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性;该算法已应用于工程设计。