月球极区水冰就位分析方案设计

结合以Luna 25、Luna 27、Viper为典型月球极区就位探测应用的光谱−质谱联用技术,介绍了包括探测机制、工作模式及仪器的功能、性能与应用;设计了“嫦娥七号”月球极区水分子分析仪,其中激光吸收光谱仪负责H2O和HDO的就位分析,飞行时间质谱仪实现H2O、CH4等质量数<200 amu气体分子的分析,通过地面试验验证了方案的可行性,可为月球南极着陆探测水冰就位探测提供支撑。

月球水冰资源综合开发技术研究概况

水冰作为月球的重要资源,是未来月球科研站以及月球基地建设和运行的基本保障,开展月球水冰资源综合开发技术研究是目前各航天大国的关注热点之一。本文调研了有关月球水冰的探测和研究成果,阐述了月球水冰的赋存状态与分布特征,详细分析了月球水冰资源在开采提取、分离纯化、储存运输和分解利用等环节的技术方案,并简要评述了各个方案的优缺点。结合中国未来国际月球科研站的建设规划与美国以建立月球基地为目标的阿尔忒弥斯(Artemis)计划,评价分析了适宜开展月球水冰资源综合开发的地区和可行的技术方案,为中国在月球两极地区的水冰资源开发利用方案提供参考。

月球极区附近典型的月面等离子体环境及地形的遮挡效应分析

由于特殊的环境条件,月球南极地区近年来逐渐成为月面着陆探测重点关注的区域。在未来开展月面南极地区探测时,探测器将受到月面复杂环境的影响。月球处于较复杂的空间等离子体环境,对南极地区月面探测器带电影响较大的环境主要包括太阳风环境、磁鞘环境和等离子体片环境等。计算在不同空间等离子体环境条件下,月球极区月面巡视器表面及附近的电位分布,并分析电位分布形成的原因。建立典型撞击坑的仿真模型,探索撞击坑附近不同带电粒子的分布以及尘埃颗粒的迁移特征。研究结果将加深对月球极区月面环境的认识,为月面探测活动中遇到的环境问题提供理论参考。

基于嫦娥二号数据的月球极区光照计算

为明确月球极区太阳能分布情况,给不同周期的月球探测任务提供参考,利用嫦娥二号CDD相机获得的DEM-50 m数据对月球极区的光照条件进行计算。创建了适用于月球极区的光照模型,生成太阳高度角数据库;以1年、8.85年、20年为时间跨度,利用模型计算月球南北极整体区域和局部区域的光照情况和黑暗期情况等数据;考虑月面以上0 m,2 m,10 m的状态对于光照情况的影响。结果表明:月球极区存在准永久光照区,主要分布在撞击坑边缘及撞击坑附近高地或连接山脊上,其中南极附近年最大光照率为86.6186%,北极附近年最大光照率为87.5114%;在时间上,覆盖章动周期和进动周期的光照条件有所改善;月面2 m高度位置,区域A~E的最大光照率均在84%以上;10 m高度位置,区域A及区域C的最大光照率均在90%以上,光照面积有所增大。

基于EDEM的月球极区采冰钻具参数的研究

针对月球极区冰采样过程钻具运动参数对钻具受力及对冰采样量的影响问题,开展了离散元仿真分析;利用SolidWorks三维建模软件设计了一款钻具,在离散元仿真软件EDEM中建立了冰的离散元模型;并将设计完成的钻具导入离散元仿真软件中,进行离散元仿真分析;选取钻具的转速作为钻具的运动参数,进行对比分析。其仿真结果表明,随着钻具转速增大,冰的采样量逐渐增大;钻具所受的力矩逐渐减小。

基于“嫦娥一号”激光测高数据的月球极区光照条件研究

月球极区光照模型为研究月球车着陆点选择和水冰存在的探测提供了依据.利用"嫦娥一号"探月卫星获取的激光测高数据,得到了全月面高精度的数字高程模型(DEM),特别是在月球两极地区,地形细节清晰可见,为极区光照模型的建立提供了精确的数据基础.本文通过由测高数据建立的DEM和月球轨道参数相结合,采用地形最大高度角法,对月球极区的光照条件及其应用进行了研究和分析.光照率的计算周期为19年,考虑了黄道和白道交点进动的影响(18.6年).计算结果表明:(1)未发现有持续光照区;(2)有长久阴影区存在;(3)在南极或北极的夏季,撞击坑边沿高地处可以享受到连续的光照;(4)Shackleton撞击坑可以作为月球车着陆的首选目标之一.

月球极区水冰钻取模拟试验系统研究

探测并利用月球极区的水资源一直是月球探测的研究热点。针对钻取及凝华装置开展系统级真空低温试验的需要,建立月球极区水冰钻取模拟试验系统,根据水的三相转化关系设计了2个阶段的试验流程,试验中混合物容器中的水可保持固态。初步试验结果表明,所建立的试验系统能够满足现阶段开展月球极区真空低温试验的需求,为验证产品性能、优化产品工况、促进月球极区水冰获取工程技术的发展提供条件。

月球极区探测轨道设计

月球后续探测工程要完成环月详查、中继以及月球极区着陆、巡视等任务,由于地面与月球南极通信条件较差,需要针对本次任务布置一颗中继星,建立满足任务需求的中继能力,完成着陆器和地面的通信。从中继轨道的选择、中继轨道与环月、着陆任务的配合等方面对月球极区探测轨道进行分析和设计,选择了周期12 h的环月大椭圆倾斜冻结轨道作为中继轨道,仿真结果表明,中继星可在轨道上运行10年不进行轨道维持,每圈轨道有三分之二的时间与月球南极通信,可为工程实施提供参考。

多器联合月球极区探测通信系统设计

通信系统是月球极区探测器的重要组成部分之一。月面极区着陆器通信条件相对于低纬度地区探测有较大的差异,通信系统设计需结合月面极区软着陆探测任务实际,针对其任务的特点和需求开展相关设计工作。对多器联合月球极区探测通信开展任务分析,分析了通信系统架构、通信环境条件和数据量等任务需求,并设计了月球极区通信系统链路架构。该方案基于一套由月球中继通信网络和月面通信网络组成的链路构架,通过异构链路互为备份、多中心节点等方式实现了系统的可靠性与可扩展,兼顾了系统内的资源优化配置,可为未来月球极区探测通信技术工程实施提供指导。

月球极区水冰采样探测技术综述

面向月球水冰科学探测需求,根据月球极区环境及水冰特性,总结了实施月球极区水冰采样探测任务面临的挑战及所需的关键技术。根据水冰采样点选址预判需求,概述了力学触探、热电物性触探、雷达探测、光谱探测、中子谱探测5种方法;面向表层暴露水冰采样需求,阐述了铲挖式、浅钻式、磨削式3类表取采样技术;根据次表层埋藏水冰采样需求,概括了星壤次表层潜入技术体系,介绍了集成传感、挥发分提取、星表取钻屑、钻头外取屑、钻头内取屑、取芯6类钻进采样技术。对中国实施月球水冰采样探测任务技术途径提出了建议。

月球两极探测进展

从20世纪开始月球探测成为人类太空探测的重要内容,月球探测的手段越来越多样化,探测的分辨率越来越高,探测的区域也逐渐由全月转变为局部。月球的南北极区由于特殊的地理条件存在大面积的永久阴影区,因此一直以来备受国内外学者的重视。介绍了目前国内外对月球极区探测在光学影像、数字高程、水冰以及亮度温度等方面取得的重要科学成果,并且介绍了探测设备的参数,为我国正在开展的月球探测提供参考和建议。

含冰模拟月壤切削负载试验研究

“探月工程四期”计划前往月球南极永久阴影区开展月壤水冰钻探任务,获取深低温环境下月壤水冰的机–壤力学作用特性对采探机具的研制具有重要的意义。面向月壤水冰这一新研究对象,制备了与极区月壤水冰具有矿物组分、粒径级配相似性的切削试验用模拟月壤,首创并研制了液氮浴切削力载测试平台,建立了深低温月壤水冰模拟物的切削试验条件,在此基础上开展了月壤水冰模拟物的切削力载测试试验,并初步获得了不同切深、不同样本温度、不同样本含水率工况下的切削负载数据,可为钻进采样机具的研制提供参考依据。

月球极区探测的主要科学与技术问题研究

月球极区探测是目前各航天大国竞相角逐的战略制高点。在简要总结国内外月球探测发展动态的基础上,研究分析了月球极区探测需关注的主要科学问题和需要突破的主要技术问题,旨在为我国后续开展极区探测提供参考。

月球南极月基平台选址分析

针对月球南极的月基平台选址问题,选取表面光照、对地观测条件和坡度作为主要参考因素,评估月表太阳能及热环境条件、科学数据获取能力及构建难度;基于地形数据和日、地、月三者的轨道数据建立的月面光照及月基对地观测一体化几何模型对7个重点区域(M1~M7)开展研究,将光照率大于80%且对地观测率大于30%的月面位置作为月基平台初选区,分析其坡度条件并开展分级评价。研究结果:结合各初选区特点最终推荐了3个优选级较高的月面区域作为选址区,分别位于德·杰拉许(De Gerlache)撞击坑东部边缘(M1内),斯维德鲁普(Sverdrup)撞击坑与沙克尔顿(Shackleton)撞击坑之间的山顶处(M4内),以及Shackleton撞击坑与斯莱特(Slater)撞击坑之间的山顶处(M7内)。该研究可为后续的月球南极探测任务提供参考。

月球极区钻取采样技术

我国正在积极开展针对月球南极的探月四期工程论证,将探索月球极区物质组成、资源分布及存在形式作为后续月球探测的重要科学目标,拟对月球极区开展采样原位探测和采样返回探测。由于月球极区特殊的环境特性,极有可能存在冻土形式的含水月壤或水冰,开展针对这类对象的采样技术研究将有力支撑未来月球探测任务的论证和实施,具有重大的工程意义。面向探月四期工程,在对极区采样作业环境、作业对象分析的基础上,对极区钻取采样关键技术进行了梳理提炼;针对月球南极永久阴影区原位探测和非永久阴影区采样返回两项任务需求,分别开展了钻取采样机具设计要素分析,对任务作业模式及采样机具提出了方案设计,并介绍了相关技术研究和产品研制的进展情况。

月球极区冻土模拟月壤钻进试验研究

月球极区已经发现水资源存在的证据,极区水资源的探测、采集与利用技术日益成为世界各国研究的热点。冻土是月球极区水资源存在的重要形式,对极区冻土实施采样返回作业是未来深空探测的重要任务内容。为满足未来冻土采样任务需求,在中国首次开展了冻土模拟月壤采样技术试验研究。基于探月三期模拟月壤制备基础,结合国内外极区冻土类月壤含水量探测与分析信息调研,进行不同含水量的冻土模拟月壤制备,开展钻取试验,初步总结冻土类模拟月壤钻进特性。通过试验得出结论,相较于高密实度的无水模拟月壤,冻土类月壤黏度更大,所需钻进力载更大,钻进过程排粉状态明显不同,需采用的钻进策略也有显著差别,样品形态因含水量不同呈现块状散体或柱状。试验获得了冻土模拟月壤钻进特性第一手资料,可支持后续冻土月壤采样技术深入研究。