载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm~2。     

近地空间辐射和航天员辐射风险

近地空间辐射主要包括银河系宇宙线(GCR)、太阳高能粒子(SEP)、南大西洋异常区辐射带粒子(SAA)和由地球大气层散射引起的反照质子和中子.空间辐射造成的航天员辐射风险是载人航天重要关注对象.讨论了空间辐射和辐射对航天员的危害,报道了近地轨道辐射测量结果、基于辐射传能线密度(LET)观测谱和辐射风险截面的辐射风险评估LET谱方法、载人火星飞行的辐射风险以及辐射危害的应对措施.并用辐射风险计算的LET谱方法获得了地面环境辐射和火星之旅辐射风险,结果与其它方法获得的辐射风险吻合.     

火星进入减速器技术综述与展望

随着火星着陆探测任务的不断推进,火星采样返回、载人登陆火星和火星基地等任务要求能将更大、更重的探测器着陆到火星表面,这就需要在火星大气进入阶段进行高效减速。基于以往成功的火星着陆探测任务,首先系统地回顾了火星进入段气动减速技术的发展历史;然后,结合火星进入过程的特点阐述了火星进入段减速设计的必要性及其面临的挑战;接着,系统地总结了充气式气动减速器、可展开式气动减速器和超声速反推减速器的系统构成和研究进展;最后,对这3种减速器技术的未来发展方向和亟待解决的关键问题进行了比较全面的分析和展望。     

载人火星探测进展及其EDL过程GNC关键技术

随着火星探测技术的不断发展和探测任务的不断推进，载人火星探测在未来将会成为火星探测的重要手段。首先，回顾了无人火星探测任务的发展历程，对比分析了部分无人火星探测器进入、下降与着陆（EDL）过程的参数。然后，结合无人火星探测、载人月球探测和载人航天再入过程，梳理了载人火星探测的特点及需求，系统地总结了前苏联/俄罗斯和美国的载人火星探测研究进展以及技术储备。接着，归纳了载人火星探测的体系构成、集结方式和主要的技术挑战。最后，概括了载人火星EDL过程面临的难题，重点阐述了EDL的导航、制导与控制（GNC）关键技术。     

对长期飞行任务中航天员医学防护问题的思考

通过对国外航天医学发展的分析,结合我国载人航天发展实际,综述长期飞行任务中失重、辐射等因素对人体的影响,从医学监测和失重生理效应防护技术角度对行星际航天飞行任务中保障航天员的健康安全提出建议,为我国航天事业未来发展提供参考.     

载人航天废弃物的空间辐射防护性能研究

针对载人深空探索中的空间辐射,特别是大规模太阳粒子事件对航天员的威胁,需要在载人航天器内建立空间辐射应急防护区,为航天员在遭遇太阳粒子事件的时候提供必要的保护。考虑热融化压实技术在降低废弃物的空间占用率、高温杀菌和回收水分的同时能在不增加额外载荷的情况下为航天员空间辐射应急防护区的建设提供材料,在载人航天废弃物模型的基础上,利用Monte Carlo方法对其热融化压实产物的质子防护能力进行了计算,结合太阳粒子事件能谱和组织器官剂量计算转换因子,对不同屏蔽条件下太阳粒子事件造成航天员组织器官剂量的变化进行了研究。结果表明,在10 g/cm~2屏蔽厚度下,皮肤、脑、心脏以及红骨髓的辐射剂量都大大降低,均在剂量限值之下;除了需要对眼采取额外的局部防护措施以外,5 g/cm~2铝屏蔽+5 g/cm~2载人航天废弃物热融化压实产物基本上可以满足对太阳粒子事件的防护需求。     

MSL测控特点以及自主火星探测测控关键技术

火星科学实验室任务测控通信与导航技术代表了目前该领域的最新方向。在结合火星科学实验室任务特点并对其对测控通信系统设计性能、导航性能进行分析的基础上,以未来的自主火星探测以及火星采样返回任务为潜在工程应用目标,结合我国月球和深空探测测控系统的现状,梳理了我国未来自主火星探测中火星中继网络、火星探测器精密定轨,以及火星大气进入、下降和着陆过程中的信号检测与估计等关键技术。该研究对后续的自主火星探测测控通信系统的设计具有一定的参考价值,对推进我国深空探测测控系统的发展具有重要意义。     

我国首次载人月球车任务需求分析

载人探月任务中,载人月球车在确保航天员安全的同时,需要有效拓展航天员月面活动范围、提高航天员月面工作效率。针对此问题,分析国内外载人月球车研究现状和技术特点,结合我国首次载人月面探测任务,从工作模式、安全、人因工程、高速移动、平台保障、工程实现、后续扩展等方面分别开展论述,分析了我国首次载人月球车的任务需求,可作为首次载人月球车的设计参考。     

月面人机联合采样探测发展趋势与任务设想

针对月球资源的探测与原位利用需求,概述了月球资源遥感探测、采样返回分析及原位采样探测技术现状和发展趋势。面向载人登月采样探测工程需求,围绕月面人机联合采样探测,提出了不同阶段表层样品采样探测、广域分布式原位探测、大尺度月壤剖面科学钻探等任务设想,为我国未来载人月球探测总体方案制定和航天员用智能设备的研制提供参考。     

载人深空探测虚拟生活舱概念研究

载人深空探测任务中,航天员对生存空间的需求大小在很大程度上决定了任务规模和成本。针对该问题,根据实际生活中数字空间一定程度上能够替代实体空间的现象,提出了虚拟生活舱的概念,对虚拟生活舱的空间需求、功能定位等进行了初步的构想;并对载人火星探测任务虚拟舱的规模和质量进行了估算分析,结果表明,引入虚拟生活舱会使飞行器总规模降低22%。最后,对虚拟生活舱涉及到的关键技术进行了梳理,为日后的研究提供参考。     

集群化多功能载人月面着陆/上升器概念设计

针对未来载人月球探测器的的高可靠、低成本、可拓展任务等要求,提出了一种新型的集群化多功能载人月面着陆/上升器方案,采用集群模块化设计,将原本单一的登月舱进行解构,划分为指令舱、服务舱、运载航天员的登月舱以及功能模块,其中功能模块包括探测舱、仪器实验舱、通讯舱、能源舱以及包含燃料、食物和水等的后勤舱。对飞行器总体模块划分、着陆/上升飞行程序、补给方案等进行了分析,结果表明:模块化设计可实现各个模块最优着陆方案,保障航天员生命安全的同时达到解决控制难度和燃料消耗的问题;与此同时,功能模块的相互独立,有利于提高整体工作的执行效率,提高整体可靠性。该方案可为实现更多的月面任务提供足够的空间。     

美国载人登火星方案综述

综述美国载人登火星方案的主要体系结构,对各方案的轨道设计、推进方式、交会方式等问题进行了总结,详细介绍了有代表性的典型方案,对我国未来的载人登火星任务概念设计提供了有益参考。     

虚拟现实技术在空间站舱内定向训练中的应用

载人航天中,失重环境和结构复杂的空间站对航天员空间定向能力的影响极大,导致航天员可能出现空间失定向现象。针对在地面难以使用实物进行空间定向任务训练的问题,阐述了虚拟现实技术在空间定向训练中的应用,并对其特点进行了分析,设计了基于虚拟现实技术的空间定向训练系统提供飞行前的适应性训练,使航天员掌握依赖视觉信息进行空间定向的技能,为后续更为复杂的航天员空间操作任务提供新的训练方式。     

载人核热火箭登陆火星方案研究

针对未来载人登陆火星任务,比较了化学推进、电推进及核推进的优缺点,指出核热推进是未来载人登陆火星的首选。简述了美国和俄罗斯在核热推进的研究进展,指出核热/发电双模式是未来载人登火的发展趋势。提出我国近地轨道5次对接、人货分离载人登陆火星构想。在此基础上,设计了单台推力15 t,比冲940 s载人核热发动机并提出我国核热火箭2016—2035年发展研究规划。     

月球和火星探测任务捕获制动控制技术方案对比

地外天体捕获制动过程是实现载人月球、火星等深空天体探测任务的关键步骤之一,捕获制动控制误差影响极大,捕获效果直接决定着整个任务的成败。对国内外月球和火星天体捕获制动过程的控制技术进行了调研,对捕获制动策略进行了分析和对比,为我国相关探测任务的捕获制动控制系统的设计提供参考。     

利用改进遗传算法优化载人机动装置飞行轨迹

为保障航天员的生命安全，载人机动装置（ MMU ）必须实现安全飞行。利用改进遗传算法，对载人机动装置执行救援任务的飞行轨迹进行分析研究和优化设计，得到了能够避开障碍物安全返回舱内的救援轨迹，并进行了仿真验证。结果表明，该算法可以实现载人机动装置飞行轨迹安全。     

载人小行星探测器系统方案概念研究

根据载人小行星探测的飞行任务模式,提出了载人小行星探测器的系统组成方案,探测器由乘员舱、登陆舱、返回舱、推进舱组成,描述了各舱段的主要功能及指标。对乘员舱进行了系列化的设计,并基于不同的乘员舱配置,提出了4种探测器系统方案。依照探测器总质量最小的原则,提出了探测器系统方案选择的流程,并举例对系统方案的选择进行了说明,对乘员舱系列化设计的优势进行了讨论。最后,给出了对部分小行星实施载人探测的探测器系统方案和总质量估计。研究结果可为我国载人小行星探测的方案设计与论证提供参考。     

考虑相对几何约束的载人月面上升交会轨道研究

针对载人月面上升交会任务对任务快速性和自主性的高要求,基于共椭圆交会方案,将提升任务自主能力的相对测量条件和航天员的操控特点量化为着陆器与目标飞行器的相对几何约束,设计了载人月面上升交会轨道的参数。首先建立了载人月面上升交会飞行过程的时间、相位和速度增量解析模型,然后提出了相对几何约束模型,最后分析了入轨相位差随Lambert转移轨道半长轴单调递增的规律,提出了通过确定边界值来快速求解可行域的方法。仿真验证了方法的有效性,计算分析了任务周期、速度增量、相对距离在可行域内的取值情况,结果表明当目标环月轨道高度取300 km时,过渡轨道不应低于220 km,相对测量范围至少750 km。     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明，气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响，未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境，造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测，首先，建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型，获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度，与NASA和JAXA试验结果对比，结果显示符合较好。其次，依靠激波管和发射光谱测量技术，开展典型进入条件的辐射强度测量试验，数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好，验证了光谱模型。最后，对探路者号进行气动辐射加热分析，完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算，基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化，表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异；基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布，结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同，进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小，同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

2022年国外载人航天发展初步分析

2022年美国阿尔忒弥斯载人登月计划取得里程碑式的进展,成功发射阿尔忒弥斯-1,完成载人登月系统的首次全流程、全系统演示验证;俄罗斯载人航天遭遇进一步挤压,联盟5火箭与雄鹰飞船的首飞任务进一步延迟,规划的新空间站建设任务仍未得到政府批准;欧洲发展独立的载人航天能力的意愿不断加强,顺利完成新一轮航天员招募活动,以满足未来载人航天任务发展需求;越来越多的国家加入载人航天发展行列,以发展经济和提高国际地位。俄乌冲突爆发后,国际空间站成为俄罗斯与西方仍能保持合作的唯一项目,目前延寿至2028年已成定局。私人航天员任务成为2022年的新亮点,不仅成功完成首次私人航天员任务,且成为多个国家开展载人航天的主渠道;以SpaceX公司为代表的商业载人航天力量发展迅速,将承担更多的深空任务,成为未来载人航天发展及深空探测的重要角色。