2020年全球重要空间科学发射任务

2020年全球重要的空间科学发射任务约10次，主要集中在行星科学，包括4次火星探测和1次月球探测。中国GECAM卫星、欧洲太阳轨道探测器以及嫦娥五号和火星探测等任务都计划发射升空，为开展空间引力波研究、太阳爆发机制、行星起源和演化等科学前沿取得发现奠定重要物质技术基础。      

欧美发射太阳轨道探测器推动抵近太阳观测

在历时20余年的立项和研制进程后，2020年2月10日由欧空局（ESA）主导、美国参加的太阳轨道探测器任务在美国发射升空，这是人类首个对太阳极区成像的空间太阳物理任务。太阳轨道探测器将用约3年时间在水星轨道以内的大椭圆日心轨道开展近距离太阳观测，用7年（包括3年延寿期）时间在黄道面外开展太阳极区高分辨率成像及探测。该任务有望进一步揭示太阳磁场，太阳活动爆发，太阳风起源、加速及其行星际传播和对地球空间天气的驱动等重要前沿问题的本质，加深对太阳活动周以及日地联系的理解。该任务启示中国空间科学要重视太阳深空观测任务的前瞻布局与立项实施。      

太阳极紫外光谱探测的历史与展望

围绕国际一流科学目标，发展顶级探测设备是中国太阳物理位列国际先进行列的立足点。70多年的空间太阳探测历程中，极紫外波段探测发挥了极其重要的作用，极紫外观测设备也几乎成为了太阳探测卫星的必备载荷之一。中国在极紫外探测，尤其是光谱探测方面的基础非常薄弱，导致相关科学研究几乎全部依赖国外数据，从而严重制约了中国太阳物理学科的发展。本文根据太阳极紫外探测的特点，系统分析了国外光谱探测的历史、现状以及未来发展趋势，并归纳了三类主要探测方式，即全日面积分光谱探测、低速光谱成像探测、快速光谱成像探测的当前水平，包括其技术方案及取得的部分科学成果。在此基础上，提出中国太阳极紫外光谱探测“三步走”的发展思路，并对每一步的科学目标、指标需求和候选探测方案提出建议。同时，展望了在太阳极紫外成像探测方面开展创新性尝试的思路。     

基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道设计

对于太阳抵近探测任务,从地球直接发射探测器至太阳附近需要消耗巨大能量,通过多次金星借力飞行,可有效降低地球发射能量C₃及中途变轨的燃料消耗.本文研究基于金星共振借力的太阳抵近探测任务轨道优化设计,建立了连续共振借力和混合共振借力的转移轨道优化设计模型,并针对2025—2028年的发射窗口开展太阳抵近探测任务轨道优化设计.仿真结果表明,相比连续共振借力,混合共振借力可以有效缩短太阳抵近探测任务的轨道转移时间,对于地球发射能量C₃和中途变轨燃料消耗的影响未见明显的规律性,能量降低与序列中的共振比相关.      

基于视线矢量的深空自主导航算法研究

针对深空探测器在行星际飞行的轨道确定问题, 研究了一种基于视线矢量的自主导航算法. 结合深空探测任务的特点, 以太阳视线矢量和地球视线矢量作为导航系统的观测量, 在详细分析太阳敏感器测量原理的基础上, 给出了太阳视线矢量的观测模型及其观测误差表达式. 通过分析导航相机观测原理, 给出像元像线观测模型, 并推导了地球视线矢量的观测误差. 根据惯性空间内视线矢量间的几何关系, 详细推导了探测器的位置矢量及其误差表达式, 结合非线性扩展卡尔曼滤波建立自主导航算法. 利用深度撞击任务的实际飞行数据对本文提出的深空自主导航算法进行了仿真验证.      

基于空间矢量天线的太阳低频射电爆发探测研究

目前已有空间探测器对太阳的甚低频射电爆发进行的探测主要是频谱观测,针对太阳低频射电爆发的成像观测仍然是空白,利用空间矢量天线可以对太阳低频射电爆发(包括Ⅱ型和Ⅲ型暴)进行空间定位和一定的成像观测.研究针对空间(甚)低频射电探测器对太阳射电爆发的探测,提出了利用三极子矢量天线对太阳爆发进行定位的算法;基于部分空间甚低频设...     

嫦娥二号再传佳音 成功从172万千米外深空传回科学探测数据

9月中旬,我国第二颗月球探测卫星嫦娥二号成功从172万千米外深空,传回第一批科学探测数据。这些数据是嫦娥二号从月球飞往日地拉格朗日L2点过程中,太阳风离子探测器、太阳高能粒子探测器、γ射线谱仪等三种有效载荷开机,所获取的空间环境探测数据。根据工程总体安排,将于近日择机再次开启     

“尤利西斯”将“退出历史舞台”

“尤利西斯”1990年由航天飞机发射,是研究太阳两极上下空间环境的首个探测器,全部探测任务由欧空局和美国航宇局联手实施。它传回的大量数据永久改变了科学家对太阳及其周围空间影响的看法。到目前为止,“尤利西斯”服役时间已达到预期寿命的近4倍,可能将在一两个月内因再也无法耐受恶劣的环境而“退出历史舞台”。它处在绕太阳运行、周期6年的轨道上,最远处达到木星轨道。     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

基于多目标遗传算法的太阳高纬探测器轨道设计

针对太阳高纬度探测器轨道设计任务要求, 研究了基于多目标遗传算法的小推力借力飞行轨道设计方法. 基于圆锥曲线拼接假设, 将探测器轨道分为小推力日心转移轨道段和木星借力飞行轨道段两部分. 在日心转移轨道段, 选择燃料最省为优化目标, 采用标称轨道法设计小推力的推力控制率. 在借力飞行轨道段, 选择借力后日心轨道倾角为优化目标, 对借力飞行的关键参数进行分析. 采用多目标遗传算法对该多目标进行了优化. 结果表明, 多目标遗传算法可以有效地解决轨道设计中的多目标优化问题. 优化得到的小推力控制率不仅可以节省发射能量, 还可以保证借力飞行后探测器能够进入太阳高纬度探测轨道.      

深空探测太阳电池阵应用及关键技术分析

从1958年启动月球探测活动至今,经过几十年的发展,人类在深空探测领域取得重大成果。本文首先介绍地内行星、地外行星与登陆探测等领域探测器用太阳电池阵技术的应用情况,同时结合地内行星探测、地外行星探测与登陆探测任务所面临的不同空间环境特点对航天器太阳电池阵进行关键技术分析,梳理深空探测任务对太阳电池阵不同的技术需求及其所需解决的关键问题,从中得出未来深空探测太阳电池阵技术的趋势是将向更高效率太阳电池阵、环境自适应技术、高重量比功率、高体积比功率的方向发展。     

基于在轨组装维护的模块化深空探测器技术进展与应用研究

在轨组装与维护是航天器在轨服务技术的基本内容,而模块化设计则是实现航天器在轨组装与维护的一项主要支撑技术。调研总结了国外深空探测领域模块化航天器设计以及在轨组装与在轨维护实施的技术进展,主要包括模块化地外行星着陆探测器、大型在轨组装深空探测器、布置于SEL2(Sun-Earth Libration 2)等轨道的超大型在轨组装空间望远镜系统等,分析了深空探测器领域应用模块化设计实现在轨组装与维护的关键技术要素。针对深空探测航天器长寿命、高可靠、特殊推进系统及其设备配套等技术特点与需求,提出一种应用在轨组装与维护技术的火星多任务探测器系统设想,介绍了探测器系统的任务架构、基本组成、轨道策略等,为我国深空探测技术发展以及新型深空探测器研制提供参考。     

太阳电池电路深空探测服役环境与关键技术分析

针对月球、火星、木星等不同的深空探测任务，本文通过在轨服役环境分析，说明了火星探测火星表面光谱计算方法、火星光谱太阳电池设计思路、火星表面除尘技术路线及木星探测低温低光强技术风险。结合工程技术经验，给出了特殊任务应用条件下单片太阳电池推算整板输出功率的计算方法，解决了我国尚无特殊条件的瞬态大太阳模拟器作为整板输出功率测试地面模拟光源的工程难题，为相关科研人员提供参考。     

模块化空间折展机构研究现状与展望

模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点,可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求,是一种新型关键的航天装备。针对应用需求,阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展,重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型,分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状,从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面,展望了模块化空间折展机构未来的发展方向,旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。     

中国空间生命科学40年回顾与展望

我国空间生命科学的探索起源于20世纪60年代,1981年随着空间生命专业委员会的正式成立,依托此专业的学术交流平台,空间生命科学进入多学科并进多机构建设的新阶段.随着中国载人航天及空间探索研究的深入发展,以分支学科或重大问题为牵引,我国在空间生命科学的几个重要领域取得了一系列关键成果.本文从发展历程、研究成果、平台模型、重大项目与后续展望等方面综述了我国空间生命科学40年的发展历程与标志性成果,为后续发展提供借鉴与参考.      

在轨3D打印及装配技术在深空探测领域的应用研究进展

以太阳帆深空探测为引子,对以在轨3D打印及装配技术为基础的在轨制造技术的必要性和可行性进行分析,分别阐述了在轨3D打印技术的技术优势、技术可行性以及在轨装配的最新研究进展,并重点研究了美国NASA资助的“蜘蛛制造”在轨制造技术,此项研究成功地将在轨3D打印和空间自主装配有机结合起来,有望突破目前空间可展开机构无法达到万米量级的技术局限性,为中国深空探测的发展提供了一种可供选择的发展思路。     

有大气行星悬飞探测初步设想与可行性探讨

提出了一种有大气地外行星悬飞探测方式,该探测方式是利用被探测天体存在大气的环境特点,实现探测器在被测天体的"飞行"机动,克服目前已有的环绕探测、着陆探测、巡视探测和采样返回探测四类无人深空探测方式受地形、地貌约束无法实现大范围机动就位探测的不足。提出了悬飞探测器的典型任务工作模式设想,建立了悬飞探测器的六自由度动力学模型,并针对太阳系内典型的有大气行星环境(火星和土卫六)特点,给出了悬飞探测器的动力学特性并开展了仿真分析。在此基础上,首次提出了悬飞探测器的可行性约束系数,为悬飞探测器在深空探测的可行性研究提供了理论依据。     

深空探测器自主控制技术综述

深空探测是人类考察、勘探和定居地球外其它天体的第1步,而深空探测器的自主控制技术则是确保深空探测任务成功完成的重要关键技术之一。从"自主导航、自主制导与控制、自主任务规划、自主故障诊断与重构"4个方面对深空探测器自主控制技术的研究现状进行综述,分析了已有的深空探测器自主控制技术存在的问题,并根据深空探测技术发展和任务实施的需求,提出了深空探测器自主控制技术未来研究的发展趋势。     

面向深空探测的电磁帆推进技术研究进展

电磁帆是一类利用太阳风驱动的无工质或少工质新型推进技术,在需要推力器长时间工作的深空探测任务中具有非常广阔的应用前景。首先介绍了电磁帆的基本概念和主要分类,其次分别介绍了电帆、纯磁帆和磁等离子体帆三类推进方式的系统组成和工作原理,重点介绍了各自的研究现状,并梳理出了相关关键技术,同时介绍了等离子体磁罩技术。最后对电磁帆推进技术研究进展进行了总结,为国内开展此方面研究提供了研究方向和发展思路。     

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。