潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。     

近地小行星采矿与防御计划发展现状

近地小行星交会、绕飞、着陆与采样返回技术经过数10年的发展日趋成熟。美国的OSIRIS-Rex对C类小行星进行特征分析与采样,日本宇宙航空研究开发机构的“隼鸟-2号”任务目的是小行星深层采样。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）的小行星探测任务开始转向行星防御领域。NASA的ARM（Asteroid Redirect Mission）计划是开展小行星抓捕与轨道重定向,ESA联合NASA提出了小行星撞击与偏转评估计划,拟对双星系统开展撞击实验,为行星防御提供技术积累。此外,行星资源公司和深空工业公司分别规划了小行星商业采矿的蓝图,并已开展相关的在轨技术验证。对近地小行星的探测历程进行了回顾,重点介绍了OSIRIS-Rex、“隼鸟-2号”、NASA和ESA的行星防御计划及小行星采矿公司的商业采矿战略规划,总结了未来开展行星防御与采矿的关键技术。     

近地小行星防御策略分析

近年来,各国针对近地小行星的威胁及相应防御策略的研究越来越多。调研了国内外近地天体观测发展现状和多种近地小行星撞击地球的防御策略,通过比较分析防御策略的实现原理、关键技术和存在的问题,对各种策略的适用性、可行性和有效性进行了评估。通过对各种策略的分析和总结,结合我国近地小行星防御策略的研究现状,尝试性提出了采用多种策略组合的方式对有潜在威胁的小行星采取相关有效方案,为航天器的研制和防御策略的实施争取更多的时间。     

小天体动能撞击防御中动量传递因子敏感参数分析

动量传递因子 $ beta $ 是评估动能撞击效果的重要参量。根据动能撞击过程中动量传递因子的理论模型,分析了撞击器特性参数和小天体结构特性参数对动量传递因子取值的影响,并对不同动能撞击方案以及不同材料特性小天体的成坑效应和动量传递因子进行分析。研究表明：标度律参数 $ mu $ 对 $ beta $ 影响较大, $ mu $ 是地面实验拟合得到的系数,与材料强度特性相关;当小天体为单体岩石结构时,撞击器速度及密度、小天体密度及表面强度对 $ beta $ 影响较大,而撞击器半径和小天体引力对 $ beta $ 影响较小;当小天体为碎石堆结构时, $ beta $ 对撞击器特性参数和小天体特性参数不敏感,且数值较小。对三种不同动能撞击方案的成坑效应与动量传递因子形成规律进行研究,发现撞击器初始动能对 $ beta $ 影响较大。当小天体为单体岩石结构时,其对应的动量传递因子取值较大,而当小天体为碎石堆结构时,其对应的 $ beta $ 取值较小且基本不变。对相同动能撞击方案下不同材料特性小天体（C型、S型和X型小行星）产生的撞击效应进行分析,发现在引力主导时,βC>βS >βX,而在强度主导时 $ beta $ 取值较小且基本相同。     

近地小行星撞击事件处置规则与处置流程

针对中国近地小行星防御研究在处置规则、协同机制、运行流程等方面存在的不足, 为了应对小行星防御和灾害救援方面不断提升的需求, 提出一种小行星防御仿真推演策略. 根据国内外小行星防御发展现状, 分析了中国小行星防御方面存在的差距. 从机制建立和协同应急处置的角度出发, 分析了国内外小行星防御仿真推演情况. 基于国内外研究现状, 设计了一套小行星防御仿真推演方案, 提出了中国开展小行星防御演练的组织架构, 包括指导层、事件处置层和业务支撑层等三个层次, 为小行星防御演练提供基本的组织支撑; 给出了小行星撞击事件的应急响应机制和一般处置规则设想, 为事件的处置和组织架构中各层次运行提供了规则基础; 初步设计了演练场景, 对机制和规则进行了验证, 为近地小行星防御工作组织及实施提供了参考.     

小行星撞击地球:遥远而现实的威胁

绝大多数小行星和彗星会从我们的居住地——地球身边\"擦肩而过\",但是宇宙中总有一些麻烦的制造者,极少数的小行星或彗星有可能会与地球相撞,地球表面的巨大陨石坑就是证据。将人类文明毁灭的撞击并不是不可能的,6500万年前的恐龙灭绝有可能就是由于小行星撞击地球造成的。体积越小的小行星制造灾难的可能性更大,因此,科学家们日益重视这些小行星给地球带来的威胁,一些学者甚至呼吁应该把保护人类的居住地不受外来天体袭击作为国防政策之一。专家认为,先进的科学技术有可能     

三小行星系统216 Kleopatra引力场中的动力学

主带三小行星系统216 Kleopatra是由主星216 Kleopatra及两个小月亮(moonlet)Alexhelios[S/2008(216)1]和Cleoselene[S/2008(216)2]组成。其中主星216Kleopatra是一个具有强不规则形状如哑铃的连接双星,大小为217km×94km×81km,外小月亮Alexhelios大小约为8.9km,内小月亮大小约为6.9km。其动力学行为具有非常丰富的科学内涵。研究了三小行星系统216Kleopatra自身的动力学机制及其引力场中探测器的运动规律,分析了主星质心固连系中探测器的动力学方程,给出了三小行星引力全多体问题的动力学方程及Jacobi积分,方程考虑了三个小行星的不规则外形、轨道与姿态。发现三小行星系统216Kleopatra主星引力场中一种新的周期轨道族的倍周期分岔。考虑主星的不规则精确外形与引力、两个小月亮的相互作用,研究了该三小行星系统的动力学构形。发现Kleopatra的强不规则几何外形及两个小月亮Alexhelios和Cleoselene的相互作用引起两个小月亮的轨道参数的显著变化。     

Spacecraft formation flying for Earth-crossing object deflections using a power limited laser ablating

A formation flying strategy with an Earth-crossing object (ECO) is proposed to avoid the Earth collision. Assuming that a future conceptual spacecraft equipped with a powerful laser ablation tool already rendezvoused with a fictitious Earth collision object, the optimal required laser operating duration and direction histories are accurately derived to miss the Earth. Based on these results, the concept of formation flying between the object and the spacecraft is applied and analyzed as to establish the spacecraft’s orbital motion design strategy. A fictitious “Apophis”-like object is established to impact with the Earth and two major deflection scenarios are designed and analyzed. These scenarios include the cases for the both short and long laser operating duration to avoid the Earth impact. Also, requirement of onboard laser tool’s for both cases are discussed. As a result, the optimal initial conditions for the spacecraft to maintain its relative trajectory to the object are discovered. Additionally, the discovered optimal initial conditions also satisfied the optimal required laser operating conditions with no additional spacecraft’s own fuel expenditure to achieve the spacecraft formation flying with the ECO. The initial conditions founded in the current research can be used as a spacecraft’s initial rendezvous points with the ECO when designing the future deflection missions with laser ablation tools. The results with proposed strategy are expected to make more advances in the fields of the conceptual studies, especially for the future deflection missions using powerful laser ablation tools.     

卫星太阳电池阵的刚-柔耦合动力学

研究了卫星太阳电池阵在多点撞击过程中的刚-柔耦合动力学问题.基于Jourdain速度变分原理和单向递推组集方法,建立了柔性多体系统的动力学模型.用Hertz撞击法则建立了撞击力和撞击处的局部变形关系,分别用刚体模型和柔性体模型仿真计算了太阳电池阵的撞击力、撞击时间,揭示了变形运动和大范围运动的相互耦合作用.     

飞机拦停网强度及拦停系统性能评估的数值方法

为了评估飞行器拦停系统性能以及拦停网强度裕度,采用非线性动力学有限元方法模拟了飞机拦停系统的工作过程,考虑了飞机外形、飞机和捕获装置间的相互作用、捕获装置重量、材料性能等因素对拦停过程的影响,解决了建立有限元模型、添加边界条件以及计算中非线性因素多,收敛困难等关键技术问题,获得了捕获装置在工作过程中应力的演化规律,完成了捕获装置拦停性能验证以及拦停系统结构强度、裕度评估.通过将理论分析结果与试验数据对比后表明:该方法可用于评估拦停系统拦停效率并预测捕获系统的强度储备,为今后设计拦停系统提供有效的分析方法.      

激波诱导推力矢量喷管不同气体喷注时的性能分析

针对激波诱导推力矢量控制研究仅限于主流和次流气体为同种气体的研究现状,开展了不同次流气体分子质量对推力矢量性能的影响规律研究。首先采用二阶精度AUSM+格式和k-ω SST两方程湍流模型求解三维Favre平均Navier-Stokes方程,模拟了喷管复杂干扰内流场。然后计算了He、N₂和CO₂等次流气体在不同注气角度、注气压力和主流落压比下的矢量偏转角度和推力系数。计算结果表明：平均分子质量越小的次流气体矢量偏转角度越大,推力损失越小。因此可选用平均分子质量小的气体作为次流气源,或者将从燃烧室引出的高温燃气与分子质量小的气体混合。     

压力服受力层强度研究

以薄壁压力容器强度计算理论为基础,对原料、织物组织结构、裁剪、缝合工艺及环境等影响压力服受力层强度的相关因素,进行了科学分析与大量试验研究。为压力服受力层织物的选择,加工制作工艺的确定及适宜使用环境等,给出了明确的研究结论,为保障压力服受力层的研制及加压时具有良好的安全性奠定了基础。     

泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型

Taylor撞击常用于测试材料的动态屈服强度。泡沫压缩密度与压缩应变的关系对泡沫子弹Taylor撞击的理论分析起着重要的作用。本文通过引入塑性泊松比,得到了泡沫压缩密度与压缩应变的准确关系,进一步建立了可压缩泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型。当塑性泊松比为常数时,文中建立的泡沫受压后密度比的一阶泰勒展开式可以退化到已有模型。当塑性泊松比为塑性应变和子弹相对密度的函数时,相对密度会影响泡沫子弹的冲击响应历程及最终变形,但对撞击持续时间影响较小。同时,初始速度也会影响子弹最终变形和撞击持续时间。本文的理论工作可以为分析泡沫材料的动态力学行为提供有益指导。      

基于自适应重要抽样的可靠性分析方法

基于自适应重要抽样(AIS,Adaptive Importance Sampling)的可靠性分析方法,能够克服基于蒙特卡洛方法分析小概率事件时存在的效率低、精度差问题.为解决显性失效方程不存在时寻找失效点困难问题,首先利用条件递归寻找失效点,并使之尽可能在失效面附近;以该失效点为采样中心,抽取失效样本,并不断调整采样中心,使失效样本不断靠近设计点;然后利用这组失效样本估计重要抽样函数的参数,再执行自适应迭代过程,直至失效概率的误差缩小到允许误差限内.最后通过两个典型案例对方法进行应用验证,仿真结果表明在没有失效方程的情况下,能够通过仿真方法很快找到失效点,表明对于不存在显性失效方程的系统,该方法同样适用.与蒙特卡洛方法的对比结果表明该方法在仿真效率上具有较大优越性,且失效概率越小,这种优越性越明显.