应用太阳帆悬停探测哑铃形小行星

研究了太阳帆航天器在哑铃形小行星引力场内的悬停探测可行性问题。哑铃形小行星代表了一类细长形的小行星,文中首先建立哑铃形小行星的简化动力学模型。针对可变反射面积的太阳帆,给出其在小行星引力场内的悬停动力学方程,并仿真求解了哑铃形小行星附近的太阳帆可行悬停探测区域。     

强不规则天体引力场中的动力学研究进展

小行星探测与彗星探测是深空探测的重要方面。一般来说,小行星和彗星因质量都不足以使得万有引力克服应力达到流体静力学平衡,而具有强不规则的外形。研究强不规则天体引力场中的动力学行为及其内在机制,是探测器被不规则天体捕获并对其形成近距离探测轨道的基础。从引力场模型和动力学行为两个方面综述了强不规则天体引力场中动力学的研究进展,在引力场模型的研究方面介绍了强不规则天体引力场建模的球谐函数摄动展开模型、简单特殊体模型及多面体模型的研究现状,在动力学机制的研究方面介绍了强不规则天体引力场中的周期轨道和拟周期轨道、平衡点、流形、分岔与共振以及混沌运动的研究现状,指出了这些方面研究的重点与难点。分析了强不规则体引力场中动力学的研究趋势。     

小行星附近制导与控制研究综述

由于小行星具有引力场不规则、物理参数不确定性大、表面逃逸速度小等因素,使得小行星附近制导和控制极具挑战性。回顾了小行星探测任务的历史、现状和意义;针对小行星附近制导与控制研究的基础即小行星附近动力学,分析了研究现状;针对悬停、绕飞、转移、着陆等任务形式,详细介绍了轨道制导和控制方法方面的热点问题和研究现状;基于研究现状,列举了部分未来可进一步研究的方向和问题。     

双小行星系统引力场建模方法研究

针对弱引力双小行星系统的引力场建模问题,本文采用复杂度和精度依次递增的球体–球体模型、椭球体–球体模型和改进的限制性椭球体–椭球体模型来进行引力场建模,并分别采用椭圆积分以及无积分环节、计算效率高的二阶二次球谐函数来表征引力势,从而比较精确地刻画双小行星系统和探测器构成的限制性全三体问题的动力学模型;针对双小行星系统1999KW4,对其不同的引力场模型进行了仿真研究,分别给出了不同模型下的等效势能函数曲面及零速度曲线,比较了不同模型下的平动点位置坐标偏差。结果表明,二阶二次球谐函数计算引力势的椭球体-椭球体模型计算精度高,复杂程度低,计算量更少,计算速度更快,能够较精确的对双小行星系统进行引力场建模。     

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。     

一种不规则小行星附近周期轨道全局搜索策略

研究不规则小行星附近的自然周期轨道,有助于更好地认识小行星附近的动力学特性。周期轨道的搜索过程需要频繁地进行轨道递推,其中绝大多数的计算时间消耗在不规则小行星附近的引力加速度计算中。为提高加速度计算效率,提出一种不规则小行星引力加速度快速估计方法;在此基础上,通过参数空间内随机化粗略搜索获得周期轨道的初值猜想;利用遗传算法在初值猜想附近区间进行精细搜索,找到周期轨道的初值。通过对不规则小行星433 Eros附近周期轨道的搜索,对其附近不同形状的周期轨道进行了分类,分析周期轨道在小行星附近的分布规律。     

引力透镜效应

根据广义相对论，引力透镜效应就．是当背景光源发出的光在引力场（比如星系、星系团及黑洞）附近经过时，光线会像通过透镜一样发生弯曲，其程度主要取决于引力场的强弱。分析背景光源的扭曲，可以帮助研究中间作为“透镜”的引力场的性质。根据强弱的不同，引力透镜现象可以分为“强引力透镜”和“弱引力透镜”效应。     

基于动态分析的多面体模型非仿射扩展方法

多面体模型只能表示循环中访存数组下标可以用仿射表达式表示的循环,针对这个限制设计一种基于动态分析的方法对多面体模型的表示范围进行扩展.该方法利用程序运行时的动态信息,将循环非仿射表达式中的循环全局参数用定值替换,推测生成非仿射循环的参数定值化版本,使之可以被多面体模型表示.该方法扩展了多面体模型的表示范围,使更多的代码区域可以被并行优化,提高了程序中SCoP的覆盖率,提高了程序运行的加速比.实验证明了该方法的有效性.     

基于动态分析的多面体模型非仿射扩展方法

摘要： 多面体模型只能表示循环中访存数组下标可以用仿射表达式表示的循环,针对这个限制设计一种基于动态分析的方法对多面体模型的表示范围进行扩展.该方法利用程序运行时的动态信息,将循环非仿射表达式中的循环全局参数用定值替换,推测生成非仿射循环的参数定值化版本,使之可以被多面体模型表示.该方法扩展了多面体模型的表示范围,使更多的代码区域可以被并行优化,提高了程序中SCoP的覆盖率,提高了程序运行的加速比.实验证明了该方法的有效性.     

星际旅行的最佳工具声波飞行器

它象一把大铁锹,头朝下在大气中运动,更确切的名字叫冲浪板,事实上它是空间飞行器的实验室设计品——声波飞行器(Waverider)。目前在太阳系内飞行的飞行器,是借助行星引力场助推的方法,提高其飞行速度。例如伽利略探测器,先绕地球飞行,经地球引力场助推,飞向金星,绕飞金星,又经过金星引力场助推,再飞向地球,再获得地球引力场助推。这三次引力场助推——三次提高探测器的飞行速度,使探测器穿过小行星带(目前正在这一段飞行),飞回地球,最后一次借助地球引力场助推,飞向木星,时间长达6年。     

基于双椭球模型的双星系统稳定性研究

太阳系中存在着数量众多的双星系统。研究双星系统对于认识小行星的起源和演化有着重要意义。本文以双椭球模型,使用Joshua推导的四阶精度相互势,对双互锁双星系统进行研究。并通过KTC定理证明其稳定性。研究结果验证了卫星和主星存在相对滚转角速度是双互锁系统的一种可能的绕转方式。     

Physical study of outer belt asteroids

Located in the proximity of Jovian resonances, the outer belt asteroids are kept from interacting with other asteroids and are likely to represent a population of primitive bodies. The systematic investigation of the physical properties of these objects and the subsequent understanding of their nature and origin, will have a direct implication for any theoretical study on the evolution of the solar system. In the last decade the information on the spectral and photometric properties of distant asteroids has strongly increased, leading to the formulation of specific questions, the answer to which will enable a comprehensive picture of this class of bodies. Since 1988 our group is carrying out a program devoted to the physical study of the Trojans and outer belt asteroids (Hilda and Cybele groups) to characterize their rotational properties, composition and shapes. During several observing campaigns, carried out at different observatories, reliable rotational periods and light curve amplitudes have been determined for eight distant asteroids using both CCD and photoelectric photometry. We will here present some preliminary results of our campaigns.     

The dynamical environments analysis of surface particles for different shaped asteroids

Asteroids are coming to be a popular topic in the areas of astrophysical studies and deep space exploration recently. However, surface dynamics of asteroids is still a difficult problem. This paper aims at the motion analysis of surface particles for different asteroids. The dynamical analysis method of particles’ movement is given for three parts: global motion trend, local motion trend and static analysis. A dimensionless parameter ζ is defined to distinguish the predominant term to determine the distribution of effective potential. Three kinds of common asteroids: spheroidal asteroid, spindle-shaped asteroid and dumbbell-shaped asteroid are all discussed for those three parts with different parameter ζ. The motion trend of particles on the surface of each kind of asteroid is given. The static analysis of surface particles for different asteroids is also illustrated. Based on them, some common rules for different shaped asteroids are revealed. This paper could not only provide a reference for asteroid exploration missions but also be meaningful for the research of morphologic evolution of asteroids.     

太阳系天体引力对空间引力波探测日心编队构型的影响分析

针对太极空间引力波探测任务,建立了太阳系天体引力摄动对日心编队构型影响的数学模型,利用仿真手段分析了太阳系中行星和月球、矮行星和小行星引力摄动对空间引力波探测日心编队构型的影响,提出了一种综合考虑小行星到卫星轨道距离和星等的二重筛选方法,能够快速估计小行星相对加速度的上界.分析了日心编队构型卫星初始相位角变化对太阳系天...     

On tethered sample and mooring systems near irregular asteroids

A tethered asteroid sample and mooring system is investigated in this paper. In this system the spacecraft is moored to the surface of an irregular asteroid such as 216 Kleopatra by using a rocket-propelled anchor with a cable. The rocket-propelled anchor is a kind of space penetrator, which can inject into asteroids at high speeds generated by its own rocket engine. It can be used to explore the interior structure of asteroids, and it can also be used as a sample collector. When the sampling mission is done, the sample can be pulled back to the spacecraft with the anchor. Using this method, the spacecraft can be kept in a safe region in which it cannot be trapped by the gravitational field of the asteroid. This work is concerned with the dynamics of the tethered system near irregular asteroids. First, a shape model and gravitational field model of irregular asteroids are built. Then, the configuration and the stability of the tethered system are investigated, and the quasi-periodic motion near the equilibrium point of the tethered system is analyzed. Finally, the non-uniform density distribution of the asteroids is considered. The deployment process and the oscillation of the tethered system in the uncertain asteroid gravity field are simulated using the Monte Carlo method. The feasibility of the tethered asteroid sample and mooring system is proved.     

近地小行星威胁与防御研究现状

近地小行星与地球碰撞虽然罕见但可能会造成灾难性后果。近年来,各国加强了对近地小行星的监控、跟踪力度,并且实施了几次卓有成效的探测任务,如何防御近地小行星威胁的研究越来越多。总结了目前近地小行星的主要观测监视设施和现状,讨论了国际上对小行星威胁的评估情况,分析和评估了目前提出的防御手段的研究现状及其可行性。     

考虑太阳摄动的小行星附近轨道动力学

本文研究了艳后星(216 Kleopatra)和爱神星(433 Eros)附近的周期轨道,在考虑太阳引力摄动的情况下,发现了以往所遗漏的216 Kleopatra轨道族和环绕433 Eros的12族周期轨道,并且给出了它们的特性。研究结果表明,太阳引力对小行星平衡点位置的影响很小,但是对平衡点上航天器运动的影响较大。同族不稳定轨道中,大Jacobi常数轨道更容易在摄动后保持轨道原来特性,这很好地解释了小行星卫星在较远轨道上长期存在的可能性。     

小行星形貌特征的分析与描述

小行星形貌特征的分析对深空探测器的导航、着陆点的选取具有重要意义。现有的深空星体形貌特征的分析与描述主要集中在火星、月球等类地天体上,而作为宇宙中为数众多、信息量丰富的小行星却鲜有文献对其形貌特征作详细深入的介绍。文章以Vesta、Eros、Mimas等人类已探测的小行星为例,分析了几种典型的小行星表面形貌特征,完善了凹坑、岩石等形貌特征的描述参数,并用仿真实验生成了Mimas小行星表面的Herschel凹坑模型。实验结果显示,所提出的特征描述方法具有较好的仿真度和实用性。