国外近地小行星撞击地球防御技术研究

调研了国外8种小行星撞击地球防御的技术途径,从基本原理、优缺点、适用性、成熟度和应用情况等方面进行了分析。国际上提出的小行星撞击地球防御技术大多处于概念阶段,除了撞击技术已在\"深度撞击\"(Deep Impact)任务中得到验证,其余均没有通过在轨验证;除核爆和撞击属于短期防御技术外,其余均为长期防御技术(几年甚至十几年);采用现有的单一概念和技术完成防御任务的成功率是比较低的,所以通常采用多种技术组合的方式。通过技术途径的分析,对我国开展近地小行星撞击地球防御任务提出了初步建议,主要包括尽早开展关键技术攻关,进行防御技术的在轨演示验证,开展国际合作,建立国际预警与防御体系等。     

如何应对近地小行星撞地的威胁

2012年1月27日,一颗公共汽车大小的小行星与地球擦肩而过,距离地球最近时只有6万千米。这颗名为“2012BX34”的小行星位列20颗最接近地球的小行星之首。尽管它没有对地球造成威胁,但再次向地球人敲响了警钟,要加速研究如何防止近地小行星撞击地球的方法和技术了,     

动能撞击偏转近地小天体研究进展

以近地小天体防御为背景,介绍了近地小天体的基本概念和物理特性,分析了超高速动能撞击偏转近地小天体的研究进展。讨论了超高速动能撞击近地小天体表面成坑形貌、相似律以及成坑过程中抛射物产生机制、演化过程和抛射物质量速度分布相似律。总结了基于结合点源假设、实验和数值模拟结果建立的超高速动能撞击小天体动量传递理论模型和相似律。分析了近地小天体的物理特性和撞击条件对动量传递系数的影响规律。归纳了超高速动能撞击偏转近地小天体研究中存在的问题,对超高速动能撞击防御小天体的发展趋势提出了若干建议。     

我国应对近地小行星撞击风险和动能撞击偏转研究的若干进展

近地小行星(NEA)撞击地球是人类长期面临的重大潜在威胁,基于监测预警和风险评估,实施在轨处置是防范化解NEA撞击风险的最佳途径。本文概述了国际近地小行星撞击风险应对的现状与发展趋势,介绍了2020年我国启动应对近地小行星撞击风险工作以来的主要进展。着重从实验、数值仿真和理论建模3个方面介绍了我国在动能撞击偏转在轨处置技术研究的若干进展,展望了我国即将实施的首次近地小行星动能撞击防御演示验证任务,提出了在轨处置体系能力与技术深化研究建议。     

模拟偏心打击对行星防御任务中动能撞击轨道偏转的潜在增益

在小行星动量偏转任务中,溅射效应的存在导致系统动量的“放大”效应。现有研究几乎都集中在航天器撞击小行星几何中心的情境上。通过简要的理论推导表明,当航天器的速度矢量与小行星的速度矢量不平行时,若撞击点位于非几何中心位置,则偏转距离将显著高于几何中心撞击的情况。针对一颗潜在威胁小行星Apophis,开展了动能偏转防御的数值模拟,并对比了最佳双脉冲转移轨道下几何中心与非几何中心撞击产生的偏转效果。结果显示:几何中心撞击的偏转距离平均值为923.59 km,标准差为273.29 km;而非几何中心特定表面撞击的偏转距离平均值为1 328.57 km,标准差为48.61 km,相比几何中心撞击效果偏转距离增加 ,标准差降低约5.6倍,验证了该方法的有效性。针对小行星姿态信息的不足,采用蒙特卡洛方法生成10万个随机姿态样本进行仿真,以处理不确定性因素。结果表明:该方法不仅验证了理论的可行性,同时有效降低了小行星动能撞击防御任务中的不确定性。在保持撞击条件不变的情况下,非几何中心撞击可进一步放大偏转距离,具有重要的研究价值。     

一种新的卫星超高速撞击解体阈值模型研究

为定量描述卫星在超高速撞击下的解体阈值与解体程度,本文提出了一种新的卫星解体阈值模型,即用能量密度em(来袭物动能与卫星在撞击通道内的质量之比)的大小来判断卫星是否发生解体,用卫星解体后碎片累积质量统计曲线中平滑无突变部分的碎片质量与碎片总质量之比μc来描述卫星的解体程度,μc越大,卫星解体程度越高。采用数值仿真方法获得了卫星最小解体撞击能量密度阈值为3.62×102J/g,研究了不同em和不同η(卫星在撞击通道内的质量与卫星总质量之比)条件下卫星解体碎片的统计规律,建立了μc与em和η之间的函数关系,初步完成了这种新的卫星超高速撞击解体阈值模型的构建。     

一种6-DOF小行星着陆轨迹序列凸优化方法

针对6自由度的小行星动力着陆多约束轨迹优化问题,提出了一种基于序列凸优化的小行星着陆轨迹优化算法。首先采用多面体引力场模型计算小行星的引力场,其可用于描述任意形状的小行星引力场,且比质点群法和球谐函数展开法等方法计算精度更高。为了在凸约束下解决小行星着陆过程燃料消耗最优问题,通过对探测器动力学模型及其约束进行线性化和离散化,将原来的非凸连续时间优化问题转化为凸化的子问题,即二阶锥规划问题（SOCP）;然后引入了虚拟控制项和信赖域,以增强算法的鲁棒性。通过在形状不规则小行星上的着陆模拟,验证了所提出算法的有效性,仿真结果满足各项约束条件,可实现高精度着陆和燃料消耗最优的目标。     

近地轨道航天器编队构形重构的一种四冲量控制方法

研究近地轨道航天器编队构形重构的一种多冲量控制技术。首先,基于Hill动力学方     

日本的隼鸟号小行星探测器

5月7日报载．日本宇宙航空研究开发机构似计划利用即将返回地球的隼鸟号小行星探测器．对正在研发的小行星撞击地球预测系统的精确度进行测试．这再次引起了人们对隼鸟号航天器的关注。     

一种用于近地轨道航天器的天地网络一体化方案

当前空间通信的发展趋势是空间通信网与地面通信网融合,建立天地一体化的信息传输系统。针对航天器内部网段设计和CCSDS空间链路承载网际协议业务(IP over CCSDS)的协议转换技术开展研究,提出一种适用于近地轨道航天器的天地网络一体化方案,并通过研制航天器网关实现了网际协议(IP协议)与空间数据系统咨询委员会高级在轨系统(CCSDS AOS)空间数据链路协议的相互转换,并对服务质量(Qo S)保证方法进行了设计,试验结果表明,文章提出的方案可用于构建天地一体化互联网络。     

超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形、圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究。对比分析结果指出:质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异;弹丸长径比越小,穿过缓冲屏后的破碎程度越大;在5 km/s撞击速度下,球形弹丸对后墙的毁伤程度最小,而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响,在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题,在实际工作中要特别注意这一点。     

不同填充层材料的空间碎片防护结构性能试验研究

航天器外用来防护空间碎片超高速撞击的填充防护结构一般以高强度高模量的组合纤维布（如NextelKevlar）作为填充层。为初步评估填充层材料特性对填充防护结构防护性能的影响,并据此设计防护性能好、质量小、成本低的防护结构,通过试验对比研究了NextelKevlar纤维布、BasaltKevlar纤维布、气凝胶玻纤复合材料、木层、玻璃钢板及铝板作为填充层时对结构防护性能的影响。试验中采用的铝球弹丸直径为4.0～5.5 mm,撞击速度为3.0～5.0 km/s。试验结果显示：与面密度相同的铝板填充结构相比,在较高撞击速度（约5 km/s）下,纤维布类填充结构展现出良好的防护性能,但在较低速度（约3 km/s）下却性能较差;木层填充结构在较高和较低撞击速度下均表现出良好的防护性能。以上结果结合机理分析,为填充防护结构设计提供了初步优化思路。     

压缩氮气驱动的高速气炮实验技术

文章介绍压缩氮气驱动的二级气炮、三级气炮的研制背景、设计技术和发射性能特点,分析活塞质量、弹丸质量、驱动气压和泵管初充气压等发射参数对发射弹速和发射效果的影响,分析了制约提高弹速上限的主要因素,还介绍利用上述二级气炮和三级气炮开展的若干实验研究情况,评估压缩氮气驱动多级气炮的开发应用前景。     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

光学器件的空间粉尘高速撞击效应研究

文章利用静电加速器模拟研究了微小空间碎片及微流星体(空间粉尘)高速撞击镀膜石英玻璃,光学透镜和反射镜的撞击效应与累积损伤特性.扫描电镜观察结果表明,被撞击试样表面的损伤形式为不连续的点缺陷,可发现撞击坑、机械破裂、局部熔化和粉尘微粒子附着;分光光度计测试结果显示,经粉尘累积撞击后,光学透镜的透射率和反射镜的反射率均发生...     

Al/Mg阻抗梯度材料超高速撞击机理数值仿真研究

文章采用数值仿真方法研究了Al/Mg阻抗梯度材料在超高速撞击下的响应过程,分析了冲击波在阻抗梯度材料中的传播规律,计算了撞击过程中的能量耗散情况,并与弹丸撞击铝合金靶的结果进行了比较。研究结果表明,相对于铝合金材料,Al/Mg阻抗梯度材料：1）延长了冲击波的传播时间,使峰值压力脉冲的比冲量提升了30%～50%;2）提高了塑性功和内能转化量,使不可逆功增加了10%。由此证明阻抗梯度材料的防护性能优于铝合金。     

超高速撞击中靶后碎片云的内外边界方程研究

研究超高速撞击防护靶形成的碎片云的形状模型对航天器防护结构设计具有重要意义。文章用数值仿真的方法研究靶后碎片云的内外边界模型:将碎片云根据其材料来源分为靶板碎片云和弹丸碎片云,分别根据各碎片云的分布特点建立碎片云形状的内外边界方程;在双纽线边界方程的基础上,修正为由双纽线方程和圆弧方程组成的边界方程。对比整体碎片云的适用率表明,由双纽线方程和圆弧方程组成的边界方程比单一的双纽线边界方程描述碎片云实际分布更为贴合。     

平滑粒子流体动力学(SPH)方法的进展

平滑粒子流体动力学(SPH)方法是一种无网格Lagrangian计算技术,在处理一些问题时,比以Lagrangian坐标系和Eulerian坐标系为基础的常规网格有独特的优越性,特别适用于处理物质质点的流动性极大的问题,如超高速碰撞问题.文章对SPH的理论和计算方法做了简单的介绍,并对其发展过程和现状做了简单的回顾.