木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。     

国外木星系环绕飞行任务规划研究

调研了国外3项典型的木星系环绕任务(伽利略号、朱诺号和木星冰卫星探测器(JUICE)),归纳总结了行星借力飞行、利用天体摄动演化轨道、高精度导航、限制近木点高度以及利用飞越实现任务拓展等任务规划方法。最后,提出了我国木星系环绕探测任务规划的初步设想,即以木星和木卫二为主要探测目标,采用金星-地球-地球的地木转移借力序列,以及基于木卫二、木卫三和木卫四借力方式开展木星系探测任务规划,实现飞掠、环绕和穿透多种方式的木星系探测任务。     

考虑火箭约束的深空探测弹轨道拼接模型

针对深空探测任务轨迹规划中对于运载火箭弹道约束考虑不足、弹轨道拼接设计效率低的现状,建立了考虑运载火箭射向和末级滑行时间约束的弹轨道拼接计算模型,在无引力摄动假设下得到了任意深空出发速度条件下的运载火箭射向和末级滑行时间计算公式。利用该模型分析了弹轨道可成功拼接的集合范围随深空出发速度、发射场地理位置、火箭射向和滑行时间约束范围的变化规律。提出深空出发"赤纬-发射能量"(δ-C3)图方法,可在图上表示指定型号运载火箭深空发射能力可行域,结合深空轨道转移Pork-Chop图方法,可以快速判断该型运载火箭是否适用于特定深空发射任务。依据这一方法,提出了对我国未来深空探测运载火箭射向和末级滑行时间的能力需求。     

面向木星卫星交会任务的探测器飞行路径规划

针对探测器在木星系统内多次借力的飞行路径和轨道优化设计问题,提出了一种基于三层优化思想的飞行路径规划方法,该方法可根据给定的任务约束和交会目标,自动搜索探测器在木星系统内的借力飞行序列,同时完成标称飞行轨道的优化设计。首先,文章在给定轨道动力学模型和木卫借力模型基础上,建立了面向木卫交会任务的两次借力飞行轨道优化设计模型和求解方法;然后,采用结合遗传算法、全局遍历和贪婪算法的三层优化设计思路,给出了一种环木飞行路径规划方法;最后,以木星四颗卫星的交会任务为例进行了仿真分析。仿真结果表明：针对木卫的交会任务,探测器速度增量需求随木卫借力次数的增多,呈现先显著减小后逐渐增大的现象;探测器采用多次木卫借力的策略,可显著降低探测器的速度增量需求;探测器速度增量达到最优之后,借力目标收敛于交会目标,且速度增量随借力次数的进一步增多而逐渐增大。     

远征火星中国火箭准备好了

时下,“探火”是一个非常热门的话题。前不久,印度PSLV-XL火箭发射的“曼加里安”火星轨道探测器顺利进入火星椭圆轨道一事,引起了世界各国的广泛关注。根据深空探测发展路线图,我国在加紧实施月球探测任务的同时,即将踏上全面探索深空奥秘的历史征程,包括火星在内的多个深空探测任务将逐步推进。随着我国探月工程的圆满实施,中国运载火箭研究院研制的运载火箭已经具备了深空探测能力,能够执行火星探测任务。     

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

月球与深空任务测量船双捕策略研究

在航天任务的发射及早期轨道段,由于有应急指令发送以及定初轨的迫切需求,能否快速、稳定、可靠地完成测量船对目标探测器的双向捕获直接关系到任务的成败。本文介绍了常规地球卫星任务的测量船统一测控设备双捕流程,分析了该流程不适用于后续月球与深空探测任务的原因,并针对我国月球与深空探测器的测控需求和器上应答机特点(由S 频段发展为X 频段,由模拟应答机发展为数字应答机) ,分别设计了相应的测量船双向捕获策略,即对模拟应答机采用多普勒预置情况下的三角波扫描法,对数字应答机采用常数多普勒预置法或拐点平滑扫描法。文中提到的策略在我国嫦娥五号任务和首次火星探测任务的天地测控对接试验中得到了充分验证,将在任务中得到实际应用。     

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时，因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制，有效发射日期窗口亟需拓展的问题，采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP)，研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上，重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后，采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法，通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道，研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果，证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性；该算法已应用于工程设计。     

未来的深空探测与空间环境模拟

文章介绍了国内外有代表性的深空探测计划的内容、特点和意义,包括:欧空局的Exo Mars火星车、美国"2020火星车"以及中国的2020火星探测计划;金星着陆探测进展情况;欧空局木星系统探测计划"木星冰月亮探索者(JUICE)"和美国的"木卫二飞越任务(Europa Clipper)";"蜻蜓号(Dragonfly)"土卫六探测项目;美国的"彗星天体生物学探索取样返回(CAESAR)"项目;月球探测计划等。还分析了未来深空探测对空间环境模拟的具体要求,空间环境模拟对推动深空探测发展的重要意义;提出了对我国未来开展空间环境模拟试验的建议。     

基于木星大气环境的降落伞系统气动特性研究

木星探测是未来行星探测的重要发展方向,而降落伞是进入木星大气探测必不可少的气动减速装置。文章基于“伽利略号”探测任务,设计了满足未来木星探测需求的降落伞系统简化模型,并针对该降落伞系统进行了数值模拟,研究了木星大气和地球风洞实验环境中不同来流马赫数下降落伞系统的复杂流动现象及气动力变化规律。在木星大气环境中,降落伞的阻力系数和横向力系数大小以及横向力系数波动幅度均高于风洞试验环境,阻力系数波动幅度均低于风洞实验环境。此外,还研究了木星大气环境中不同来流攻角下降落伞系统的气动特性。研究表明,木星大气环境中降落伞系统气动特性与风洞实验结果有差异,因此未来在设计用于木星探测的降落伞系统时,应考虑由于木星大气环境对降落伞系统气动特性的影响。     

电推进在深空探测主推进中的应用及发展趋势

随着太阳能电池阵列电功率的不断增长,高比冲电推进在深空探测主推进任务中的应用成为现实,且有明显增加趋势。在我国实施两次月球探测任务之后,深空探测将成为我国航天领域的重要组成部分。从20世纪90年代末开始,美国、日本和欧洲相继发射了四个由电推进执行主推进的深空探测器-深空一号探测器、隼鸟号小行星探测器、智慧一号月球探测器和黎明号小行星探测器,极大地提升了深空进入能力,且获得了很多科学数据。本文分析深空探测主推进对电推进的需求,对电推进在深空探测主推进任务中的应用现状进行综述,分析关键技术和发展趋势,为我国深空探测推进技术发展提供参考。     

深空探测器总体技术

提出了深空探测器的总体设计要点,分析了总体设计约束,以及深空探测任务对探测器需求特点。基于技术的继承性和衔接性,提出了未来我国火星、小行星、金星以及木星等深空探测器的总体方案构想,讨论了任务目标、总体指标、构型和飞行过程等。研究对我国未来深空探测任务的方案设计有一定的参考价值。     

多目标多任务深空探测技术初探

在火星上探测水的存在与否,以及在彗星和小行星等小天体中寻找太阳系最早的起源信息是目前国际上深空探测的两个热点。该文分析了我国开展火星水探测和小天体探测研究的必要性,提出了适合同时探测火星及彗星/小行星的多目标多任务深空探测器的初步设想,并对其关键技术进行了初步分析。根据我国的国力和科学探测需要,结合我国未来20年内的主要深空探测发展方向,实施多目标多任务的深空探测任务不仅可以节省发射费用,而且实施结合新技术验证的多目标深空探测活动,可以获得较高的效益。     

嫦娥二号“好快省”传奇

嫦娥二号任务的实施,取得了多项工程创新成果、卫星研制技术突破和科学研究成果,不仅保证了圆满完成科学探测任务和一系列技术验证和深化科学探测任务的实施,有效降低我国探月工程二期任务的风险,还将有力推动我国深空探测技术的跨越和月球科学技术的发展。这些成果主要有：六大工程技术创新成果 与嫦娥一期工程相比,嫦娥二号月球探测任务技术更新,难度更大,系统更复杂,任务更加艰巨,风险性更大,必须实现关键技术的原始创新。全体参研人员按照“高标准、高质量、高效率”的要求,创新理念,创新思维,通过任务的实施,第一次实现直接发射转移轨道技术、第一次采用X波段测控技术、第一次采用新的信道编码技术、第一次开展姿态测量图像敏感器导航试验、第一次实现距月面15千米环月稳定飞行、第一次采用数字化深空应答机、第一次实现姿控敏感器的姿控确定和科学探测功能应用,完成了六大工程目标,实现了六个方面的技术创新与突破。     

放飞“中国梦想”

当下,实现“中国梦”的号角已经吹响,实现航天强国梦是实现“中国梦”的重要组成部分,而推动深空探测技术的发展,是中国航天的重要使命。嫦娥二号此行突破并验证了卫星对小天体探测的轨道设计与飞行控制技术,实现中国航天飞行从40万千米到700万千米以远的跨越,并开创了一次发射开展月球、L2点、d、行星等多目标、多任务探测的先河,标志着我国拥有了飞入行星际的探测器;突破了1000万千米远的轨道设计与控制技术;突破了具有中国特色的图塔蒂斯小行星轨道设计;对为嫦娥三号任务新建成的喀什35米和佳木斯66米两个深空站,以及上海65米甚长线射电干涉测量站进行空间测试和标校试验,实战检验了我国深空测控、天文观测的水平和能力,     

载人探测小行星的目标星选择

小行星探测具有目标多样化的特点,通过对小行星的相关物理特性进行分析和归类,以及国内外研究情况,从探测任务的安全性、技术可行性和探测价值3个方面,讨论提出了适于我国开展载人探测的选星方法和原则;按照技术可行性由易至难,将候选星分为3类,分别提出了相应的约束条件和优选条件,筛选出候选星;根据部分目标星轨道设计结果,结合未来运载器的发展规划,对这3类小行星的探测任务特点进行了分析,给出了针对性建议,结果可为我国制定载人小行星探测的战略规划提供参考。     

木星系及行星际飞越探测的多次借力飞行轨道设计研究

根据我国木星系及行星际穿越探测任务规划,瞄准工程方案可行,对使用多次借力的地木转移轨道及行星飞越飞行轨道进行了深入研究分析。首先,对星际飞越目标进行了探讨,明确了满足任务约束的星际飞越目标;其次,对行星际飞行序列进行了优选,从探测器发射日期、发射双曲剩余速度的平方(C3)、深空机动、木星到达C3和总的任务时间角度,对比分析了多个星际飞行序列,给出了最优序列设计结果;最后,基于工程约束,对探测器的连续发射机会进行了优化设计,给出了探测器连续8天、11天和16天发射所需的发射C3和深空机动大小需求。研究结果表明:在2029—2032年期间,木星系及行星际穿越探测任务最优的深空飞行序列为地球-金星-地球-地球-木星-天王星,最优的发射日期集中在2029年10月份。     

IPS理论与技术在深空探测中的应用

简述了拉格朗日点附近Halo Lissajous轨道在空间科学探测中的应用价值,以及与之密切相关的IPS的物理意义,在此基础上给出了IPS节能轨道设计与控制涉及的几个基本问题,和IPS技术在拉格朗日点探测任务中的应用情况,分析了IPS技术在我国深空探测中的应用前景。研究表明：IPS技术将促进我国深空探测技术向高水平、低能耗、省经费的方向发展,将在未来的深空探测中发挥重要作用。     

深空探测的进展与我国深空探测的发展战略

本文通过对大量国内外深空探测资料的收集整理、分析和总结，对深空探测的五个重点领域-月球探测、火星探测、水星和金星探测，巨行星及其卫星探测，小行星及彗星探测的进展和探测成果分别进行了论述，并在此基础上提出了我国深空探测的发展战略，特别是对月球和火星的探测。根据国际上深空探测的发展趋势和我国科技发展水平，目前深空探测的目的是进一步深入认识太阳系各类天体，探讨太阳系的起源与演化，深空探测的重点是月球与火星，而对巨行星的卫星，小行星与彗星侧重探测水体与生命活动信息，探讨太阳系生命的起源与变化，我国深空探测近期应以月球探测为主导，取得突破性进展，筹备火星探测的预研究，选准科学目标，水星与金星、巨行星的卫星和小行星和彗星的探测，不是深空探测的主潮流，可适当参加国际合作，以期取得进展。     

深空辐射环境及其效应的分析与比较

深空辐射环境对深空探测活动将带来严重的威胁。文章首先对深空辐射环境及效应进行了分析,接着对月球、火星、木星和土星等不同星体的辐射环境及效应进行了详细的探讨及比较。文章得到的结论可为深空探测器的设计和航天员的防护设计提供重要的指导与帮助。