小行星防御动能撞击效果评估

以动能撞击防御潜在威胁小行星概念为背景,采用物质点法(Material Point Method,MPM)模拟了铝弹高速撞击S型小行星的过程,将撞击结果导入引力N体–离散元动力学模型中,对其后续演化过程进行仿真,并分析了撞击后碎片对地球的威胁指数。结果显示小行星在高速撞击的作用下部分破碎,大量碎片以与撞击方向相反的速度向外喷射,从而提升了小行星的撞击偏移效果。研究采用了两种不同结构的小行星模型:完整结构(monolithic structure)的小行星在遭受撞击后会喷射出比原小行星小得多的碎片,而碎石堆结构(rubble-pile structure)的小行星在撞击作用下可分裂成大小和速度分布较为均匀的碎片。威胁指数的分析表明动能撞击方式确实有效减小了小行星的威胁程度,撞击后的最大剩余碎片可被成功偏移至安全轨道,但仍有部分碎片会与地球相撞。与完整结构相比,针对碎石堆结构小行星的撞击防御的总体效果更好,次生灾害主要为大质量碎片的撞击。研究方法可用于未来开展防御小行星的动能撞击任务的撞击条件选择和撞击结果预估。     

雷达技术在小天体任务中的应用研究

在小天体任务中,雷达技术可用于浅表层探测和全球内部结构探测。总结了国内外雷达技术在天体探测任务中的应用现状,分析了单站和双站雷达系统的不同应用场景,对比了单站雷达中的轨道器雷达、表面巡视器雷达的不同特点。在此基础上,研究了小天体的可能结构、可能物质,介绍了单站、双站雷达的基本工作原理,提出了针对不同结构小天体可采用的雷达探测体制。针对尺寸较大的分层结构小天体,可采用单站雷达探测天体的浅表层,获取表层和浅表层的介电常数以及表层的深度;对于尺寸较小的碎石堆结构小天体,可采用双站雷达观测天体透射波,获取天体的介电常数和全球内部结构。最后通过仿真实验,验证了双站雷达对于探测碎石堆状小行星全球内部结构的有效性。     

小天体着陆动力学参数不确定性影响分析

针对小天体不规则程度高、引力场复杂,且物理参数存在较高不确定性的问题,基于小天体着陆动力学方程线性化近似解析解,对各动力学参数不确定性的影响进行了分析。考虑动力学方程线性化带来的误差,引入线性化误差补偿校正方法,建立了探测器轨迹对动力学参数不确定性的敏感度方程。以小行星Eros 433为例,重点分析了目标小天体质量、自转角速度、引力势函数系数,以及探测器初始状态、推力加速度等动力学参数不确定性对探测器着陆轨迹的影响。数学仿真分析表明,针对本文选取的目标小天体,推力加速度扰动为主要影响因素,探测器初始状态的不确定性为次要影响因素,其他参数扰动的影响较小。     

碎石堆构造小行星表面地形分析与仿真验证

人类迄今对太阳系小天体开展的探测包括地基、天基远距离观测和"罗塞塔号""隼鸟号"等探测器的抵近观测、着陆取样等。对具有碎石堆构造特性的小行星表面地形特性进行研究,提出了一种生成小行星表面地形仿真模型的方法,建立石块生成模型,对影响地形构造的石块幂律分布规律进行实验模拟。根据小天体着陆段导航方法验证及表面操作执行机构验证需要,选择并仿真生成了5种典型地形。实验结果表明:按照本文方法生成的仿真地形与实际探测得到的小行星表面局部地形相比一致性较好,可用于近操作任务中的着陆机构验证和地形相对导航算法初步验证。     

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。      

火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.      

小天体自主附着多滑模面鲁棒制导方法研究

小天体形状不规则及缺乏观测信息的特点使得小天体附近的动力学环境较为复杂,附着动力学模型存在较大不确定性。通过引入多滑模面鲁棒制导方法,分别设计2个滑模面,使探测器状态先后到达这2个滑模面,可实现指定时刻精确附着小天体的目标。通过选取参数的分析总结了制导律中相关参数的选取对燃料消耗的影响,给出了制导律相关参数选取原则。在存在外界环境扰动、初始状态误差和导航误差条件下,蒙特卡洛仿真结果表明:多滑面制导方法能够在小天体的不确知环境中实现高精度附着,且具有很好的鲁棒性。多滑模面制导方法精度高、鲁棒性好,且无需设计参考轨迹,实时性好,适合小天体自主精确附着的任务需求。     

基本物理单位定义在空间计量中的讨论

现代计量学原理建立在"欧氏几何的平直空间"、"质量守恒"和"光沿直线传播"等基本物理规律的基础上,但是广义相对论提出的时空弯曲和引力红移理论动摇了计量学的根基。在地球以外的更大尺度宇宙空间中,以及在引力场作用下、考虑物质第四态-等离子体的情况下,需要重新研究基本物理量的定义。时间测量受到了引力红移效应的影响,时钟在不同引力势下的走速不同,导航卫星为实现统一的时间测量,采用相对论公式修正了计时单位;长度单位定义依赖于光速常数和时间测量,同样受相对论效应影响,而且在引力场中光线不沿着直线传播,空间大尺度的距离单位光年定义困难;电压单位由约瑟夫森效应溯源到微波频率,因而也受相对论效应影响;在空间等离子体中电子平均动能(电子温度)与离子平均动能(离子温度)很难平衡。热力学温度单位定义隐含着平衡状态和无序运动的两个条件,在定向粒子流存在的情况下,动态温度的定义是否仅包含无序运动的粒子平均动能;质量单位定义受到质量守恒的质疑,根据爱因斯坦质能公式,质量不是物质固有不变的特性。空间计量是计量学的新领域,在地球以外的大尺度时空中,统一物理单位,确保人类在空间中的测量准确,运用现代科学理论重新定义空间物理量的单位将成为空间计量理论研究的一个发展方向。     

基于欧拉法模拟旋转帽罩水滴撞击特性

基于欧拉两相流理论,对旋转帽罩水滴撞击特性进行了数值模拟。通过引入耗散函数求解水滴相无黏欧拉方程,实现了欧拉法求解三维旋转帽罩的水滴撞击特性。分析了旋转帽罩转速对水滴撞击特性的影响。发现旋转帽罩转速越大,其表面水滴撞击极限稍有减小。在典型飞行条件与气象条件下,离心力对水滴运动轨迹的影响远小于惯性力对其的影响,旋转帽罩转速对水滴撞击特性影响较小。     

离子非线性极化漂移对动力学Alfvén孤波特性的影响

考虑离子极化漂移中非线性项对动力学Alfven孤波特性的影响，采用双流体模型研究磁化等离子体中低频动力学Alfven稀疏型孤波的特性，所得的结果表明，两种类型的动力学Alfven稀疏型孤波在磁层中大范围内均存在（参数β约为10^-6,0,1,β为等离子体的热压之磁压之比，即β＝20μ0nT/B0^2)，它们或以超Alfven速或以亚Alfven速传播。同时发现在β值较小（10^-6-10^-4)时，离子极化漂移非线性项对动力学Alfven孤波特性有较大的影响，不可忽略，而在较大值时（β－0．1），此修正作用不大，由于动力学Alfven孤波允许平行电场存在，故它对等离子体中带电粒子的加速和能化起重要作用。同时也对离子的横向加速有一定的作用，它使一种新的能量转换机制成为可能。     

复合材料层压板低速冲击行为及剩余拉伸强度

通过实验研究了复合材料层压板的低速冲击行为和剩余拉伸强度。首先，通过冲击实验研究了冲头类型和铺层形式对层压板冲击响应的影响，并通过凹坑深度、损伤投影面积、冲击力和冲击能量转化等对冲击损伤特性进行评估。其次，通过准静态拉伸实验调查了层压板的冲击后拉伸响应和剩余拉伸强度。最后，分析了冲头类型和铺层形式对层压板冲击行为和剩余拉伸强度的影响机理。结果表明:冲头类型对层压板冲击损伤的影响与冲击接触面投影面积和凹坑深度的函数关系密切相关；在较高的冲击能量下，条刃形冲头是造成损伤的关键冲击威胁，而立方角形冲头造成的损伤相对不严重；铺层形式对层压板的冲击损伤阻抗性能和拉伸断裂形貌有明显的影响。      

深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测，从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述，给出了深空撞击载荷初步总体设计方案；通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真，得到了撞击速度在0.2～0.4cm/μs变化范围下产生32～47cm大小的撞击坑坑径结果，得出了撞击坑直径随弹丸不同撞击速度、靶材不同密度、不同强度和不同厚度的变化规律，为撞击载荷总体优化设计提供了撞击效能仿真技术支撑。     

“嫦娥4号”月球背面着陆区月壳及深部结构特征

深部月壳和月幔物质结构是月球科学探测的关键问题之一。“嫦娥4号”初步将月球背面南极—艾肯（South Pole-Aitken,SPA）盆地内的冯·卡门（Von Kármán）撞击坑作为着陆点,具有重要的科学研究价值。结合月球重力、地形、布格重力、月壳厚度等地球物理数据,综合对冯·卡门撞击坑的月壳及其深部结构特征进行了分析。结果显示：冯·卡门撞击坑重复撞击到南部的冯·卡门M撞击坑上,后者的中央峰具有明显的布格正重力异常和线性的布格重力梯度特征,显示出高密度的幔部物质向上涌起;冯·卡门撞击坑极有可能穿透了该区域的整个月壳,并挖掘出了深部月幔的物质;该区域南部月壳厚度较薄小于5 km,北部平均月壳厚度在15～20 km,月壳平均密度为2 630 kg·m^-3,比背面高地月壳密度高,且平均孔隙度为9%,低于月球的平均孔隙度12%。     

Motion of ejecta around a binary system with an ellipsoid and a sphere

A kinetic impact occurs when an asteroid is moving. The impact may be caused by other small celestial body or an artificial object. Ejecta is produced from an impact. Dynamics of ejecta near a binary system which contains an ellipsoid and a sphere is analyzed. A phase diagram which comes from numerical simulation is shown in this work. The phase diagram shows a clear structure. Some special trajectories are also shown, which indicates a potential source of asteroid orbiting objects.     

Cratering records of the satellites of Jupiter and Saturn

The surfaces of most of the satellites of Jupiter and Saturn show marks of large-meteoroid impacts produced over much of solar system history and partly stemming from the early post-accretional heavy bombardment. An analysis of the crater size distributions shows that (i) crater densities on the most ancient terrains are comparable to those found on the lunar highlands, (ii) crater size distributions differ somewhat from those in the inner solar system but exhibit striking similarities in shape, (iii) the crater size distributions on all terrain types from oldest to youngest are very similar, i. e. the underlying impactor size distribution does not seem to have changed over time, (iv) there is no obvious difference in crater densities between apex and antapex parts of the satellites, (v) the cratering record can better be explained by impacts from bodies in planetocentric orbits rather than by bodies in heliocentric orbits.     

卫星观测台风重力波数值模拟与直接对比验证

以ECMWF的T799资料作为WRF-ARW（V3.5）初始场,对卫星高光谱红外大气垂直探测器AIRS观测的2013年超强台风苏力激发平流层重力波过程进行数值模拟,并利用卫星观测对数值模拟结果进行了直接对比验证.数值模拟表明,该台风诱发的重力波在20~40km高度逆着东风背景流向东向上传播,在水平方向呈半圆弧状;大气的垂直扰动随着高度的增加而增强,在40km高度上达到0.5m·s-1.基于三维傅里叶变换的波谱分析表明,平流层重力波水平波长中心值在500km附近,周期为3~5h,垂直波长主要为10~26km.分析表明,在18~40km高度的净纬向动量通量为6.7×10-4~1.89×10-3Pa,背景流强迫计算值为-0.23~1.21m·s-1·d-1,且在18km和40km高度的数值较大.最后,基于辐射传输模式计算的直接对比表明,卫星观测与数值模拟同时揭示了激发的平流层波动可传至40km以上高度及距台风中心2000km以外的区域,且不同资料得到的波动形态、方位以及水平尺度具有较好的一致性.      

Modifications of Martian ice-saturated regolith due to meteoroid impact

The possibility of water ice in the Martian subsurface regolith continues to present an intriguing enigma. We submit that any exo-martian source of energy, i.e. meteorite, asteroid or cometary impact, must disturb the equilibrium within the regolith surrounding an impact site. We farther propose impactors with the size range of 100 m and larger with velocities of 10 km s⁻¹ are effective in causing significant temperature increases in the regolith and subsequent ice melting. We present our studies of the crater formation within Martian surface layers that presumably are a solid mixture of regolith and water ice. Mass ratio of rocks to ice, as well as the thermal gradient in the crust, are the parameters. We have completed numerical simulations of a cratering event by means of two-dimensional, axialsymmetric hydrocodes involving a free particles' method in order to provide a simulation of an impact cratering. A fraction of subsurface ice melts and the crater partially forms from mud-like material. Comparison of a calculated crater and observed Martian crater is presented. The simplified analytical estimates concerning melting of ground ice in the regolith surrounding a Martian impact crater are presented.     

龙卷日珥后期的环形结构内的物态分布

本文依据1990年8月29日龙卷状爆发日珥后期形成的环形结构形状,根据力平衡条件,求得了该环形结构内的运动速度、物质密度和磁场强度随环形弧长的分布,结果表明:在环的衰退期,环内物质由环顶向下运动基本上是一种在太阳重力作用下的自由下落运动;环内物质密度和磁场强度与环的形状密切相关。