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。     

日本隼鸟号小行星探测器起死回生

2003年5月9日,日本隼鸟号(Hayabusa)小行星探测器[原名为缪斯-C(MUSES-C)]由M-5火箭发射升空,目的是探测一颗名为丝川(Itokawa)的小行星(小行星25143),对其进行采样并带回样品。该探测器的设计、研制工作历时7年,在轨完成了地球引力辅助飞行、与小行星丝川交会、在丝川上着陆、进行采样和飞离小行星等飞行任务。2005年9月中旬,隼鸟号探测器到达丝川,对其形状、地形、颜色、组成、密度等进行研究;2005年11月,探测器在丝川上着陆和采样;2010年6月13日探测器返回地球并成功回收。2010年11月16日,日本宣布在隼鸟号的回收舱内发现了1500个物质微粒,这些微粒大部分来自于丝川小行星的岩石。     

日“隼鸟”2探测器首次采样

<正>2月22日,日本"隼鸟"2探测器在龙宫小行星表面上开展了首次采样行动。"隼鸟"2探测器的采样漏斗与小行星接触之时把一发钽制小型射弹射向龙宫表面,日本希望所轰起的碎石能通过一个管道进入采集室,由返回舱送回地球。采样     

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。     

一种利用非均质多面体模型确定小行星附近引力场的方法

从力学的角度出发,如何准确地建立小行星附近的引力场模型是小行星研究中最为基础、最为关键的部分。提出一种基于多面体模型的模拟小行星附近引力场的方法。该方法的准确性一方面取决于多面体模型的精细程度,即模型分辨率,另一方面取决于勒让德级数的截断误差。选取均质小行星模型,求取其引力场并与使用原有多面体方法求得的引力场进行对比,以此验证本方法的可行性。通过对形状参数相同的均质、非均质多面体模型附近的引力场进行对比来说明非均质小行星引力场建模的重要意义。     

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,     

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。     

小行星与陨石的光谱联系

Bus-DeMeo光谱分类系统中有24种小行星光谱类型以及约27种陨石矿物学类型。小行星和陨石之间的光谱联系在质量和可靠性上差异很大原因主要是某些矿物学中缺乏诊断特征和空间风化作用。将回顾从可见光和近红外光谱中远程获取的小行星矿物学信息,讨论如何从地质学家的角度理解小行星的光谱辨识。     

美国小行星探索之路能走多远?

根据2011年7月28日的报道,天文学家研究发现一颗小行星藏在地球绕日轨道上,它已陪伴着地球渡过了至少几千年的时光。,这种小行星被称作“特洛伊小行星”,尽管其与地球距离比地月远得多,但由于轨道相近,它是最适合航天员探索的地方之一。美国航空航天局（NASA）在未来15年内很有可能对其进行研究甚至开发。研究者还认为,如果能够发现更多的“特洛伊小行星”,航天员能在这些小行星上寻找地球匮乏的贵重矿物。这一发现也为科学家研究太阳系开启了全新的视野。 长期以来,人类对于近地小行星（NEA）及更少见的近地彗星知之甚少。了解这些天体有助于人类获得太阳系形成的科学信息,这些天体上还可能存在具有潜在价值的太空物质。因此,2010年美国总统奥巴马将小行星探测列为美国航空航天局（NASA）未来载人航天计划中的重要内容。     

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。     

地外天体潜入式探测典型案例分析及展望

针对地外天体星壤剖面的潜入式探测任务,对星球表面热场、星壤剖面原位力学特性等科学目标探测的基本原理、实现方案和典型案例进行了资料调研与分析,并阐明了国际上开展地外天体星壤剖面潜入式探测活动的目的和科学意义。在此基础上,提出了我国月面采样科学目标拓展方案以及我国开展潜入式探测的预先研究规划,对蠕动掘进和冲击贯入式探测方案的基本原理和应用前景进行了分析。     

载人小行星探测的总体方案设想

载人探测近地小行星的工程规模和技术难度介于载人探月和载人火星探测之间,是人类开展载人火星探测和飞向更遥远深空的跳板,对于航天技术的发展和科学问题的探索有着极其重要的意义。在调研国外载人小行星探测方案设想的基础上,结合我国航天技术现状和发展趋势,提出了一种载人小行星探测的总体方案设想,并梳理了载人小行星探测的关键技术。研究成果可以作为我国载人小行星探测任务论证和设计的有益参考。     

火星探测的微波遥感技术

从微波遥感的角度出发,综述目前国际上对火星的探测现状,列出对微波遥感探测有影响的火星表层土壤、岩层的结构、分布及其介电特性等参数的已有研究结果,分析对火星地壳表层水(或冰)存在可能性及其分布状态的研究动向.结合地球表面微波遥感技术的最新进展,提出用主动与被动微波遥感探测火星表面浅层土壤物质状态和分层结构的可行性分析,初步研讨了火星表层是否有水(或冰)存在的探测方案.      

小行星形貌测绘与表征技术

小行星表面形貌测绘是深空小行星探测的首要任务。提出了一种适应探测器抵近观测的立体视觉在线测绘小行星形貌的方法,即先由立体相机获得所摄重叠区的三维地形,再用前后立体模型的连接点将各个独立模型连成一个完整地形信息,经整体最小二乘平差,确定小行星的形貌模型及特征;同时提出了一种基于等值线分析的撞击坑特征提取方法,即通过提取、分析地形等值线识别出地形中撞击坑特征。实验结果显示,本文所构建的原型系统能够快速重建出探测区域的三维地形,并识别出地形中撞击坑特征,证明了所提方法具有实用性。     

A sample collector for robotic sample return missions II: Radiation tests

Sample return from small solar system objects is playing an increasingly important part in solar system exploration. Critical to such missions is a robust, simple, and economic sample collector. We have developed a collector such as this for near-Earth asteroid sample return missions that we have termed the Touch-and-Go Impregnable Pad (TGIP). The collector utilizes a silicone substrate that is pushed into the dust and gravel surface layer of the asteroid. As part of a systematic evaluation of the TGIP, we have investigated the resilience of this substrate to ionizing radiations. Several miniature versions of the collector, containing typically ∼3 g of the collection substrate, were exposed to 0.564 MeV beta particles from a ⁹⁰Sr source and a 6 MeV electron beam in a linear accelerator to simulate the wide range of energies of solar and galactic ionizing radiation. Various radiation levels up to eight times greater than expected on a six-year asteroid mission (in the case of beta radiation) and 50 times greater than expected (in the case of the 6 MeV electron radiation) were administered to the substrate. After irradiation, the efficiency of the substrate in collecting samples of mock regolith was compared with that of collectors that had not been irradiated. No difference beyond experimental uncertainty was observed and we suggest that the operational TGIP will not be affected adversely by radiation doses expected during a typical six-year inner solar system mission.     

主带小行星采样返回任务中的离子电推进应用方案

由于离子电推进的高比冲特性,采用它执行小行星探测器巡航阶段轨道机动任务时,将使探测器在同样的有效载荷下的发射重量大大减轻。针对我国规划中的主带小行星采样返回任务,调研了国外离子电推进在深空探测任务中的应用情况,在借鉴国外成功经验和任务需求分析的基础上,设计了主带小行星探测器离子电推进系统方案和应用策略,计算了在目前离子推力器寿命水平下,既定探测任务对离子电推进推力、比冲、推进剂量以及功耗需求。研究表明,目前研制的离子推力器可以满足规划中的主带小行星探测任务需求。研究成果对探测器的方案设计有参考价值。     

小行星探测发展综述

小天体上保存着太阳系形成初期的原始成分,同时可能蕴含着地球生命与水起源的重要线索,是研究太阳系起源和演化历史的活化石。近年来,小行星探测已成为主要航天国家深空探索领域的重点发展目标之一。简要总结了国际上小天体探测历程,对小行星探测的研究和发展趋势进行了综述,重点探讨了未来小行星探测任务面临的主要关键技术,并对中国后续开展小行星探测活动提出了相关建议。     

Deep space environments for human exploration.

Mission scenarios outside the Earth's protective magnetic shield are being studied. Included are high usage assets in the near-Earth environment for casual trips, for research, and for commercial/operational platforms, in which career exposures will be multi-mission determined over the astronaut's lifetime. The operational platforms will serve as launching points for deep space exploration missions, characterized by a single long-duration mission during the astronaut's career. The exploration beyond these operational platforms will include missions to planets, asteroids, and planetary satellites. The interplanetary environment is evaluated using convective diffusion theory. Local environments for each celestial body are modeled by using results from the most recent targeted spacecraft, and integrated into the design environments. Design scenarios are then evaluated for these missions. The underlying assumptions in arriving at the model environments and their impact on mission exposures within various shield materials will be discussed.