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。     

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。     

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。     

近地小行星防御策略分析

近年来,各国针对近地小行星的威胁及相应防御策略的研究越来越多。调研了国内外近地天体观测发展现状和多种近地小行星撞击地球的防御策略,通过比较分析防御策略的实现原理、关键技术和存在的问题,对各种策略的适用性、可行性和有效性进行了评估。通过对各种策略的分析和总结,结合我国近地小行星防御策略的研究现状,尝试性提出了采用多种策略组合的方式对有潜在威胁的小行星采取相关有效方案,为航天器的研制和防御策略的实施争取更多的时间。     

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。     

空间碎片消旋柔性冲击末端设计与分析

根据机械冲击式主动消旋方法的特点，设计了变压力柔性冲击末端.考虑到变压力柔性末端的流固耦合作用，通过分析内部气体压力对末端刚度的影响，确定了压力阈值并展开优化设计.对柔性冲击末端与空间碎片之间的碰撞力进行了理论分析与实验研究，建立了柔性末端与空间碎片碰撞的接触模型，设计了冲击与测量实验系统，修正了摩擦模型，通过冲击实验验证模型与实验结果吻合较好，法向碰撞力和切向摩擦力模型计算误差分别小于6.7%和6.9%.研究表明变压力柔性末端设计合理有效，满足空间碎片消旋要求，对发展空间碎片捕获方法具有重要指导意义.     

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。     

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。     

小行星着陆装置着陆动力学及着陆性能分析

小行星着陆装置实现着陆器在小行星表面的着陆,其动力学及着陆性能研究对着陆装置研制具有重要意义.基于三腿式小型着陆装置,在对其结构特点及着陆策略分析的基础上,采用Lagrange方程建立了二维着陆动力学模型,模型对着陆及翻转阶段的动力学特性进行了描述,其计算结果与仿真验证较为接近且具有一致的变化趋势.在最大允许倾角为30°的着陆面上,采用仿真分析方法对着陆装置在不同着陆速度及偏航角下的着陆性能进行了统计分析,结果表明着陆装置具有良好的着陆性能.     

双体小行星系统平衡态与稳定性研究

由于双体小行星独特的运动形式可为行星的演化提供重要线索,因而成为小行星探测中的热点目标。基于双椭球体模型研究了双小行星系统的相对运动、平衡态及稳定性。首先基于双椭球的全二体模型建立了双星系统相对运动的动力学方程;其次利用拉格朗日方程,通过求解系统角动量和能量,建立了双星系统平衡态对应的状态约束;最后给出了通过零速度状态曲面判断双星系统平衡态稳定性的一般性方法,在此基础上分析了小行星物理参数变化对系统平衡态稳定性的影响。研究可为未来双体小行星系统探测任务中的轨道设计与控制提供重要的理论参考。     

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.     

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。     

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。     

Synergistic approach of asteroid exploitation and planetary protection

The asteroid and cometary impact hazard has long been recognised as an important issue requiring risk assessment and contingency planning. At the same time asteroids have also been acknowledged as possible sources of raw materials for future large-scale space engineering ventures. This paper explores possible synergies between these two apparently opposed views; planetary protection and space resource exploitation. In particular, the paper assumes a 5 tonne low-thrust spacecraft as a baseline for asteroid deflection and capture (or resource transport) missions. The system is assumed to land on the asteroid and provide a continuous thrust able to modify the orbit of the asteroid according to the mission objective. The paper analyses the capability of such a near-term system to provide both planetary protection and asteroid resources to Earth. Results show that a 5 tonne spacecraft could provide a high level of protection for modest impact hazards: airburst and local damage events (caused by 15–170 m diameter objects). At the same time, the same spacecraft could also be used to transport to bound Earth orbits significant quantities of material through judicious use of orbital dynamics and passively safe aero-capture manoeuvres or low energy ballistic capture. As will be shown, a 5 tonne low-thrust spacecraft could potentially transport between 12 and 350 times its own mass of asteroid resources by means of ballistic capture or aero-capture trajectories that pose very low dynamical pressures on the object.     

Asteroid interception and disruption for terminal planetary defense

Modern techniques for planetary defense from comets and asteroids involve the deflection of the bolide via kinetic, gravitational, ablative, or radiative means. While potentially effective, none of these methods are capable of operating in a terminal interdiction mode wherethe threat is discovered with little time prior to impact. We present a practical and effective method for planetary defense which enables extremely short interdiction time scales, but can also operate within longer time scales and can be effective for extremely large threats. Called PI (“Pulverize It”), the method makes use of an array of hypervelocity penetrators which uses the kinetic energy of the asteroid or comet to disrupt it. In the terminal interdiction mode, the fragments of maximum $～10$ m diameter disperse laterally as they continue towards the Earth, and then enter the Earth’s atmosphere where they burn up as a series of airburst events which spatially and temporally de-correlate the energy of the original parent bolide for any arbitrary observer on the ground in the form of acoustical shockwaves and optical pulses. We show that terminal interdiction modes ranging from 2 minutes prior to impact for 20-meter class bolides (such as the Chelyabinsk asteroid), 1 day prior to impact for 100 m-class asteroids, 10 days prior to impact for Apophis-class asteroids ($～370$ m), and even 60 days prior to impact for 1 km-class threats are all possible, though longer warning times are always preferred. Using only technologies readily available today, the PI method allows for a cost-effective and practical roadmap towards robust planetary defense capability.     

从日地系统L2出发借力月球飞越近地小行星

对于停留在日地系统L2的“嫦娥2号”探测器,其后续飞行方案有多个选项,例如主动撞月或重返月球轨道、返回地球轨道或再入大气、飞往地月系统L1/L2或日地系统L1、进入深空飞越近地小行星(最终,“嫦娥2号”于2012年12月13日成功地实现了对Toutatis小行星的近距离飞越)。探讨上述的飞行方案需要对飞行轨道进行初步设计,总的速度脉冲限制在100 m/s以内并且需要考虑探测器同时受到太阳、地球、月球的引力作用。本研究设计了探测器从日地系统L2出发借力月球实现Toutatis小行星飞越的飞行方案,与直接飞越方案相比,借力月球可以进一步节省探测器的燃料消耗,其等效速度脉冲设计值为58.47 m/s。     

双星系统L1点悬停探测控制器设计与仿真

双小行星系统探测具有重要的科学意义,受其复杂动力学环境影响,探测任务极具挑战。利用球谐函数法对双星系统进行引力场建模,求解双星系统平动点,并选取其内部共线平动点L_1点作为双星系统悬停探测目标位置。采用航天探测实际任务中常用的脉冲推力式发动机,设计了一种原理简单、便于工程实现的常值切换bang-bang控制器。以69230Hermes双星系统为例,将Hermes近似为双椭球系统,仿真分析航天器在Hermes双星系统L_1点悬停飞行的控制效果,验证所提控制策略有效性。     

三小行星系统216 Kleopatra引力场中的动力学

主带三小行星系统216 Kleopatra是由主星216 Kleopatra及两个小月亮(moonlet)Alexhelios[S/2008(216)1]和Cleoselene[S/2008(216)2]组成。其中主星216Kleopatra是一个具有强不规则形状如哑铃的连接双星,大小为217km×94km×81km,外小月亮Alexhelios大小约为8.9km,内小月亮大小约为6.9km。其动力学行为具有非常丰富的科学内涵。研究了三小行星系统216Kleopatra自身的动力学机制及其引力场中探测器的运动规律,分析了主星质心固连系中探测器的动力学方程,给出了三小行星引力全多体问题的动力学方程及Jacobi积分,方程考虑了三个小行星的不规则外形、轨道与姿态。发现三小行星系统216Kleopatra主星引力场中一种新的周期轨道族的倍周期分岔。考虑主星的不规则精确外形与引力、两个小月亮的相互作用,研究了该三小行星系统的动力学构形。发现Kleopatra的强不规则几何外形及两个小月亮Alexhelios和Cleoselene的相互作用引起两个小月亮的轨道参数的显著变化。