我国小天体探测任务设想

正小天体是太阳系重要的组成部分。研究普遍认为,小天体保留了早期太阳系起源、形成与演化时的重要信息,可能蕴含着地球生命起源的重要线索,是研究太阳系起源的"活化石"。开展小天体探测在揭示生命起源、推动技术进步、开发天然资源、保护地球安全等方面意义重大,影响深远。小天体探测任务是我国行星探测重大工程规划的又一个标志性项目,将通过一次任务,实现对近地小行星的近距探测、采样返回以及对主带彗星的探测,有望突破多项关键技术,获取原创性科学成果,进一步提升我国的深空探测技术能力,力争在小天体探测技术领域进入国际先进行列。     

我国载人小行星探测任务规划

小行星是太阳系形成时残留下来的初始物质,保存了太阳系形成时大量的珍贵信息,近地小行星还存在撞击地球的威胁,因此,小行星探测越来越引起人们的关注。迄今为止,人类已发射了10个以小天体为主要探测对象的无人深空探测器,其中有7个探访过小行星。2010年4月15日,奥巴马宣布美国最早将于2025年实施近地小行星的载人探测。     

小行星探测进展及技术特点分析

正小行星形成于太阳系早期物质演化阶段,是太阳系演化过程的"活化石",探测小行星有助于揭开太阳系起源的奥秘;小行星还蕴含丰富的资源,包括高价值金属,氧气、氢气、氨气以及普通矿物,可通过原位利用的形式支持深空探测。国际上对小行星的研究不断深化,小行星探测活动正日益成为热点。     

世纪之交的小天体探测热

当此世纪之交,各航天大国掀起了一股小天体(彗星、小行星)探测热。据美国《航空周刊》报道,在未来15年里将发射一系列探测器对小行星和彗星进行实地考察,其目的是探索太阳系的演变过程。 “小天体热”意味着什么? 12年前国际上已经出现过一次     

奥西里斯-雷克斯:太阳系的“考古学家”

小行星也是太阳系家族中一类成员。通过小行星探测,可以了解太阳系的起源和演化情况,认识小行星的构成和运行情况,为开发小行星资源或防范近地小行星撞击地球提供基础信息。本期特制作"小行星探测专题",对近期人类小行星探测的进展及成果进行总结,并对未来的探测活动进行展望,敬请关注。     

小天体表面采样技术综述

小天体是人类了解太阳系起源演变的重要载体,承载着丰富的科学信息。同时小天体含有丰富的贵金属及稀有元素,具有巨大的利用价值,对小天体进行采样探测具有重要的科学与工程意义。通过调研小天体表面特性以及国外小天体采样技术研究现状与成果,总结了小天体环境对采样探测的特殊要求,归纳了小天体表面采样探测具有低反作用力、轻量化、小型化、低能耗化,需适应附着与接触探测模式等特点,提出了对小天体采样探测的技术需求,为小天体采样探测技术深入研究提供支撑。     

质谱计在行星系统与小天体探测中的应用

质谱计多次应用于行星系统和小天体的大气层与土壤吸附气体或挥发组分及其同位素含量探索,是太阳系行星系统和小天体探测计划中的首选载荷之一。大气和土壤元素及其同位素组分探测对资源勘探、行星系统的宜居性、天体演化、起源及其重要事件的精准时间坐标研究等具有重要意义。质谱计已多次成功应用于火星、土星系、木星系、彗星等探测任务中开展大气环境探测。质谱计的探测对象主要包括太阳系行星、行星卫星如月球、木星伽利略卫星、土卫,以及地外小行星和彗星。四极杆质谱计在当前的深空空间环境探测活动中应用最为广泛。利用四极杆质谱计除可用于探测稀薄天体大气与土壤析出气体外,如增加抽真空能力的前端设计,则具备探测稠密大气成分的能力。中科院空间中心研发的星载质谱计已多次成功应用于地球行星大气成分和密度探测。     

空间风化对C型小行星的光谱影响研究概述

C型小行星主要由硅酸盐矿物和含碳有机质组成，保存了太阳系形成初期的原始物质，是认识太阳系形成初期的重要物质，对研究水和生命起源与演化具有重要科学意义。目前对小行星物质组成的认识主要基于光谱特征分析，但长期的空间风化作用会改变小行星表面物质的光谱特征，所以认识小行星的物质组成需要准确厘清空间风化对光谱的影响。随着中国小行星探测工程的推进，迫切需要深入认识C型小行星的光谱特征及对空间风化的响应规律。为此，分析了C型小行星的反射率、水和有机质吸收等光谱特征以及空间风化的影响，提出研究存在的主要问题，进而指出了该研究方向的未来发展趋势和研究重点。     

NASA成功发射Lucy小行星探测任务

2021年10月16日,NASA的Lucy小行星探测任务成功发射升空,将在未来12年探测一颗主带小行星和7颗特洛伊族小行星. Lucy是NASA发现计划(Discovery)的第13项独立任务,于2017年1月获批,主要目标是探测多个木星特洛伊族小行星.此类小天体是早期太阳系的遗迹,与木星共用轨道,分为位于木星轨道前方(L4)和后方(L5)的两群,围绕太阳运行.     

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。     

China's Deep-space Exploration to 2030

Focusing on the key scientific questions of deep space exploration which include the origin and evolution of the solar system and its planets, disastrous impact on the Earth by the solar activities and small bodies, extraterrestrial life, this paper put forward a propose about the roadmap and scientific objectives of China's Deep-space Exploration before 2030.     

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。     

基于最小轨道交叉距离的小行星顺访探测目标预筛选方法

小行星探测有助于研究太阳系演化等重要科学问题,在深空探测任务转移途中实施小行星顺访探测可增加科学研究回报。直接通过轨道递推筛选小行星探测目标计算量大、效率低,针对该问题提出了基于最小轨道交叉距离的目标预筛选方法。在推导出适用于计算双曲线轨道的最小轨道交叉距离公式后,将此理论应用到小行星顺访探测目标筛选中。首先基于探测器与小行星轨道的形状、空间位置计算二者轨道在空间中的几何最近距离,预筛选出可能满足接近距离标准的小行星目标;然后基于轨道递推模型,筛选出真实最近距离小于可接近标准的目标小行星。仿真结果显示,基于最小轨道交叉距离的预筛选方法可有效减少计算量,降低计算时间,提高小行星顺访目标筛选的效率。      

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。     

深空探测太阳电池阵应用及关键技术分析

从1958年启动月球探测活动至今,经过几十年的发展,人类在深空探测领域取得重大成果。本文首先介绍地内行星、地外行星与登陆探测等领域探测器用太阳电池阵技术的应用情况,同时结合地内行星探测、地外行星探测与登陆探测任务所面临的不同空间环境特点对航天器太阳电池阵进行关键技术分析,梳理深空探测任务对太阳电池阵不同的技术需求及其所需解决的关键问题,从中得出未来深空探测太阳电池阵技术的趋势是将向更高效率太阳电池阵、环境自适应技术、高重量比功率、高体积比功率的方向发展。     

一种深空粒子采样返回探测器构型设想

以太阳风粒子、深空尘埃等为目标的采样返回探测任务是空间科学与深空探测研究的热点方向之一。对“星尘号”“起源号”两个典型采样返回探测器的构型进行了分析,并梳理了其主要构型特点。结合我国月地高速再入返回飞行器的构型特点,提出了一种深空粒子采样返回探测器构型的设想：总体构型由长方形主体和流线型返回器组成,主体构型适应于承载返回器和其他装器设备,返回器构型适应于样品收集和再入返回气动外形。设计方案采用了充气式采样器进行粒子收集,具有体积小、重量轻、折叠效率高、展开可靠、工程实施简单等特点,并采用了可重复收拢展开的太阳翼,能够适应收集不同类型深空粒子的需求。     

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。     

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.