小行星探测科学目标进展与展望

由于较好地保留了太阳系早期形成和演化历史的遗迹,小行星,尤其是近地小行星,已成为国际深空探测领域的研究热点。介绍了小行星的定义、分类和主要探测方式,指出目前小行星探测已进入空间探测的新时代;总结了国际小行星探测的现状,包括已实施和正在实施的小行星探测任务的科学目标、科学载荷配置,以及获取的主要科学数据等;探讨了未来小行星探测的发展趋势和主要科学问题,并对我国未来自主小行星探测任务科学目标的制定进行了展望。     

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。     

中国探月工程

"嫦娥4号"于2019年1月3日成功实现人类航天器首次在月球背面软着陆,"玉兔2号"月球车率先在月背刻上了中国足迹。至今,国际月球探测活动共实施126次,期间出现两个探月高潮。20世纪50—70年代,美苏两个航天大国之间的竞争引起第一轮探月高潮。20世纪末至今,各航天国家意识到月球探测的战略意义,纷纷提出月球探测计划并积极实施,月球成为各国争先探测的热点,掀起第二轮探月热潮。中国自2004年首次绕月探测工程立项实施以来,共开展了"嫦娥1号""嫦娥2号""嫦娥3号""嫦娥4号"及再入返回飞行试验共5次月球探测任务,实现"五战五捷",在空间技术、空间科学与应用、国际合作等方面取得了非凡成就,积累了丰富的经验,后续将继续开展以无人月球科研站为主的月球探测活动。     

低成本多小天体并行交会技术

小天体资源开发方兴未艾,为降低开发风险和成本,需要发射无人探测器交会观测多个待选目标小天体。传统多目标探测方案存在无法多次交会、成本高,周期长等不足。提出的低成本多小天体并行交会技术,能够对多小天体探测任务进行解耦,实现基于微纳飞行器的低成本多目标并行交会勘查,从而降低探测成本,缩短探测周期。该技术结合行星借力与不变流形机制构建了低能量星际转移方案。然后引入扰动流形思想,使微纳飞行器能够实现与目标小天体的快速交会。进一步,提出了一种多目标小天体探测全局搜索方法,该方法基于在日地halo轨道上停泊的微纳飞行器集群,逐次确定小天体探测目标,并利用上述方法完成了多微纳飞行器与多小天体的交会。数值仿真结果表明,该方案能够大幅度降低转移过程的燃料消耗,并缩短转移时间。     

低速溅射小行星表面采样的动力学仿真

开发了适用于小行星环境的大规模三维离散元程序DEMBody,针对低速射弹溅射表层风化层的小行星采样方案,仿真了相同质量不同形状的射弹在微重力环境下垂直射入颗粒床的过程,研究了溅射物质在采样器中的运动历程及最终收集质量与射弹形状的关系。结果表明,90°锥形射弹的采样效率最高。     

翻转课堂融入线上教学的应用探索——以“Photoshop图像处理”课程为例

在新的教学环境下,开展翻转课堂教学面临着巨大的挑战。结合教学实践,分析实施翻转课堂教学存在的问题,在教学设计、教学形式和教学评价等方面提出相应的对策。大部分学生对翻转课堂内容及形式总体满意,但课程设计方面存在一些不足,需在教学实践中不断完善。     

超导重力仪器:机遇与挑战

超导重力仪器是利用超导电性构建的精密相对重力测量仪器，其工作于4.2K液氦温度，具有仪器固有噪声低、稳定性好的特点。阐述了超导重力仪和超导重力梯度仪两种仪器的工作原理与技术特征，简要介绍了作者所在课题组超导重力仪器研制的进展情况。分析了我国资源勘查用航空超导重力梯度仪研制所面临的机遇与挑战，提出了应对技术挑战的策略方法。     

Energy requirements of a thermally processed ISRU radiation shield for a lunar habitat

The purpose of this study was to establish, on a first principles basis, the order of magnitude of energy requirements for a thermally processed, lunar regolith radiation shield constructed using an in-situ resource utilisation (ISRU) approach. This was done by developing a reference scenario habitat and using thermodynamic relationships and specific heat capacity expressions to determine the energy required to bring such a regolith volume up to sintering temperatures (c. 1,375 K). Once the energy requirements were developed some power system architectures were outlined conceptually and a nuclear power plant of c. 400 kW was suggested as a means to supply the necessary energy. This is well beyond current space nuclear applications. The study concludes that it is likely that the most efficient near-term solution is chemical processing of regolith, from an energy requirements perspective. The technology is also more mature and likely to be delivered on near term projects as it does not require such scaled-up power system architectures. Alternatively, bringing storm shelters up with the habitat to provide a means of weathering major solar events, and adding additional radiation protection to habitat quarters, possibly through a water blanket or similar mechanism, could provide a non-ISRU solution with current technology. However, in the longer term, the development of MW-scale power system architectures (fission, solar etc.), may permit a very large volume of material to be processed thermally for construction material, making a large, permanent human presence on the Moon more easily realisable.     

深空探测对航天器热控技术的推动

工程热物理学广泛应用于航天领域,一方面解决了具体航天工程问题,另一方面逐步发展成为交叉学科——空间热物理。随着我国在深空探测领域不断拓展,以深空探测器研制中的工程热物理问题为需求背景,推动着航天器热控制技术、防热技术等取得新的发展。文章在介绍深空探测器技术体系的基础上,分析了热设计、热分析、热试验、热控硬件、防热等方面的技术进步,并就深空探测领域进一步拓展对工程热物理发展的牵引进行了展望,分析了工程热物理学与航天技术间相互促进、相互推动的关系。     

月地高速激光通信系统链路特性分析

根据地球、月球、探月卫星的三体运动,针对月地激光链路的建立与保持,分析了地球与月球对链路的遮挡问题,对链路模式进行分析。仿真结果表明:使用3颗月球极轨(Moon Polar Orbit,MPO)卫星来进行通信时,链路中断的次数将大大减少,但是在某些时间段上,仍然受到月球的遮挡而迫使通信链路频繁中断。使用4颗MPO卫星来进行通信时,链路将不再受到月球的阻挡,而仅受到地球的遮挡。同理,增加地球同步轨道卫星的数目可避免地球的遮挡。仿真结果表明,采用2颗地球同步轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO)卫星建立链路,链路将不会受到地球的遮挡,建立深空科学研究的信息中继中心,采用激光通信技术,实现月地高速激光信息传输,为我国深空探测技术的发展提供支撑。