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。  

强不规则天体引力场中的动力学研究进展

小行星探测与彗星探测是深空探测的重要方面.一般来说,小行星和彗星因质量都不足以使得万有引力克服应力达到流体静力学平衡,而具有强不规则的外形.研究强不规则天体引力场中的动力学行为及其内在机制,是探测器被不规则天体捕获并对其形成近距离探测轨道的基础.从引力场模型和动力学行为两个方面综述了强不规则天体引力场中动力学的研究进展,在引力场模型的研究方面介绍了强不规则天体引力场建模的球谐函数摄动展开模型、简单特殊体模型及多面体模型的研究现状,在动力学机制的研究方面介绍了强不规则天体引力场中的周期轨道和拟周期轨道、平衡点、流形、分岔与共振以及混沌运动的研究现状,指出了这些方面研究的重点与难点.分析了强不规则体引力场中动力学的研究趋势.  

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。  

小行星探测电推进系统方案研究

小行星探测以及资源开发与利用对国家抢占深空探测主动权和制高点有着不可估量的战略意义。电推进具有高比冲、长寿命和高度自主巡航等特点，小行星探测器采用电推进执行巡航阶段轨道机动任务，将大幅减少推进剂重量和提高载重比。调研了国外小行星探测的电推进系统方案，针对我国小行星探测对电推进系统的任务需求及现有电推力器的技术基础，提出了5种电推进系统方案，并进行多维度对比，对最优方案进行了设计和关键技术梳理。  

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。  

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。  

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。  

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。  

基于Terminal滑模的小行星探测器着陆连续控制

针对弱引力场不规则小行星探测器安全下降与着陆,提出了一种基于比例微分(PD,Proportional plus Derivative)及非奇异Terminal滑模的连续控制方法.在着陆点坐标系下推导了探测器的动力学方程,设计了开环燃料次最优多项式标称轨迹制导方法.针对下降和着陆两个不同阶段提出了PD和非奇异Terminal滑模变结构连续控制方法.将PD控制的易操作性与非奇异Terminal滑模控制收敛速度快、调整时间短有效结合,保证了探测器安全着陆.仿真结果表明了提出方法的可行性和有效性.