利用人工神经网络快速计算木星系磁坐标

在木星辐射带研究中，从地理坐标向磁坐标的准确转换是建模基础.以往的建模中，磁壳参数L值的计算基于磁偶极场假设，该方法精确度较差.结合最新的高精度木星磁场模型JRM09，本文提出基于磁力线追踪法的木星磁坐标计算方法，并分析其合理性和必要性.要求精确度较高时，磁力线追踪法计算耗时很长.本文在磁力线追踪法的基础上进行改进，提出基于人工神经网络的磁坐标快速计算方法.该方法包括分类器和拟合器.分类器基于Adaboost算法的BP神经网络，用于预测某地理坐标是否在内磁层，如果在内磁层，则用拟合器计算L值.拟合器采用遗传算法优化BP神经网络.结果表明，分类器的分类错误率在3%以内，而拟合器的预测误差在7%以内.以Juno号一圈探测轨道为例，利用神经网络的磁坐标计算法比磁力线追踪计算法速度快3个数量级以上.基于人工神经网络的磁坐标快速计算方法可用于未来木星辐射带的研究.      

木星环绕探测器电源系统设计研究

木星环绕探测任务的规划,对电源系统的设计提出了新的需求和挑战。文章结合木星及木星系环绕探测器任务各个阶段的温度、光照、辐射等空间环境特点,分析了电源方案的设计需求,并调研了以美国伽利略号(Galileo)、朱诺号(Juno)和欧洲木星冰卫星探测器(JUICE)为代表的国外木星环绕探测器的电源系统设计。根据我国的能源和航天技术发展现状,比较了同位素电源和太阳电池阵2种技术路径,提出"太阳电池-蓄电池"是木星环绕探测电源系统的可行方案。最后给出了电源系统的初步设计方案和输出仿真,并通过分析建议在低温低光照太阳电池、宽域电源控制器和太阳电池辐照防护等技术方面针对任务进行适应性改进,以满足木星环绕探测的任务需求。     

木星辐射环境不确定性对总剂量风险的影响

以木星探测任务为背景，针对木星辐射带粒子能量高、通量大的强辐射特点，基于器件总剂量辐照试验数据、木星辐射带模型、太阳质子通量模型，将器件失效点剂量不确定性与辐射环境不确定性应用到总剂量设计中，可定量评估特定任务一定屏蔽下的器件失效概率、辐射设计余量(RDM)的置信度及影响因素，可实现木星任务中器件指标、屏蔽厚度和失效概率之间的权衡和优化。首先，根据商业器件TL084辐照试验数据，发现其失效概率分布符合威布尔分布。对于10个木星半径的赤道面轨道，辐射带质子通量比太阳质子大3个数量级，随着屏蔽厚度的增加和任务期的减小，TL084器件所受剂量和失效概率减小。当屏蔽厚度为 10 mm 铝时，器件平均寿命小于2星期。另外，定义并考察了器件的失效速率，失效速率随屏蔽厚度的减小和在轨时间的增加而增加。对于传统的RDM为2的设计方法，1 mm铝屏蔽下对应的置信度为89%。     

木星系探测中多层材料的辐射屏蔽优化设计方法

与地球辐射环境相比,木星辐射带中的粒子辐射环境有能量高、通量大、能谱硬等特点,对木星探测器的辐射防护要求更高。航天器设计中常用的多层金属材料的防护效果取决于辐射环境、屏蔽层数量与厚度、屏蔽层叠放顺序等众多因素,因此采用数值方法进行设计十分困难,有必要开发智能屏蔽优化算法。文章结合遗传算法和MULASSIS多层屏蔽仿真程序,以屏蔽后的吸收剂量为优化目标,开发了多层材料辐射防护优化设计方法。利用该方法,得到一定重量指标约束下的最优屏蔽结构,其特点是将高低原子序数材料相结合,多为双层或三层结构,并把高原子序数材料放置在外侧。以远木点和近木点分别为25个和10个木星半径的赤道面轨道为例,当面密度为1 g/cm2时,最优屏蔽结构为0.829 mm铅和0.158 mm镁的双层结构,可将辐射造成的总剂量降低至120.3 krad(Si)/a,与传统铝屏蔽材料相比,可节省近43.6%的重量资源。本方法可用于指导未来木星探测的辐射防护设计。     

木星系粒子辐射环境效应及防护关键技术

木星系辐射环境包括高能电子和质子、重离子、等离子体、极光粒子等。另外,Galileo卫星的辐射环境也是木星探测任务的关注重点。文章基于木星特殊的高辐射、低光照、超低温环境特点,分析了包括总电离剂量、内带电、单粒子、位移损伤等辐射效应,识别出了木星辐射环境效应中的研究重点,并针对总剂量效应讨论了木星系探测器屏蔽材料的选择和屏蔽结构的设计。     

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。     

木星环绕探测任务中的内带电风险评估

木星拥有类似地球辐射带的辐射带结构,其辐射带质子通量是地球的10倍,高能电子通量比地球高2~3个数量级,且最高能量可达1 Ge V。因此木星探测任务的抗辐射设计是任务成功的关键。选择3种不同倾角大椭圆探测轨道,仿真分析了2种介质在变化能谱下的内带电过程。仿真结果表明,对于环氧树脂(Fr4),由于电阻相对较小,电子通量较大的近木点的充电电荷,会在远离辐射带时泄放,其最大充电电场取决于近木点的电子通量;对于聚酰亚胺(Kapton),由于电阻相对较大,充电电荷不能及时泄放,不同轨道间电荷逐渐累计,最大电场不断增加。另外,环木轨道倾角越大,越有利于降低充电电场。和地球GEO轨道相比,不同电阻介质在环木轨道的充电差异相对地球GEO轨道较小。