火星表面探测器

为了更好地勘查火星地表情况．美国航宇局最近新研制出一种新的高技术遥控飞行器“飞行翼”，它能够对火星地表进行其它手段无法进行的详细观测。目前设计的这种遥控飞行器样子像一架滑翔机．研究人员正在对它进行测试，如果可行的话，科学家们将在其内部放置现测仪器，让它前往火星进行勘查活动。     

火星的岩石地貌

<正>火星的大气层是否发生过变化?40亿年前,火星的大气层比现在厚。从火星的地貌判断,那些类似河床的遗迹(如右图所示)证明火星上曾有河流。2004年,美国航宇局发射了两个火星漫游车勇气号和机遇号。这两个双胞胎火星车分别着陆火星,并在火星表面旅行和拍照,勘测了大量的火星岩石和土壤化学成分,找到了火星大气层变化的证据。根据探测数据,40亿年前,火星上曾有液体水存在。液体水的存在,表明火星在远古时代拥有比现在更厚的大气层。这层厚厚的大气曾把热量保留在火星表面,致使火星表面足够的温暖,让水维持液体状态。     

利用CRISM数据探测火星表面含水矿物及其演化

火星表层矿物识别是了解火星大气环境变化、表层地质环境的关键因素。通过确定火星表层矿物,分析矿物特性,了解火星的环境状态、地质演化以及火星的未来适居性。火星勘测轨道器(Mars reconnaissance orbiter,MRO)上搭载的紧凑型侦察成像仪(compact reconnaissance imaging spectrometer for Mars,CRISM)是针对火星矿物探测的最新的高光谱成像仪,以很高的光谱分辨率覆盖可见光至近红外波段,为火星表面的矿物分布及区域填图提供了可能。通过光谱匹配及计算CRISM光谱参数综合产品,分析了火星Jezero以及Holden撞击坑内的矿物成分及其演化。Jezero与Holden因其复杂而关键的地质特征,被列为火星2020登陆任务的备选登陆点。对这两个地点的矿物探测与填图分析不仅可进一步分析火星典型地质特征以及演化,而且还可以为未来的火星登陆点分析提供现实意义。在研究区域已检测到与水成蚀变相关的含水硅酸盐类以及碳酸盐类与含水硫酸盐类。水合矿物增加了这些区域曾经含水的可能性,且矿物的多样性表明研究区地质环境经历了不同的变化,其中Jezero地区不同于火星的绝大多数地区从中性环境到酸性环境的演化,有可能经历了从中性环境到碱性环境的演化。     

一种火星大气密度三维解析模型

根据火星大气数据库,建立了以高度和经纬度为输入的火星三维解析大气密度模型;在竖直方向上,采用分层指数模型;在水平方向上,将指数模型中的参考密度和参考高度视为经纬度的多项式函数,并通过最小二乘曲面拟合得到了多项式系数。相比传统的指数模型,三维指数模型不仅反映了火星大气密度随高度的变化规律,而且能够体现出大气密度在水平方向上的变化。与大气数据库相比,三维密度模型具有解析形式,计算速度快,仿真过程中只需存储简单的多项式系数即可实现密度的实时计算和调用,适用于地面实时仿真。     

火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.     

火星探测微流星体环境模型及风险预测

微流星体是自然存在的微型天体.在太阳系空间范围内,微流星体的主要起源为彗星及小行星.在地球至火星的空间范围内,微流星体的飞行速度范围为24.13~42.2km·^-1.高速飞行的微流星体一旦撞击火星探测器,将有可能对探测器造成毁灭性的损害.本文基于太阳神探测器的观测结果及彗星轨道观测统计结果,针对火星探测,分别建立了地火转移段及环火飞行段的微流星体环境模型,并基于有限元离散方法建立了火星探测任务的微流星体碰撞风险预测方法.设计了一个虚拟火星探测器,分别对其在地火转移段及环火飞行段的微流星体撞击通量进行了分析.结果显示,在探测器有效任务期内,探测器正面受微流星撞击次数约为背面的10倍.根据本文模型计算结果,将探测器顶板铝合金蒙皮的厚度增加至0.7mm后,在整个任务周期内可将探测器正面受微流星体撞击出现击穿损伤的风险降低为每平米7次.     

火星带给你的视觉盛宴

截止到今年3月10日,美国航宇局火星勘测轨道卫星(MRO)已经在火星轨道整整服役5年时间,获得了大量珍贵数据,可谓硕果累累。自从2006年3月10日它进入这颗红色行星的轨道以来,这个轨道器已经向地球传回大约有131万亿字节的信息和7     

精确动力学模型下的火星探测轨道设计

首先在二体意义下采用粒子群优化算法（PSO）求解Lambert问题,确定发射窗口和二体地火转移轨道。使用圆锥曲线拼接法设计地心停泊轨道、逃逸轨道,并作为轨道精确设计的初值,以建立在火星的B平面参数和地火转移时间为约束,在精确动力学模型下进行微分迭代修正,最终得到满足约束的精确轨道。将设计轨道在STK软件中仿真,结果吻合。     

基于高斯伪谱法的火星表面上升燃耗最优轨迹设计

火星上升器的设计与其轨迹设计紧密相关,而现有方法大都将MAV(Mars Ascent Vehicle)的分级优化和轨迹优化解耦计算,其计算效率低且鲁棒性较差。提出了一种基于高斯伪谱法的两级MAV分级与轨迹耦合多阶段优化算法,它以MAV的发射总质量最小为目标函数,并考虑了MAV设计约束、MAV的质量模型约束、轨迹的路径约束和控制约束等限制条件。利用该方法可以同时求得发射总质量最小的两级MAV分级参数和一条燃耗最优的上升轨迹,解决了由于不合理的两级MAV分级设计导致的轨迹优化算法无法收敛的问题。数值仿真结果表明该方法具有较快的收敛速度,且对初值选取的敏感度较小、具有较强的鲁棒性。     

火星表面高氯酸盐生物转化及原位制氧工艺技术

火星表面极端缺氧条件及广泛分布的高氯酸盐所形成的强氧化环境,对人类登陆探测及后续宜居环境建设构成直接威胁.根据对火星表面高氯酸盐分布的探测成果,地球上高氯酸盐生物降解研究进展,以及人类登陆火星对资源和环境的需求,提出了利用生物方法转化火星表面高氯酸盐进行原位制氧的设想与工艺,对其工艺过程、影响因素、关键技术与难点、行星保护与副产物资源化、后续火星环境改造等进行了前瞻性分析,有望在火星上同时实现高氯酸盐无害化处理与氧气原位制备,化害为益,为火星探测提供新思路与新方法.     

数字地球中实时地形晕渲的实现方法

通过使用法线贴图的模式,不增加地面网格数的前提下,在三维数字地球仿真系统中实现了对全球地形的高精度实时晕眩效果的地形浏览.首先通过对高程数据进行分层分块处理,制作级地块法线贴图,再通过绘图芯片用可程序化像素着色器流程计算法线贴图的光照效果,最后将纹理贴到对应的分层三维地形网格上.根据光源的入射方向、色调、饱和度及亮度,计算中考虑了顶点的环境光、漫反射光、镜面反射光,在低地形网格数的前提下,实现了如高精度地形网格般的明显光影变化.      

火星土壤物理力学特性分析

火星土壤既是火星表面探测活动的主要探测对象,也是表面探测器设计中需考虑的重要因素之一。火壤的物理力学特性将直接影响着陆器着陆缓冲系统、火星车移动系统等的设计。此外,在着陆器和火星车等表面探测器的地面研制过程中,需要研制模拟火壤,形成模拟的火星表面环境,开展相关的着陆器着陆缓冲性能、火星车移动性能等验证试验。迄今为止,人类已经有多个探测器登陆火星,获取了大量的有关火壤的信息,也研制了多种模拟火壤。通过对已有火壤和模拟火壤的物理力学特性分析,梳理出火壤物理力学特性的参数范围,可为我国火星探测器的研制提供参考。     

Martian Buildings: Design loading

Multiplanetary life has been studied by scientists as a way to supply energy or sustain human life in the future. Mars is likely to be man’s first destination, colonization using onsite structural construction would be one of the main options. The first step to designing a reliable building is to know the applied structural loads and to have an accurate design load combination. Due to lack of complete knowledge, short span of recorded data, Martian environment, and hazardous environment that Martian structures face, constructed Martian structures should behave appropriately under the highest likely live, dead and environmental loads either simultaneously or as a worst-case scenario. The present study evaluated and calculated probable Martian structural loads, including live, internal pressure, snow, gravity (dead), dust accumulation, thermal stress, wind, marsquake, asteroid, and meteoroid impact loads and their effects. Information was gathered from previous studies and valid data from Martian landers, rovers and orbiters. Wind loads were calculated based on the over 6.5 years of data recorded by Vikings 1 and 2, temperature and winds for InSight (TWINS) sensor. A wind shear exponent and wind profile have been proposed for a Martian flat terrain construction site. Marsquake lateral loads, frequency content and seismicity were assessed using data from the seismic experiment for interior structure (SEIS) and the Viking 2 seismometer. Considering the high influx of micrometeoroids, their penetration distance, impact loads and their effects on structures were calculated. The annual probability of an asteroid impact on a settlement was assessed for a 30-year mission. A load map for Martian residential buildings that considers the worst-case scenario in which a Martian structure should be designed based on them has been proposed.     

基于MARSIS的火星低纬度电离层统计特性研究

在对欧空局火星快车探测器搭载的MARSIS雷达的浅表层探测数据进行校准过程中,获得了火星电离层的总电子含量(total electron content,TEC)观测数据。利用该数据,计算火星低纬度地区电离层的峰值电子密度和标高;并对其进行统计分析发现,在低纬度地区,火星冬季电离层的标高和峰值电子密度均较夏季高,即冬季电离层较夏季更显著,且春季电离层的电子密度梯度最大。     

飞机框肋类零件基础特征自动识别与提取算法

飞机框肋类零件是组成飞机骨架的重要零件,具有数量大、形状各异等特点,其生产制造所耗费的时间在飞机研制过程中占有较大比重。然而,通过现有CAD软件所提供的功能进行相关制造操作,无论是效率、质量等均已不能满足现代飞机设计和制造要求,围绕飞机框肋类零件研究和开发相关的自动化制造系统已迫在眉睫。基于框肋类零件边界表示模型对零件基础特征进行自动识别与提取,是实现后续相关工艺规划与加工的基础与前提。针对该问题,提出零件基础特征模型,并建立一种基于同侧面的特征识别算法,即:以零件STEP数据作为输入,选取两侧腹板面,应用属性邻接图（AAG）构建、有效邻面识别、关联面完整识别等方法,逐级识别各级关联面以构建两侧同侧面,通过同侧面单元匹配最终实现基础特征构造和特征邻接图构建。其中,针对零件三维模型中的碎面缺陷提出其定义与识别方法,以保证特征面识别的完整性。经由实例测试,验证所提算法的可行性与有效性。      

镜模波识别方法研究及其在火星磁鞘中的应用

镜模波是温度各向异性等离子体中的一种波动结构,根据磁场和离子分布及波动特性可以进行识别.本文对比了只使用磁场数据与同时使用磁场及离子数据两种识别方法,分析了两类方法的特点.只使用磁场数据的方法基于磁场强度变化大、方向沿背景磁场的特征,通常使用磁场强度的波动幅度ΔB/|B|以及磁场变化方向与背景磁场的夹角θ_min,θ_max作为参数;同时使用磁场及粒子数据的方法利用的是磁场纵波特性、总压平衡和波动在等离子体坐标系下静止的特征.使用两种方法对MAVEN卫星在火星磁鞘内的数据进行识别,结果表明在某些情况下,只使用磁场数据会导致对镜模波的误判.通过研究改变上述参数阈值时识别结果的变化,发现当θ_min> 40°,θ_max < 40°,ΔB/|B|> 80%时,只用磁场数据可取得较好的识别效果.     

基于光谱知识的高光谱图像自动识别方法

针对传统高光谱图像矿物识别方法未能充分利用矿物光谱诊断吸收特征与矿物光谱知识、识别过程人为干预多等问题,提出了一种基于光谱知识的高光谱图像自动识别方法.该方法引入了基于光谱吸收特征与波形特征的光谱知识作为自动识别的标准,利用连续统去除操作增强光谱吸收特征,采取基于光谱主次吸收特征的识别决策策略,建立多级约束准则以提高识别精度及避免误识别,通过利用模拟数据进行算法精度评价并应用航空高光谱成像仪AVIRIS(Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer)数据进行应用分析与验证.结果表明:当图像信噪比大于200时,识别准确率可以达到80.3%,能够得到良好的识别结果以及较高的精度,并实现了基于高光谱图像的矿物自动识别.     

YingHuo-1——Martian Space Environment Exploration Orbiter

This paper gives a brief introduction of YingHuo-1 (YH-1), a Chinese Martian Space Environment Exploration Orbiter. YH-1 is a micro-satellite developed by Chinese Aerospace Industry,and will be launched together with Russian spacecraft, Phobos-Grunt, to orbit Mars in September,2009. Four payloads are selected for the mission, plasma package, including of electron analyzer, ion energy and mass analyzer; sat-sat occultation receiver; flux-gate magnetometer; and optical monitor.YH-1 mission focus on the investigation of the characteristics and its evolution of the Martian space Environment, and identifying major plasma processes, which provide channels for Martian volatiles escaping.