An in situ laser induced breakdown spectroscope (LIBS) for Chandrayaan-2 rover: Ablation kinetics and emissivity estimations

A miniaturized in situ laser induced breakdown spectroscope-LIBS is one of the two lunar rover payloads to be flown in India’s next lunar mission Chandrayaan-2, with an objective to carry-out a precise qualitative and quantitative elemental analyses of lunar regolith at the proximity of the landing region. As per the imposed mission constraints and the executed design optimization studies, a compact and light-weight LIBS prototype model is developed at our premises. This paper mainly concerns with the estimation of theoretical aspects; especially on evaluation of elemental ablation parameters and signal-to-noise ratio (SNR) calculations for the designed instrument. Theoretical estimations and simulations yielded an incident laser power density of the order of 5 × 10¹⁰ W/cm² on the target surface at a defined lens-to-surface distance (LTSD) of 200 mm and revealed an SNR > 100 for most of the elements under consideration. This paper also addresses the impact of LTSD variation on detection capability. The estimation of plasma-temperatures was carried out utilizing the emission spectra obtained under high vacuum environments employing the LIBS laboratory model. Experimental investigations and the performed theoretical estimations asserted the successful operation of the configured LIBS instrument for in situ elemental analyses on lunar surface.     

Wireless sensor networks for planetary exploration: Experimental assessment of communication and deployment

Planetary surface exploration is an appealing application of wireless sensor networks that has been investigated in recent years by the space community, including the European Space Agency. The idea is to deploy a number of self-organizing sensor nodes forming a wireless networked architecture to provide a distributed instrument for the study and exploration of a planetary body. To explore this concept, ESA has funded the research project RF Wireless for Planetary Exploration (RF-WIPE), carried out by GMV, SUPSI and UPM. The purpose of RF-WIPE was to simulate and prototype a wireless sensor network in order to assess the potential and limitations of the technology for the purposes of planetary exploration.     

深空探测智能遥感技术展望

在深空探测背景下,采用传统遥感方式进行探测带有一定的局限性,文章以美国为例介绍了智能遥感技术的发展情况。分析了深空探测任务对于传统遥感器的新需求,提出在深空探测信息智能化获取模式、深空探测遥感器参数智能化调整和在轨数据智能化处理3个方面开展深空目标智能遥感研究,以解决传统遥感器在深空探测中面临的局限。重点阐述了实现深空探测智能遥感的关键技术。最后提出中国深空探测智能遥感技术的发展建议。     

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索

从月球逃逸探测小行星的发射机会搜索因需考虑日、地、月引力的影响而使问题变得复杂。针对该多体系统的发射机会搜索问题,提出了一种分层渐近的搜索方法。该方法首先通过分析地月系质心与小行星的几何关系,搜索从地月系质心到小行星的发射机会,进而以地月运动为研究对象,推导出了从月球轨道切向逃逸机会的判别条件,并基于此判别条件及等高线图法对逃逸机会进行了搜索。同时,为提高所得发射机会在多体模型下的轨道修正收敛性,给出了基于月心逃逸轨道参数为终端约束的日-地与日-地-月动力学模型的轨道渐近修正方法。最后,以近地小行星(3908)Nyx和(190491)2000 FJ20为例,搜索其从月球逃逸的发射机会,仿真计算表明了该方法的有效性。     

载人深空探测任务航天医学工程问题研究

航天医学工程问题关系到载人深空探测任务中的人员生存及健康。文章从人员长期生存的生命保障、变重力生理效应及防护、地外环境效应与防护、人员生理健康监测与维护、人员心理健康等方面的问题入手,分析了问题产生的原因及解决的必要性,并提出了解决思路,为后续深入开展相关关键技术的攻关提供参考。最后,以载人月球基地任务为案例,提出了生命保障、变重力防护、辐射及月尘防护、生理及心理健康监测及维护等问题的解决方案。     

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。     

行星着陆自主导航与制导控制研究现状与趋势

行星着陆自主导航与制导控制技术是行星着陆过程的核心技术之一,关系到行星着陆任务的成败。本文基于未来火星和小天体着陆对自主导航与制导控制技术的发展需求,阐述了进一步开展自主导航与制导控制研究的必要性,围绕行星着陆过程环境特点,分析了自主导航与制导控制技术所遇到的挑战,随后概括了行星着陆自主导航与制导控制所涉及的关键技术,并综述了关键技术的研究现状。最后对我国未来行星着陆探测自主导航与制导控制技术的发展方向进行了展望。     

集成火星进入弹道的开伞过程动力学特性研究

针对火星探测任务设计阶段的需求,提出集成再入弹道、开伞过程仿真一体化设计方法。首先,利用质点动力学模型,计算质点弹道,进行探测器进入过程的飞行轨迹仿真,获得开伞初始状态。其次,基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法,建立开伞过程的流固耦合（FSI）动力学模型,进行典型工况开伞过程数值模拟,分析开伞动压和马赫数对降落伞充气过程的影响。数值模拟开伞过程伞衣几何外形变化和降落伞的流固耦合动力学行为,得到开伞过载变化曲线、伞衣阻力面积变化等典型特征参数。计算结果表明,降落伞开伞动力学的数值仿真方法为火星再入、减速和着陆（EDL）过程的概念设计提供了一定的参考依据。     

月壤剖面锥型螺旋刃成孔钻头设计

针对月壤剖面钻进成孔探测需求,提出一种锥型螺旋刃成孔钻头,建立其钻进排屑性能的理论模型,并以此开展钻头结构参数的优化设计。在此基础上,分析螺旋刃切削姿态及其切削参数,基于直线刃平面切削理论建立锥型螺旋刃成孔钻头钻进切削负载预估模型,开展锥型螺旋刃成孔钻头模拟月壤剖面钻进负载特性试验验证。研究结果表明,相比于直线刃钻头,锥型螺旋刃成孔钻头的钻进排屑性能更优,而且钻进切削负载模型与试验结果具有较好的吻合度。研究成果对我国拟实施的月面钻取采样工程具有重要的借鉴价值。