On tethered sample and mooring systems near irregular asteroids

A tethered asteroid sample and mooring system is investigated in this paper. In this system the spacecraft is moored to the surface of an irregular asteroid such as 216 Kleopatra by using a rocket-propelled anchor with a cable. The rocket-propelled anchor is a kind of space penetrator, which can inject into asteroids at high speeds generated by its own rocket engine. It can be used to explore the interior structure of asteroids, and it can also be used as a sample collector. When the sampling mission is done, the sample can be pulled back to the spacecraft with the anchor. Using this method, the spacecraft can be kept in a safe region in which it cannot be trapped by the gravitational field of the asteroid. This work is concerned with the dynamics of the tethered system near irregular asteroids. First, a shape model and gravitational field model of irregular asteroids are built. Then, the configuration and the stability of the tethered system are investigated, and the quasi-periodic motion near the equilibrium point of the tethered system is analyzed. Finally, the non-uniform density distribution of the asteroids is considered. The deployment process and the oscillation of the tethered system in the uncertain asteroid gravity field are simulated using the Monte Carlo method. The feasibility of the tethered asteroid sample and mooring system is proved.     

双小行星系统引力场建模方法研究

针对弱引力双小行星系统的引力场建模问题,本文采用复杂度和精度依次递增的球体–球体模型、椭球体–球体模型和改进的限制性椭球体–椭球体模型来进行引力场建模,并分别采用椭圆积分以及无积分环节、计算效率高的二阶二次球谐函数来表征引力势,从而比较精确地刻画双小行星系统和探测器构成的限制性全三体问题的动力学模型;针对双小行星系统1999KW4,对其不同的引力场模型进行了仿真研究,分别给出了不同模型下的等效势能函数曲面及零速度曲线,比较了不同模型下的平动点位置坐标偏差。结果表明,二阶二次球谐函数计算引力势的椭球体-椭球体模型计算精度高,复杂程度低,计算量更少,计算速度更快,能够较精确的对双小行星系统进行引力场建模。     

毫米波宽带相控阵导引头关键技术综述

毫米波宽带相控阵导引头技术是目前世界各国的研究热点。其威慑力决定于它的“快、远、精、多”能力,即快速性、远距探测能力、精度和多目标能力。毫米波宽带相控阵导引头采用电扫描技术,具备快速性;采用毫米波宽带成像技术,能对目标进行准确跟踪拦截,实现精确制导;采用有源阵列天线技术,可以得到较大的合成功率,增加导引头的远距离探测能力;快速灵活的波束控制使得导引头具有检测与跟踪多目标的优势。在分析了毫米波宽带相控阵导引头技术研究现状和基本特点及优势的基础上,主要对有源阵列天线技术、宽带毫米波成像技术、空时自适应处理技术及多目标检测与跟踪技术等毫米波宽带相控阵导引头的关键技术进行了初步探讨。     

动背景中高速掠过点目标的双窗口捕捉算法

为解决动背景下高速掠过点目标的实时探测问题,探讨了一种新的算法：首先采用基于帧间差分向量一阶范数的目标检测算法对图象进行预处理,实现大面积背景抑制,提取可疑目标点;然后,对提取的可疑目标点采用双窗口搜索算法捕捉运动点目标。该算法简单,运算量小,易于实现。实验结果验证了算法的有效性。     

片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

为满足在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验,需要准确测量速度3~10km/s,以及更高速度的毫米级或亚毫米级粒子的飞行速度,在可以实现毫米级粒子探测的片光遮挡式粒子探测技术基础上发展了片光反射遮挡式粒子探测技术,通过采用提高粒子直径与激光光束宽度的比值,解决了探测粒子直径小于1mm时探测信号弱不能识别等关键技术,研制了试验装置并开展了验证试验,研究结果表明该技术在0.2~10km/s速度范围内可实现直径为0.1mm量级粒子的有效探测.     

附着小天体的动态面鲁棒制导与控制方法

以精确附着小天体表面的任务为背景,提出一种基于扰动观测器(DOB)和动态面控制的附着小天体的制导与控制方法。根据探测器的初始条件与终端着陆条件规划了标称轨迹,并将引力场建模误差、参数摄动和外部干扰等视为总扰动,结合动态面控制和DOB设计了标称轨迹跟踪控制器。分析总扰动估计误差的渐进收敛性以及闭环标称轨迹跟踪控制系统的稳定性,并确定控制器参数选取条件。数值仿真结果表明,所设计的DOB可以有效地估计并抑制总扰动且闭环标称轨迹跟踪控制系统具有良好的稳定性和控制精度。     

Trajectory optimization of multiple asteroids exploration with asteroid 2010TK7 as main target

In this study, the Earth’s Trojan asteroid 2010 TK₇ is selected as the rendezvous target. The multiple flyby sequence of asteroid exploration was proposed by optimizing the probe’s orbit. Impulsive maneuvers and low-thrust propulsion were used respectively to design the trajectories of the multiple asteroids exploration mission. Under impulsive maneuvers, gravity assist technique was adopted to reduce fuel consumption. First a reference orbit with only 2010 TK₇ as the rendezvous target was designed. Then five asteroids near the reference orbit were selected as candidates. Finally, we obtained a multiple asteroids exploration sequence of three asteroids based on gravity assist technique and genetic algorithm, and an additional velocity impulse of 0.4?km/s was required. In the subsequent section, a sixth-degree inverse polynomial shape-based method is applied to the low-thrust trajectory design of 2010 TK₇, and the exploration sequence under the action of low-thrust propulsion was provided.     

近地小行星采矿与防御计划发展现状

近地小行星交会、绕飞、着陆与采样返回技术经过数10年的发展日趋成熟。美国的OSIRIS-Rex对C类小行星进行特征分析与采样,日本宇宙航空研究开发机构的“隼鸟-2号”任务目的是小行星深层采样。美国国家航空航天局（NASA）和欧洲空间局（ESA）的小行星探测任务开始转向行星防御领域。NASA的ARM（Asteroid Redirect Mission）计划是开展小行星抓捕与轨道重定向,ESA联合NASA提出了小行星撞击与偏转评估计划,拟对双星系统开展撞击实验,为行星防御提供技术积累。此外,行星资源公司和深空工业公司分别规划了小行星商业采矿的蓝图,并已开展相关的在轨技术验证。对近地小行星的探测历程进行了回顾,重点介绍了OSIRIS-Rex、“隼鸟-2号”、NASA和ESA的行星防御计划及小行星采矿公司的商业采矿战略规划,总结了未来开展行星防御与采矿的关键技术。     

载人探测小行星的目标星选择

小行星探测具有目标多样化的特点,通过对小行星的相关物理特性进行分析和归类,以及国内外研究情况,从探测任务的安全性、技术可行性和探测价值3个方面,讨论提出了适于我国开展载人探测的选星方法和原则;按照技术可行性由易至难,将候选星分为3类,分别提出了相应的约束条件和优选条件,筛选出候选星;根据部分目标星轨道设计结果,结合未来运载器的发展规划,对这3类小行星的探测任务特点进行了分析,给出了针对性建议,结果可为我国制定载人小行星探测的战略规划提供参考。     

基于虚拟仪器技术的信号处理与故障检测系统

为了对液氧/煤油高压补燃发动机试验过程进行实时监测,以便及时发现故障并能够采取相应的措施,基于虚拟仪器技术,运用LabVIEW7.0软件开发环境,开发了一套液氧/煤油发动机数据分析与故障检测系统。通过实例验证,该系统能够大幅提高试验数据分析的效率,并对发动机试验过程的故障进行快速有效的检测。