太阳系探测的发展趋势与科学问题分析

分析了太阳系探测的发展趋势,认为从月球到火星是未来太阳系探测的主线,太阳系探测将从普查性探测向重点天体探测转变,从技术实现为主向科学牵引转变,国际合作成为太阳系探测的必然趋势。归纳了太阳系探测的关键科学问题,认为太阳系与行星系统的起源和演化是探测的终极科学目标,寻找地外生命和宜居环境是探测的主要驱动力,预防太阳活动和小天体撞击对地球的灾害性影响是探测的现实意义。在探月工程取得进展之后,中国应以月球和火星探测为主线,以火星探测为切入点,有序开展火星、小行星、太阳、金星、木星系统等太阳系探测任务,牵引航天技术进步,推动行星科学发展。     

小天体附近的轨道动力学研究综述

小天体附近的轨道动力学是现代天体力学的一个重要研究方向,包含着丰富的物理现象和深刻的数学内涵;随着一系列小行星实地探测任务的深入开展,理解小天体附近的轨道运动规律也成为航天领域所面对的众多挑战之一。回顾了小天体研究和探测的历程,分析了小天体附近轨道动力学问题的基本特点和科学价值;详细介绍了航天动力学、行星学和非线性科学三个学科领域对该问题的讨论和研究进展,并列举了各领域中相关的热点问题;基于对上述研究现状的分析,尝试展望了该研究方向未来的发展趋势。     

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一, 登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标, 因此电离层是必须了解的火星电磁环境. 火星电离层探测包括直接探测和间接探测. 直接探测精度高, 有较高的空间分辨率, 但是观测时间短, 无法提供长期稳定的探测结果. 对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测. 无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测, 但其空间水平分辨率较低, 且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制. 顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率, 且同样可进行长期稳定探测, 为火星电离层研究提供了最新的支持. 通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析, 提出通过几种探测方法适当结合的方式, 同时对火星电离层进行观测, 能够大大推进对火星电离层的研究.      

萤火一号深空测控设备

深空测控通信是实施深空探测的关键技术, 萤火一号探测器是中国第一个深空探测器. 本文介绍了深空测控通信的特点、存在的技术困难及需要攻克的关键技术, 描述了萤火一号火星探测器的测控通信技术方案及星载测控设备的功能分配, 给出了星载测控设备的基本配置情况及主要技术指标. 萤火一号探测器的测控和数传采用一体化设计方案, 在10 kg重量约束条件下, 实现了上行遥控通道及下行遥测通道, 具备科学数据传输通道及测定轨信号发送的功能, 而且每个通道均具有冗余备份设备.      

Time-optimal trajectories to circumsolar space using solar electric propulsion

The aim of this paper is to explore the capabilities of a solar electric propelled spacecraft on a mission towards circumsolar space. Using an indirect approach, the paper investigates minimum time of transfer (direct) trajectories from an initial heliocentric parking orbit to a desired final heliocentric target orbit, with a low perihelion radius and a high orbital inclination. The simulation results are then collected into graphs and tables for a trade-off analysis of the main mission parameters. Finally, a comparison of the performance between a solar electric and a (photonic) solar sail based spacecraft is discussed.     

精确动力学模型中的行星引力辅助轨道设计

轨道设计分为初步设计和精确模型迭代两步,初步设计基于等效脉冲模型,用圆锥曲线拼接法确定时间窗口和引力辅助产生的速度脉冲。精确模型中引力辅助看作是一个连续的过程,将简化模型得到的引力辅助双曲线轨道化为行星心目标B平面参数,以地心逃逸速度作为设计变量,通过微分修正的方法进行求解。通过算例对比分析了简化模型和精确模型设计结果之间的关系,结果表明,引力辅助脉冲等效模型精度较好。     

基于间接法的最优小推力逃逸轨道设计

目前,小推力逃逸轨道优化的大部分研究限于平面内逃逸或对发动机模型做无约束简化处理.通过在性能指标中引入一个待定参数,采用间接法将系统两点边值问题的待定参数约束在多维单位球里;同时结合同伦思想和曲线拟合技术,由短时间无约束平面内燃料最优逃逸问题开始,逐步求解长时间有约束平面外燃料最优逃逸问题.数值仿真结果表明该方法收敛性好,能求解复杂逃逸问题,是一种高效的逃逸轨道设计方法.     

基于B平面的火星探测直接转移轨道设计方法

将轨道设计转化为常微分方程两点边值(TPBVP)问题,采用微分修正法求解该边值问题.将B平面概念同时应用于地球和火星,借助B平面与双曲线轨道的几何关系解析地给出了两点边值问题的边界条件的建立方法,理论上说明了火星探测直接转移轨道存在4组解的原因,同时提出了控制探测器到达相对火星双曲线轨道近火点时刻的准确参数表示方法.最终给出仿真算例,将轨道设计结果代入STK,结果合理.     

基于离子电推进系统的航天器有效载荷能力分析

为预估与提高航天器有效载荷能力,结合航天运输系统理论与离子推力器放电模型,对深空探测任务中以离子电推进系统为主要动力来源的航天器有效载荷能力进行了分析。通过理论推导,构建并揭示了有效载荷分数与深空探测任务参数和电推进系统性能参数的函数关系与潜在联系。结果表明:动力装置单位质量越小,航天器所能达到的最佳有效载荷分数越大;有效载荷分数的高低与离子引出份额、原初电子利用率参数的大小以及任务时间的长短呈正相关;当离子电推进系统可以达到更高的载荷比时,则需要更高的工质利用率作为支持。     

低密度气凝胶复合材料的火星环境适应性研究

针对航天器的使用要求,研制了密度≤30 kg/m~3轻质高效的二氧化硅气凝胶复合材料。针对深空探测的应用环境,对低密度气凝胶复合材料在不同条件下的热导率、热循环、热真空和电离总剂量等环境试验进行测试。结果表明,低密度气凝胶复合材料服役温度可达到-145～85℃,在1 kPa CO_2气氛下热导率可达到6.6 mW/(m·K)。获得了不同气氛和不同温度条件下以及同种气氛、不同压力条件下低密度气凝胶复合材料的热导率变化规律,并测试批次性材料热导率,结果表明批次热导率稳定性良好。热循环、热真空和电离辐照试验前后热导率和尺寸收缩率均未变化,表明低密度气凝胶复合材料在深空环境下保持良好的结构和稳定的隔热性能。