我国首次自主火星探测任务中环绕器的研制与实践

火星探测是国际深空探测的重点和热点,2020年,中国、美国、阿联酋的火星探测器相继发射升空。我国的首颗自主火星探测器——"天问一号"由环绕器、着陆巡视器组成,将一步实现火星的"绕、着、巡"。其中,火星环绕器作为探测器的核心组成部分,承载着地火转移、制动捕获、离轨分离、中继通信以及环火科学探测等重要任务。本文简要回顾了我国火星环绕器的研制历程,介绍了环绕器的基本方案,分析了研制过程中的技术难点和关键技术攻关情况,指出了未来技术发展方向,提出了构建通用化环绕平台的构想,为后期的深空探测任务提供参考。     

大行星、月球和小天体环绕型探测器的轨道问题

针对环绕型探测器的轨道,以具有不同物理特征的大天体(金星、火星和月球等)为例,根据它们的质量大小(决定其引力作用范围的大小)、密度分布和形状特征(决定其非球形引力场的特征),具体阐述了它们各自环绕型探测器轨道的可能形式和不同的变化特征,另外介绍了小天体探测时的两种伴飞形式。关于环绕型探测器的轨道特征,如月球无大气,对其低轨探测器而言没有能量耗散影响,却同样有轨道寿命问题,而且由于其质量分布不均匀,这种现象还与轨道倾角有密切关系;而对火星的环绕型探测器而言,尽管有类似现象,但与轨道倾角的关系却大不相同。这些重要的轨道变化特征,可为深空探测中目标轨道的选择和设计提供依据。     

未来的深空探测与空间环境模拟

文章介绍了国内外有代表性的深空探测计划的内容、特点和意义,包括:欧空局的Exo Mars火星车、美国"2020火星车"以及中国的2020火星探测计划;金星着陆探测进展情况;欧空局木星系统探测计划"木星冰月亮探索者(JUICE)"和美国的"木卫二飞越任务(Europa Clipper)";"蜻蜓号(Dragonfly)"土卫六探测项目;美国的"彗星天体生物学探索取样返回(CAESAR)"项目;月球探测计划等。还分析了未来深空探测对空间环境模拟的具体要求,空间环境模拟对推动深空探测发展的重要意义;提出了对我国未来开展空间环境模拟试验的建议。     

行星软着陆GPS有模型强化学习制导方法

由于距离地球较远、测控延时误差较大、飞行环境十分复杂且难以提前预测，行星软着陆的自主制导技术目前存在水平位置估计困难、导航参考信息匮乏、复杂地形着陆困难等挑战。针对行星软着陆存在的困难和挑战，提出了基于引导策略搜索算法的有模型强化学习制导方法，实现了着陆器在初始状态受到扰动时，无需重新规划，仍能在满足约束条件的情况下降落在指定位置。该方法将迭代线性二次调节器作为控制器，产生初始轨迹；其次，使用多层神经网络拟合制导策略；最后，利用控制器监督策略学习，进而收敛产生可行策略。针对行星表面软着陆的仿真验证结果显示该算法仅通过几次循环，即可以实现初始状态变化的快速软着陆。一方面表明了基于有模型强化学习的数据高效利用率，另一方面也证明了强化学习方法在深空探测领域中具有广阔的应用前景。     

火星探测天线组阵数据接收技术研究和验证实验

为了满足我国首次火星探测任务的需要，确保探测器有效载荷科学数据的顺利下传，将采用天线组阵的方式进行数据接收。天线组阵数据接收技术在航天工程中的应用国内尚属首次，为此开展了信号合成方法和处理流程的研究，提出了利用模型计算和基于科斯塔斯环的搜索估计相结合的初始时延和多普勒频差快速估计方法。利用现有的密云站50 m天线和昆明站40 m天线，以嫦娥3号着陆器数传信号为实验对象，开展了天线组阵与数据接收技术检验实验。研究和实验结果表明，全频谱合成方法优于符号流合成方法，其合成损耗小于等于 0.45 dB ，可用于我国首次火星探测任务天线组阵的信号合成；初始时延和多普勒频差快速估计方法可提高广域组阵信号互相关的搜索效率；所确定的信号合成技术流程和数据处理方法可用于后续信号合成软硬件设备的研制和开发。     

旋翼式火星无人机技术发展综述

火星表面稀薄的大气环境为旋翼式无人机在火星低空飞行提供了必要的条件。概述了火星无人机的研究背景、飞行环境与研制难点；整理了世界范围内各研究机构研制的旋翼式火星无人机的技术特点；梳理旋翼式火星无人机研究在气动特性理论、低气压飞行控制、系统集成等方面的关键技术；总结旋翼式火星无人机的仿真研究与实验研究成果；对火星无人机未来的发展趋势进行展望。     

小型核反应堆自主控制及其深空探测应用设想

针对空间小型模块化核反应堆的自主控制问题，提出自主控制体系结构，降低反应堆控制对人的依赖程度，满足了深空探测任务对空间堆自主控制的需求。首先介绍了核反应堆自主控制技术和空间探测自主技术的发展现状，分析了空间小型堆的自主控制需求，然后阐释了自主控制及核反应堆近自主控制的内涵。最后基于空间堆的运行特点，给出小型堆近自主控制分层体系结构的组成元素，并进一步建立了融合决策层和功能层的小型堆多智能体自主控制体系结构。     

Mapping hydrothermal alteration zones and lineaments associated with orogenic gold mineralization using ASTER data: A case study from the Sanandaj-Sirjan Zone,Iran

The Sanandaj-Sirjan Zone (SSZ) is considered as an important region for gold exploration in the western sector of Iran. Its mountainous topography and unpaved routes make its study challenging for researchers and raise the costs for mining companies strating new exploration plans. Gold mineralization mainly occurs as irregular to lenticular sulfide-bearing quartz veins along shear zones in deformed mafic to intermediate metavolcanic and metasedimentary rocks. In this investigation, ASTER data are used for mapping hydrothermal alteration minerals and to better discriminate geological structural features associated with orogenic gold occurrences in the area. Image transformation techniques such as specialized band ratioing and Principal Component Analysis are used to delineate lithological units and alteration minerals. Supervised classification techniques, namely Spectral Angle Mapper (SAM) and Spectral Information Divergence (SID) are applied to detect subtle differences between indicator alteration minerals associated with ground-truth gold locations in the area. The directional filtering technique is applied to help in tracing along the strike the different linear structures. Results demonstrate that the integration of image transformation techniques and supervised classification of ASTER data with fieldwork and geochemical exploration studies has a great efficiency in targeting new prospects of gold mineralization in the SSZ. The approach used in this research provides a fast, cost-efficient means to start a comprehensive geological and geochemical exploration programs in the study area and elsewhere in similar regions.     

Depth dependency of neutron density produced by cosmic rays in the lunar subsurface

Depth dependency of neutrons produced by cosmic rays (CRs) in the lunar subsurface was estimated using the three-dimensional Monte Carlo particle and heavy ion transport simulation code, PHITS, incorporating the latest high energy nuclear data, JENDL/HE-2007. The PHITS simulations of equilibrium neutron density profiles in the lunar subsurface were compared with the measurement by Apollo 17 Lunar Neutron Probe Experiment (LNPE). Our calculations reproduced the LNPE data except for the 350–400 mg/cm² region under the improved condition using the CR spectra model based on the latest observations, well-tested nuclear interaction models with systematic cross section data, and JENDL/HE-2007.     

考虑火箭约束的深空探测弹轨道拼接模型

针对深空探测任务轨迹规划中对于运载火箭弹道约束考虑不足、弹轨道拼接设计效率低的现状,建立了考虑运载火箭射向和末级滑行时间约束的弹轨道拼接计算模型,在无引力摄动假设下得到了任意深空出发速度条件下的运载火箭射向和末级滑行时间计算公式。利用该模型分析了弹轨道可成功拼接的集合范围随深空出发速度、发射场地理位置、火箭射向和滑行时间约束范围的变化规律。提出深空出发"赤纬-发射能量"(δ-C3)图方法,可在图上表示指定型号运载火箭深空发射能力可行域,结合深空轨道转移Pork-Chop图方法,可以快速判断该型运载火箭是否适用于特定深空发射任务。依据这一方法,提出了对我国未来深空探测运载火箭射向和末级滑行时间的能力需求。