空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA \"Juno号\"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将\"Juno号\"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

有大气行星悬飞探测初步设想与可行性探讨

提出了一种有大气地外行星悬飞探测方式,该探测方式是利用被探测天体存在大气的环境特点,实现探测器在被测天体的\"飞行\"机动,克服目前已有的环绕探测、着陆探测、巡视探测和采样返回探测四类无人深空探测方式受地形、地貌约束无法实现大范围机动就位探测的不足。提出了悬飞探测器的典型任务工作模式设想,建立了悬飞探测器的六自由度动力学模型,并针对太阳系内典型的有大气行星环境(火星和土卫六)特点,给出了悬飞探测器的动力学特性并开展了仿真分析。在此基础上,首次提出了悬飞探测器的可行性约束系数,为悬飞探测器在深空探测的可行性研究提供了理论依据。     

火星探测高分辨率可见光相机光学系统设计

详细规划了首次火星探测有效载荷高分辨率可见光相机光学系统设计方案。阐述了火星探测高分相机的科学意义以及国外火星高分相机的发展趋势。据此对光学系统的选型进行了分析,从应用优势角度选择了COOK式离轴三反系统完成光学系统设计,光学系统焦距为4 600 mm,相机对孔径1:12,实现分辨率优于0.6 m@300 km,视场角优于2°的光学系统。从工程可实现性角度,完成了相机离轴非球面反射镜检测补偿器的设计。该光学系统可保证火星高分相机指标居国际领先水平。     

磁通门磁强计在深空探测中的应用

磁场测量是深空探测的重要任务之一,通过磁场可以遥感行星内部、研究行星演化历史、认知太阳系天体空间环境。基于法拉第电磁感应原理的磁通门磁强计,因空间适应性强、技术成熟度高、可靠性高等特点,是深空磁场测量最为常用的载荷。简要描述了磁通门磁强计的基本测量原理,探讨了地面和在轨标定的原理和实施方法,并介绍了磁强计在空间任务中的应用方式。目前,我国已经具备了星载高精度磁通门磁强计的研制能力。在不久的将来,磁通门磁强计有望在深空探测任务中发挥重要作用。     

中国首次火星探测工程有效载荷总体设计

简要介绍了中国首次火星探测工程的科学目标与有效载荷的配置,有效载荷分系统的总体技术方案,包括有效载荷供配电、遥测遥控、科学数据处理、在轨自主运控,以及有效载荷分系统在轨基本工作流程安排。针对火星环绕器有效载荷功能复杂、安装位置分散等特点,配置了独立的载荷控制器设备,通过总线网络将有效载荷分系统组成有机整体,实现与环绕器平台的统一电接口。针对火星车有效载荷在重量、体积、能源等方面的严格限制,通过最大限度地将各有效载荷主控电子学控制单元集成于一台载荷控制器设备中,实现了对有效载荷的集中控制和管理。     

深空探测器同位素热源环境试验技术

为保证应用于深空探测器的同位素热源的安全性和可靠性,开展了深空探测器同位素热源环境试验技术研究。通过对同位素热源全寿命周期内各任务剖面的系统分析,总结得出了同位素热源环境试验项目,并对这些项目进行了研究及模拟实验,具体包括:高温–离心、高温–冲击、高温–振动等热–力复合环境试验技术,空气动力学加热、热冲击试验、发射场火灾事故地面模拟实验等异常环境安全性试验技术。通过以上研究建立了同位素热源鉴定级环境可靠性试验及异常环境安全性试验能力,为深空探测器同位素热源研制任务提供了技术支撑。     

冷原子干涉重力仪在深空环境下的微重力探测

主要介绍了冷原子干涉的基本概念和原子干涉重力仪的发展;介绍了原子干涉的基本原理和在微重力环境下原子干涉重力仪的优势;阐述了国际上微重力环境下原子干涉重力仪的研究现状及其可能的应用。相对其他重力仪而言,原子干涉重力仪成为深空重力场测量的上佳选择,并且深空微重力环境可以有效延长原子干涉仪的干涉时间,提高仪器灵敏度。     

地月L2点周期轨道的月球背面覆盖分析

地月L2点附近轨道具备独特的动力学和运动学特性,是月球背面探测任务的中继卫星首选布设位置。面向未来月球背面探测任务的中继通信需求,分析并研究了地月L2点周期轨道(halo轨道)对月球背面的覆盖。在圆型限制性三体问题模型下,研究并给出了halo轨道族延拓计算方法,基于延拓法设计了地月系大范围南北halo轨道族;给出了中继卫星的月球背面覆盖计算模型,定义了相应的时间覆盖因子;数值仿真了地月系南北halo轨道族的月球背面覆盖情况。研究结果表明:地月L2点周期轨道幅值和类型决定其对月面的覆盖性,幅值较小的轨道的月面整体覆盖性较好,幅值较大的轨道对月球南北极覆盖较好,南北族轨道分别有利于月球南北半球的覆盖。文章研究可为我国\"嫦娥4号\"月球背面探测任务的中继星轨道设计提供有益参考和借鉴。     

模糊灰色聚类评估方法在导航滤波中的应用

目前针对深空探测导航中滤波算法的综合评估的方法种类繁多,但是仍然有较多评估方法由于其单一性,存在或多或少的问题。提出了一套反映滤波算法优劣程度的评估指标体系,并为其建立相应的数学模型。深空探测器采样点数据通过该数学模型计算后,由模糊灰色聚类方法进行综合评估。该方法是以灰色系统理论为基础,结合模糊综合评估方法所建立的评估模型。该模型可以摒弃二者单一使用时的缺点,提升评估结果的准确性。评估结果表明,此评估模型能够对滤波算法进行比较准确、合理、全面的评估。     

NASA历表在深空导航中的发展和比较

利用不同版本的数值历表,对我国正在进行的探月工程以及后续的金星、火星和木星等深空探测中的导航问题进行分析和讨论。对DE405、DE421和DE430的动力学模型及其使用的观测数据进行了分析比较,考察了历表的精度和稳定性。并根据DE430历表简单讨论了木星在我国深空探测站的可视问题,为以后深空导航提供参考。简单讨论了中科院国家天文台行星无线电研究团组基于月球无线电测距(LRR)发展我国自己的历表以及开展基于月球深空导航计划的可行性。