近地小天體防御與利用

目錄
第1章　近地小天體防御與利用的基本概念　1
1.1　銀河系-太陽系-行星際空間　1
1.1.1　廣袤的銀河系　1
1.1.2　孕育生命的太陽系　2
1.1.3　行星際空間　5
1.2　天體運(yùn)動的理論基礎(chǔ)　7
1.2.1　萬有引力定律與N體問題　7
1.2.2　二體問題　11
1.2.3　限制性三體問題　13
1.3　太陽系小天體　20
1.4　近地小天體　24
1.4.1　近地小天體的大小和質(zhì)量　24
1.4.2　近地小天體軌道類別　25
1.4.3　近地小天體的命名　27
1.4.4　潛在威脅小天體　28
1.4.5　資源小天體　35
1.5　潛在威脅小天體防御　38
1.5.1　尋找潛在威脅小天體　38
1.5.2　跟蹤潛在威脅小天體　39
1.5.3　表征潛在威脅小天體　40
1.5.4　偏轉(zhuǎn)潛在威脅小天體　41
1.6　資源小天體利用　42
1.6.1　資源小天體利用的意義　42
1.6.2　資源小天體利用的步驟　46
1.7　小天體防御與利用的相關(guān)技術(shù)　47
1.7.1　共性技術(shù)　47
1.7.2　核心技術(shù)　50
1.8　相關(guān)國際組織及主要研究活動簡介　51
1.8.1　聯(lián)合國和平利用外層空間委員會近地天體行動小組　51
1.8.2　太空探索者協(xié)會小行星威脅減緩小組　52
1.8.3　小行星中心　52
1.8.4　太空防衛(wèi)基金會　52
1.8.5　B612　基金會　53
1.8.6　主要探測任務(wù)　53
1.8.7　國際協(xié)調(diào)和公眾普及教育　54
1.9　本章小結(jié)　54
參考文獻(xiàn)　56
第2章　近地小天體觀測系統(tǒng)與探測方法　60
2.1　引言　60
2.2　現(xiàn)有觀測系統(tǒng)　61
2.2.1　地基觀測系統(tǒng)　61
2.2.2　天基觀測系統(tǒng)　64
2.2.3　抵近觀測系統(tǒng)　78
2.3　廣域探測方法　79
2.3.1　林肯近地小行星探測項(xiàng)目　80
2.3.2　Pan-STARRS光學(xué)觀測系統(tǒng)　81
2.3.3　NEOWISE近地紅外觀測系統(tǒng)　83
2.3.4　近地小行星跟蹤系統(tǒng)　83
2.3.5　斯隆數(shù)字巡天計劃　84
2.3.6　卡特琳娜太空搜索項(xiàng)目　84
2.3.7　天基紅外觀測系統(tǒng)　85
2.4　抵近探測方法　86
2.4.1　“維加號”探測器　86
2.4.2　“先驅(qū)號”與“彗星號”探測器　87
2.4.3　“喬托號”探測器　87
2.4.4　“伽利略號”探測器　87
2.4.5　“近地小行星交會”探測器　88
2.4.6　“深空1號”探測器　90
2.4.7　“星塵號”探測器　90
2.4.8　“隼鳥號”探測器　91
2.4.9　“羅塞塔號”探測器　91
2.4.10　“深度撞擊號”探測器　94
2.4.11　“黎明號”探測器　96
2.4.12　“嫦娥二號”　97
2.4.13　“隼鳥2號”探測器　98
2.4.14　OSIRIS-REx　探測器　98
2.4.15　小天體撞擊與偏轉(zhuǎn)評估任務(wù)　99
2.4.16　“赫拉”探測器　100
2.5　近地小天體物理特性感知技術(shù)　100
2.5.1　近地小天體軌道確定　100
2.5.2　近地小天體尺寸預(yù)估　101
2.5.3　近地小天體反射率預(yù)估　101
2.5.4　近地小天體密度預(yù)估　102
2.5.5　近地小天體質(zhì)量計算　102
2.5.6　近地小天體引力場探測　103
2.6　近地小天體觀測新路徑　104
2.6.1　基于小衛(wèi)星集群的近地小天體協(xié)同觀測系統(tǒng)構(gòu)想　104
2.6.2　抵近探測目標(biāo)篩選　105
2.6.3　多目標(biāo)抵近探測任務(wù)流程設(shè)計　107
2.6.4　分布式智能協(xié)同探測與識別　109
2.7　本章小結(jié)　112
參考文獻(xiàn)　113
第3章　小天體軌道干預(yù)技術(shù)　118
3.1　引言　118
3.2　相關(guān)任務(wù)情況　119
3.2.1　深度撞擊任務(wù)　119
3.2.2　小行星重定向任務(wù)　121
3.2.3　雙小行星重定向測試　121
3.3　接觸式軌道干預(yù)方法　133
3.3.1　動能撞擊　133
3.3.2　表面物質(zhì)投射法　136
3.3.3　航天器助推法　136
3.4　非接觸式軌道干預(yù)方法　137
3.4.1　核爆打擊法　138
3.4.2　引力牽引法　138
3.4.3　離子束偏移法　139
3.4.4　表面燒蝕法　140
3.4.5　反射物質(zhì)噴涂法　141
3.5　其他可能的方法與建議　143
3.5.1　共振軌道序列方法　143
3.5.2　待捕獲小行星的篩選方法　143
3.5.3　多個連續(xù)小推力推進(jìn)器軌道優(yōu)化方案　144
3.6　本章小結(jié)　144
參考文獻(xiàn)　146
第4章　近地小天體附著探測技術(shù)　148
4.1　引言　148
4.2　相關(guān)任務(wù)情況　149
4.2.1　日本“隼鳥號”　150
4.2.2　“隼鳥　2　號”　153
4.2.3　美國“歐西里斯號”　155
4.2.4　歐洲航天局“羅塞塔號”任務(wù)　158
4.2.5　“星塵號”　160
4.3　小天體精確抵近技術(shù)　160
4.3.1　小天體動力學(xué)建模與運(yùn)動特性分析　161
4.3.2　不規(guī)則暗弱目標(biāo)自主抵近的導(dǎo)航與控制技術(shù)　162
4.3.3　弱引力環(huán)境下精確附著的導(dǎo)航與控制技術(shù)　164
4.4　小天體自主作業(yè)技術(shù)　168
4.4.1　弱引力附著采樣技術(shù)　168
4.4.2　自主作業(yè)機(jī)器人　172
4.4.3　自主導(dǎo)航與移動規(guī)劃技術(shù)　180
4.4.4　多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)技術(shù)　183
4.5　采樣機(jī)器人設(shè)計與仿真試驗(yàn)　185
4.5.1　采樣機(jī)器人設(shè)計　186
4.5.2　采樣機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)　189
4.6　本章小結(jié)　193
參考文獻(xiàn)　194
第5章　近地小天體資源利用技術(shù)　198
5.1　引言198
5.2　原位資源利用的構(gòu)想與關(guān)鍵技術(shù)　200
5.3　基于小行星重定向概念的資源利用技術(shù)　204
5.3.1　小行星重定向概念　204
5.3.2　主要關(guān)鍵技術(shù)　205
5.4　基于生物學(xué)的資源利用技術(shù)　207
5.5　本章小結(jié)　211
參考文獻(xiàn)　212
第6章　星際轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計技術(shù)　214
6.1　引言　214
6.2　連續(xù)小推力軌道優(yōu)化設(shè)計　215
6.2.1　連續(xù)小推力軌道優(yōu)化求解方法　215
6.2.2　同倫方法　215
6.3　低能量轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計　216
6.4　行星引力輔助軌道設(shè)計　219
6.5　時間最優(yōu)-燃料最優(yōu)同倫的小推力轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化方法　221
6.6　功率受限小推力轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化　225
6.7　星際轉(zhuǎn)移軌道優(yōu)化設(shè)計發(fā)展建議　229
參考文獻(xiàn)　230
第7章　深空探測電推進(jìn)技術(shù)　232
7.1　引言　232
7.2　深空探測電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展情況　233
7.3　霍爾電推進(jìn)技術(shù)　233
7.3.1　國外研究現(xiàn)狀　234
7.3.2　國內(nèi)研究現(xiàn)狀　240
7.4　脈沖感應(yīng)電推進(jìn)技術(shù)　242
7.4.1　PIT電推進(jìn)技術(shù)概述　242
7.4.2　PIT推力器機(jī)電模型　244
7.4.3　PIT推力器磁流體動力學(xué)模型　246
7.4.4　PIT中的等離子體結(jié)構(gòu)演化及其對推進(jìn)性能的影響　247
7.4.5　推力器結(jié)構(gòu)對推進(jìn)性能的影響　249
7.4.6　國內(nèi)相關(guān)研究進(jìn)展　252
7.5　小功率長壽命霍爾推力器　253
7.5.1　磁屏蔽霍爾推力器設(shè)計原則　253
7.5.2　磁屏蔽霍爾推力器性能驗(yàn)證　256
7.5.3　推力器遠(yuǎn)場羽流特征　259
7.5.4　加速通道壁面濺射腐蝕特性　261
7.6　大功率脈沖感應(yīng)推力器　264
7.6.1　推力器工作過程數(shù)值仿真研究　264
7.6.2　推力器關(guān)鍵組部件研發(fā)與系統(tǒng)集成　269
7.6.3　脈沖感應(yīng)推力器性能測量技術(shù)　282
7.7　本章小結(jié)　284
參考文獻(xiàn)　284
第8章　行星際飛行自主導(dǎo)航技術(shù)　287
8.1　引言　287
8.2　不同飛行階段自主導(dǎo)航任務(wù)　287
8.3　導(dǎo)航傳感器技術(shù)　290
8.3.1　國內(nèi)外小天體深空探測任務(wù)傳感器配置　290
8.3.2　典型光學(xué)導(dǎo)航傳感器系統(tǒng)　296
8.3.3　自主導(dǎo)航技術(shù)國內(nèi)外進(jìn)展簡介　298
8.4　導(dǎo)航信息獲取與處理技術(shù)　300
8.4.1　導(dǎo)航信息　300
8.4.2　導(dǎo)航天體篩選　302
8.4.3　導(dǎo)航天體成像　308
8.4.4　導(dǎo)航圖像的目標(biāo)檢測方法310
8.4.5　導(dǎo)航觀測數(shù)據(jù)提取技術(shù)311
8.5　先進(jìn)導(dǎo)航濾波技術(shù)　313
8.5.1　傳統(tǒng)的卡爾曼濾波算法314
8.5.2　無跡卡爾曼濾波　315
8.5.3　無跡粒子濾波　317
8.6　姿態(tài)確定方法　317
8.7　軌道確定方法　320
8.7.1　天文測角導(dǎo)航　320
8.7.2　脈沖星測距導(dǎo)航　327
8.7.3　多普勒測速導(dǎo)航　328
8.8　近地小天體撞擊任務(wù)自主導(dǎo)航方案構(gòu)想　329
8.8.1　近地小天體撞擊系統(tǒng)組成　329
8.8.2　各任務(wù)飛行階段簡介　330
8.8.3　自主導(dǎo)航關(guān)鍵任務(wù)　333
8.9　本章小結(jié)與發(fā)展建議　338
參考文獻(xiàn)　339
第9章　行星際測控通信技術(shù)　346
9.1　引言　346
9.2　國內(nèi)外深空網(wǎng)建設(shè)基本情況　347
9.2.1　美國深空網(wǎng)　347
9.2.2　歐洲航天局深空網(wǎng)　348
9.2.3　俄羅斯深空網(wǎng)　349
9.2.4　日本、印度深空測控通信設(shè)施　349
9.2.5　印度深空網(wǎng)　350
9.2.6　中國深空網(wǎng)　350
9.3　深空通信中的接收與發(fā)射技術(shù)　351
9.3.1　深空通信頻段選擇條件　351
9.3.2　航天器的收發(fā)器與天線　351
9.3.3　地基的大功率發(fā)射機(jī)　355
9.4　光通信技術(shù)　355
9.5　天線組陣技術(shù)　356
9.6　深空中繼通信技術(shù)　358
9.6.1　針對特定探測任務(wù)的深空中繼通信　358
9.6.2　支持太陽系探索的深空中繼通信　360
9.7　深空中繼通信星座設(shè)計　362
9.8　本章小結(jié)　364
參考文獻(xiàn)　366
第10章　多功能薄膜航天器結(jié)構(gòu)技術(shù)　369
10.1　引言　369
10.2　國內(nèi)外太陽帆航天器發(fā)展情況　369
10.2.1　IKAROS太陽帆航天器　369
10.2.2　Nanosail-D太陽帆航天器　370
10.2.3　LightSail 2太陽帆航天器　371
10.2.4　“天帆一號”太陽帆航天器　372
10.2.5　太陽帆航天器結(jié)構(gòu)技術(shù)的難點(diǎn)　372
10.3　太陽帆結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀　373
10.3.1　總體構(gòu)型設(shè)計　373
10.3.2　薄膜帆面設(shè)計　373
10.3.3　太陽帆支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計375
10.3.4　結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)　375
10.4　太陽帆展開技術(shù)　376
10.4.1　太陽帆帆面的展開方式　379
10.4.2　薄膜的折疊與收攏方法　384
10.5　多功能薄膜結(jié)構(gòu)技術(shù)　385
10.5.1　多功能薄膜航天器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計　385
10.5.2　薄膜結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模與分析　389
10.5.3　支撐結(jié)構(gòu)動力學(xué)建模與分析　401
10.6　本章小結(jié)　413
參考文獻(xiàn)　414
第11章　用于近地小天體防御的小衛(wèi)星集群技術(shù)　416
11.1　引言　416
11.2　弱引力場下的小衛(wèi)星集群伴飛技術(shù)　416
11.3　小衛(wèi)星集群多點(diǎn)附著方案　424
11.4　本章小結(jié)　429
參考文獻(xiàn)　429
第12章　展望未來　430
12.1　未來可能的各種任務(wù)　430
12.2　新型航天器發(fā)展設(shè)想與展望　431
12.2.1　太陽帆航天器面臨的主要難題　431
12.2.2　其他新型航天器發(fā)展建議及主要關(guān)鍵技術(shù)　434
12.3　近地空間協(xié)同觀測體系構(gòu)想　436
12.4　深空任務(wù)中的人工智能技術(shù)　437
12.5　我們的未來　439
12.5.1　宇宙中的我們　439
12.5.2　科學(xué)裝置在宇宙學(xué)發(fā)展中的重要作用　441
12.5.3　未來的故事　443
參考文獻(xiàn)　446