中国宇航学会深空探测技术专业委员会会刊

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2020年  第7卷  第6期

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2020年第7卷第6期目录
专题 : 太阳系边际探测 (主持人:吴伟仁 中国工程院院士 研究员,探月与航天工程中心,王  赤 中国科学院院士 研究员,中国科学院国家空间中心,宗秋刚 教授,北京大学)
太阳系边际探测项目的科学问题
王赤, 李晖, 郭孝城, 徐欣峰
2020, 7(6): 517-524. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200058
摘要:
太阳系边际是保护人类家园的太阳系最外层的篱笆。尽管在1977已发射的“旅行者1号”(Voyager 1)和“旅行者2号”(Voyager 2)近年来已陆续抵达太阳系边际,但由于所携带载荷性能的限制,仍然留下一些悬而未决的重大科学问题。因此,太阳系边际乃至更远的星际空间还有待更有效的就位探测,一个专门的太阳系边际探测计划蕴含着巨大的科学价值。介绍了太阳系边际的定义和主要探测要素,总结了国内外太阳系边际探测的现状,包括已实施和正在论证的太阳系边际探测任务的科学目标、科学载荷配置,梳理了未来太阳系边际探测过程中关于日球物理、星际空间物理和太阳系演化方面的一些重大科学问题,并对我国未来太阳系边际自主探测任务科学目标的制定进行了展望。
同位素温差电池用高效热电转换材料与器件研究进展
柏胜强, 廖锦城, 夏绪贵, 陈立东
2020, 7(6): 525-535. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200062
摘要:
同位素温差电池(Radioisotope Thermoelectric Generator,RTG)自20世纪60年代以来在深空探测领域获得长期应用。综述了同位素温差电池的主要特点和关键技术,介绍了高效热电转换材料与器件最新研究进展,结合未来深空探测需求,提出同位素温差电池用热电转换材料与器件技术的发展思路。
面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择方法
曹知远, 李翔宇, 乔栋
2020, 7(6): 536-544. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200068
摘要(120) HTML (15) PDF 1069KB(30)
摘要:
太阳系边际探测将增进人类对太阳系形成与演化的认知,是未来深空探测的重要方向。由于太阳系边际距离地球遥远,探测所需轨道能量大,利用多天体借力飞行是实现太阳系边际探测的必然选择。研究了面向太阳系边际探测的多天体借力目标选择问题。给出了两种多天体借力动力学模型,并评估了两种模型各自的优势。基于太阳系边际探测的约束与目标处理方法,提出了一种结合两种多天体借力模型的逐步多层嵌套优化方法,并给出设计步骤,实现不同任务约束下太阳系边际探测多天体借力转移轨道优化设计。以2030—2040年针对太阳系鼻尖与尾部探测为例,给出了最优多天体轨道飞行序列排序,验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,针对太阳系鼻尖的最优多天体借力序列为地球–金星–地球–地球–木星–土星–太阳系边际鼻尖,而针对太阳系尾部的最优序列为地球–金星–地球–地球–木星–海王星–太阳系边际尾部,研究可以为我国未来太阳系边际探测目标选择与任务规划提供参考。
太阳系边际探测任务的科学载荷配置研究
张爱兵, 李晖, 孔令高, 张珅毅, 付利平, 薛洪波, 杨建峰, 何志平, 王玲华, 李延伟
2020, 7(6): 545-553. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200060
摘要(140) HTML (23) PDF 982KB(32)
摘要:
针对我国目前正在论证的太阳系边际探测任务的科学目标,提出了科学载荷配置建议,包括场、粒子和光学3大类共10台载荷,给出了载荷的性能指标需求及重量和功耗等工程需求。各载荷的方案兼顾指标先进性和研制周期紧迫性,集中了国内多个单位的技术优势,具有较好的技术基础和继承性。针对该超远距离探测任务,提出了载荷小型化和低功耗、高可靠和长寿命、科学数据处理和压缩等共性关键技术及初步解决方案。载荷配置主要立足国内,同时结合已有的国际合作基础,国际合作将会发挥更大作用。
从地球磁层到外日球层及以远区域探测
宗秋刚, 任杰, 何建森, 王玲华
2020, 7(6): 554-559. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200063
摘要(101) HTML (28) PDF 767KB(15)
摘要:
在太阳系中,地球、水星、木星、土星、天王星和海王星以及多颗行星的卫星,拥有由太阳风与这些天体的内在磁场相互作用形成的磁层结构。主要根据现有的探测器得到的数据,介绍了太阳风与星际介质的相互作用、能量中性原子分布和拾起粒子相对空间密度变情况、异常宇宙线的形成机制、日球层可能的形状变化。给出了中国太阳系边际探测计划,设计两个相反方向的探测器,一个向日球层鼻尖方向飞行,对太阳系边际及其邻近空间开展全面的探测;另一个探测器向相反方向飞行,填补日球层尾部边界探测的空白。对日球层的空间环境的认识可为探测器的设计提供参考。
外日球层激波事件的一维磁流体力学数值模拟
郭孝城, 周昱成, 王赤, 李晖
2020, 7(6): 560-566. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200059
摘要:
“旅行者1号”在2012年8月穿越日球层顶后连续探测到了星际磁场的局地突然变化,通常被认为对应于激波事件,且为太阳风事件向外传播后形成的大尺度结构与日球层顶相互作用的产物。但由于观测的限制,日球层内的太阳风大尺度结构与星际空间的激波事件的对应关系尚未明确。通过一个包含太阳风等离子体和星际中性原子的双流体磁流体力学数值模型检验了这种对应关系。在距日1 AU的内边界输入2010—2017年分别位于不同经度上的OMNI,STEREO A和STEREO B的太阳风观测数据,研究了这期间太阳风与星际中性原子电荷交换后在外日球层区的传播和演化,并与“旅行者1号”和“旅行者2号”的观测数据做对比。结果表明,“旅行者1号”探测的星际空间激波事件与“旅行者2号”探测到的日球层鞘区内的压力脉冲事件具有明显的关联。
太阳系边际的能量粒子探测
王玲华, 宗秋刚, 任杰
2020, 7(6): 567-573. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200061
摘要(37) HTML (10) PDF 744KB(10)
摘要:
太阳系能量粒子的起源、加速及传播一直是物理学和空间物理学的重要前沿课题。太阳系边际探测将为研究这一前沿课题提供至关重要的信息。在太阳系边际区域,源自太阳系的能量粒子主要分为两类:太阳风超热粒子和能量中性原子(Energetic Neutral Atoms,ENA)。这些能量粒子对太阳系边际的形态和动力学过程会有很强的调制作用。但是,现在仍然缺乏对太阳风超热粒子的高精度就位探测和对太阳系边际的高精度ENA成像这些关键观测手段。基于STEREO卫星上的STE仪器对太阳风超热粒子的高精度探测和对地球磁层的高精度ENA探测,建议采用低能量阈值的新一代半导体探测器,结合已成熟的调制狭缝成像系统,以实现对太阳系边际(和顺访行星的磁层)的高精度ENA成像和对太阳风超热粒子的高精度就位探测。这些高精度观测将会为认识太阳系与星际介质之间相互作用的动力学演化和太阳系能量粒子的起源、加速及传播这些前沿课题提供关键信息。
外日球层的宽能段离子及其与湍动的耦合作用
何建森, 林荣, 崔博, 王玲华, 宗秋刚
2020, 7(6): 574-583. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200064
摘要:
围绕“日球层太阳风及其与侵入星际风的作用”这个主题,从目前认知、前沿问题、探测建议等3方面展开论述。日球层中的离子包括:原初太阳风离子、源于星际风的拾起离子、超热离子。其中拾起离子和超热离子有来自局地星际质侵入流的贡献。深空飞船探测到双模态遍布日球层:日球层内边界、太阳风、行星际湍动、超热离子能谱等都存在双模态特征。前沿问题有3个方面:①从未到达的领域,即黄道面里的日球层尾部以及高纬的外日球层;②曾经到达的领域,但是没有探测的物理量,例如外日球层中的拾起离子;③曾经到达并探测,但是形成机制不明,例如超热离子的幂律谱及其双模态。针对上述前沿问题,本文提出如下的建议:①设计不同的飞行路径,朝向不同的方位进行探测;②携带宽能段的离子谱仪器包涵盖原初太阳风等离子体、拾起离子和超热离子;③搭载高灵敏度磁强计测量外日球层的可压缩磁湍动。
The Exploration of Neptune:A Noble Gas and Volatile Perspective
SMITH Thomas, HE  Huaiyu, LIU Ranran
2020, 7(6): 584-604. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200057
摘要(44) HTML (13) PDF 803KB(10)
摘要:

Most of the probes visiting other bodies in our Solar system only focused, due to technical shortcomings, on the exploration of the closer planets and planetary bodies and/or their natural satellites, i.e. Mercury, Venus, the Moon, Mars, and Jupiter, the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko, or the 25143 Itokawa near-Earth asteroid. At present time, no specific missions to one of the two ice giants of our Solar System, Uranus and Neptune, has been planned. Our knowledge of Uranus and Neptune is, therefore, so far restricted to the data which have been collected during the flyby of the Voyager 2 mission, in January 1986 and August 1989, respectively, and to observations with the Hubble Space Telescope and the Keck Telescope. Ice giants are, in our galaxy, thought to be much more abundant than gas giant planets such as Jupiter or Saturn, therefore a better knowledge of ice giants is essential for our understanding of exoplanet candidates. Among other scientific goals, the atmospheric composition of ice giants, with a particular emphasis on their noble gas and volatile distribution, is of great significance, and can constrain models about their formation and evolution. In this review, we report, in a first part, the volatile inventories and the measurements in the planetary bodies of our Solar System; in a second part, we will discuss the scientific background about the concentration, distribution, and evolution of noble gases and volatiles in Uranus and Neptune, and finally describe a possible scenario of a future interstellar probe visiting one of the two ice giants as well as the feasibility of such a space mission, in term of payloads selection and mission profile. We will as well briefly evoke the possibility of using an ion trap mass spectrometer, a potential payload for the ice giant atmospheric exploration, onboard a Chinese interstellar mission to the outer Solar system.

论文
基于VLBI的高精度定位
郭丽, 张宇, 李金岭, 王广利, 郑为民
2020, 7(6): 605-611. doi: 10.15982/j.issn.2096-9287.2020.20200021
摘要:
基于甚长基线干涉测量技术(Very Long Base Interferometer,VLBI)的时延、时延率以及USB(United S-band)/UXB(United X-band)的测距特点,采用联合统计定位及月面高程约束策略,实现了高精度的探测器的实时单点定位和准实时联合统计定位,且实时单点定位不受力学约束能够快速准确地给出三维位置信息,最终实现在轨控弧段和探测器被月球捕获阶段的轨道根数的实时监测。在“嫦娥3号”月面着陆器定位中,获得月面位置好于100 m的外符合精度。在特殊的轨道阶段,采用△DOR差分技术,VLBI探测器近月捕获制动及“嫦娥4号”中继星变轨进入地月L2平动点的Halo轨道等特殊阶段,实时快速地给出6个瞬时轨道根数,为工程提供重要参考。