首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
天文学论文 >
太阳系论文 >
探索载人小行星最优飞行模式
摘要：小行星的探测和利用价值比比皆是，作为载人深空探测具有重要意义的目的地，受到全世界的密切关注。本文从载人小行星探测任务特点入手，对于3种典型的载人小行星探测飞行模式下速度增量､任务时间､飞行器系统规模以及推进剂选择进行了分析。选择适应性的飞行模式对克服探测任务可选目标星多､任务周期长､飞行距离远等困难具有积极作用，是任务顺利实施的基础，通过探讨分析，确定了最优的飞行模式。
加入收藏
小行星是太阳系中具有特殊意义的天体，载人小行星探测有助于人类深入探索宇宙，并开展地球免受小行星撞击威胁的相关研究，还可以为更远的深空探测提供技术验证[1-3]。人类对小行星的探测至今已有约20年的历史，迄今为止发射了多个以小行星为主要探测对象的无人深空探测器:2012年12月13日，中国嫦娥二号卫星完成了对“图塔蒂斯”小行星的飞越探测；2015年3月6日，美国黎明号探测器完成了对“谷神星”小行星的环绕探测，实现了人类对小行星带区域的首次探测[4-5]。在美国政府2010年公布的“太空探索蓝图”中，提出在2025年实现载人小行星探测，2035年将人类送入环火星轨道，最终实现载人登陆火星[6]。相比无人探测，载人小行星探测能够发挥人的主观判断力，具备更好的创造性和灵活性，同时能够为未来更远的载人深空探测做技术储备和验证，因此，载人小行星探测目前已成为目前各国研究的热点，各研究机构和组织纷纷开展了总体方案及关键技术研究。
载人小行星探测任务的核心是飞行模式研究与选择，本文通过对载人小行星探测任务特点分析，提出了3种典型的载人小行星探测飞行模式，并对不同飞行模式下速度增量､任务时间､飞行器系统规模以及推进剂选择进行了分析，并结合任务窗口､交会对接难度､任务支撑能力和安全性等方面给出最优的载人小行星探测飞行模式选择和建议。
1､载人小行星探测任务特点
载人小行星探测可分为访问式探测和捕获式探测两类[4，8]:①访问式探测任务时间及航程相对较长，但可选择目标星范围较广，如初期可选择较大规模小行星，利于发现与观测，获得小行星特性并为后续长周期载人深空探测提供支撑；②捕获式探测任务时间和航程较短，但发现､探测与捕获难度大，可选择捕获小行星范围有限，只能选择较小规模小行星[8-9]，因此相对于访问式探测实现难度更大，本文重点对访问式小行星探测飞行模式开展研究。编号为“2007SQ6”的小行星作为本文载人小行星探测飞行模式分析的假想目标星，任务时间段在2020年~2030年期间。由于载人小行星探测任务距离远､速度增量大､任务周期长，采用单级飞行器很难直接完成探测任务，因此飞行器需要采用多级舱段直接组合发射或空间交会对接的方式实现探测任务[10-11]。与无人探测不同，载人小行星探测为适应长期的宇宙航行任务，需要为航天员提供能够居住､工作和生活空间，即生活舱；为完成载人探测任务，需要利用探索飞行器携带航天员靠近或着陆小行星，对小行星进行实地探测；为完成返回地球任务，需要具备返回再入大气层功能的载人飞船携带航天员和采集样本；同时为了提供有效和足够的逃逸速度增量，需要提供推进飞行器(以下简称推进舱)。因此，考虑载人小行星探测飞行器系统分为4个基本功能模块，即生活舱､探索飞行器､载人飞船和推进舱。由于星际往返航行段和小行星探测段的飞行方案较固定，对系统速度增量变化影响较小[12]，因此本文重点讨论在地球影响球内轨道段的飞行模式，不同的交会对接和逃逸方式将影响飞行模式的选择。目前考虑的飞行模式包括近地组装发射飞行模式､日地L2点停泊飞行模式､地月L1/L2点停泊飞行模式。对于飞行器速度增量的提供方式，采用小推力模式将导致飞行器的飞行任务周期大幅增加，但可以节省推进剂的质量，因此上述3种飞行模式载人飞行过程以化学推进模式为主，无人飞行过程中引入能够提供小推力的电推进模块[13]。
2､载人小行星探测飞行模式研究
2.1 近地组装飞行模式
基于近地组装的载人小行星探测飞行模式是指利用2枚或2枚以上运载火箭将飞行器分开发射进入近地轨道，通过一次或多次对接形成组合体后实现逃逸，完成探测任务。采用该模式，可以将航天员和飞行器所需载荷和燃料分别送入近地轨道，从而降低任务对单枚运载火箭运载能力的过高需求，如可利用一枚运载能力较小的载人运载火箭将载人飞船发射至近地轨道，从而避免使用重型载人运载火箭，大大降低运载火箭的技术风险､研制成本与研制难度。
如图1和表1､表2所示，基于近地组装的载人小行星探测飞行模式具体如下:①推进舱(含第一级､第二级和第三级)､生活舱和探索飞行器组成的无人飞行器组合体由重型货运运载火箭发射进入近地停泊轨道；②载人飞船(含返回舱和推进模块)由一枚载人运载火箭发射进入近地停泊轨道；③载人飞船作为主动飞行器与无人飞行器组合体完成近地轨道交会对接，形成载人飞行器组合体；④到达预定的转移窗口，推进舱第一级､第二级先后点火，载人飞行器组合体进行地球逃逸，达到逃逸速度后，进行推进舱第一级和第二级分离；⑤星际航行阶段利用推进舱第三级进行轨道中途修正；⑥到达小行星附近，利用推进舱第三级进行制动，将载人飞行器组合体送入环小行星轨道后，抛掉推进舱第三级；⑦探索飞行器与飞行器组合体分离，着陆或附着在小行星表面，开展载人小行星探测；⑧探索飞行器与飞行器组合体对接，完成人员与货物转移后，进行探索飞行器分离，利用载人飞船推进模块加速使载人飞行器组合体从小行星附近逃逸，进入地球返回轨道；⑨进行载人飞船分离，载人飞船返回舱再入地球大气层，在着陆场安全着陆。
可以看出，根据任务时间和探测距离的不同，基于多次发射､多次近地轨道交会对接的载人小行星探测飞行模式具备可行性。但随着交会次数的增加，对发射窗口要求增高，以及短期连续发射任务增加了对发射场任务保障能力的要求。
2.2 日地L2点停泊飞行模式
日地L2点是日地系统的5个平衡点之一，具有良好的动力学特性，位于日地L2点的物体保持与地球和太阳的相对位置不变。基于日地L2点停泊的载人小行星探测飞行模式是指将无人飞行器组合体长期停泊于日地L2点，需要执行任务时利用流形返回至地球附近，与从地球发射的载人飞船完成交会对接形成载人飞行器组合体后进行地球逃逸，开展载人小行星探测任务。在组合体返回地球时载人飞船进行分离并再入地球；其余舱段通过少量速度修正借助流形返回L2点停泊轨道，等待下一次探测任务，后续可利用无人补给飞行器对组合体补充燃料和生活物资。
如图2和表3､表4所示，基于日地L2点停泊的载人小行星探测飞行模式具体如下:①推进舱(含化学推进模块和电推进模块)､生活舱和探索飞行器形成无人飞行器组合体长期停泊于日地L2点附近轨道，执行探测任务时接近地球，进入近地轨道；②载人飞船(含返回舱和推进模块)由一枚重型载人运载火箭发射，进入近地轨道；③载人飞船作为主动飞行器，与无人飞行器组合体完成交会对接，形成载人飞行器组合体；④由推进舱对载人飞行器组合体施加逃逸脉冲，实现地球逃逸；⑤星际航行阶段利用载人飞船推进模块进行中途修正；⑥到达小行星附近，利用载人飞船推进模块进行制动，将载人飞行器组合体送入环小行星轨道；⑦探索飞行器与载人飞行器组合体分离，着陆或附着在小行星表面，开展载人小行星探测；⑧探索飞行器与飞行器组合体对接，完成人员与货物转移后，进行探索飞行器分离，利用载人飞船推进模块加速使载人飞行器组合体从小行星附近逃逸，进入地球返回轨道；⑨进行载人飞船分离，载人飞船返回舱再入地球大气层，在着陆场安全着陆；⑩推进舱､生活舱和探索飞行器组成的无人飞行器组合体施加速度修正，返回日地L2点附近，等待下一次任务。
图2基于日地L2点停泊的载人小行星探测飞行模式；表3基于日地L2点停泊的飞行模式各阶段速度增量和任务时间；表4基于日地L2点停泊的飞行模式飞行器系统规模及推进剂比冲选择
基于日地L2点停泊的载人小行星探测飞行模式充分利用了日地L2点的物理特性，可以节省飞行器交会对接后所需的逃逸速度增量，同时仅需重型货运运载火箭对推进舱､生活舱和探索飞行器进行一次发射，即可满足多次的任务需求，实现重复利用.在开展多次探测任务的背景下，节约成本的同时降低了发射场连续发射的压力，但载人飞船与无人飞行器组合体进行交会对接时绝对速度较大，载人飞船在交会前需提前加速､对接准备时间短，给地面测定轨带来较高要求，对接失败后也无法提供更多机会重新进行交会，因此交会对接具有很大的难度和危险性.另一方面，无人飞行器组合体虽然从日地L2点附近周期轨道借助流形可以实现低能量转移，但转移时间较长，初次入轨的能量消耗较大。
2.3 地月L1/L2点停泊飞行模式
地月L1/L2点停泊点飞行模式与日地L2点停泊点飞行模式相似:选择地月L1/L2点作为停泊点，无人飞行器组合体在地月L1或地月L2点附近保持与地球和月球的相对位置不变，需要执行任务时利用流形返回至地球附近，与从地球发射的载人飞船完成交会对接形成载人飞行器组合体后实现地球逃逸，开展载人小行星探测任务。在组合体返回地球时载人飞船进行分离并再入地球；其余舱段通过少量速度修正借助流形返回地月L1/L2点停泊轨道，等待下一次探测任务，后续可利用无人补给飞行器对组合体补充燃料和生活物资。
如图3和表5､表6所示，基于地月L1/L2点停泊的载人小行星探测飞行模式具体如下:①推进舱(含低温推进模块和电推进模块)､生活舱和探索飞行器形成无人飞行器组合体长期停泊于地月L1/L2点附近轨道，执行探测任务时接近地球，进入近地轨道；②载人飞船(含返回舱和推进模块)由一枚重型载人运载火箭发射，进入近地轨道；③载人飞船作为主动飞行器，与无人飞行器组合体完成交会对接，形成载人飞行器组合体；④由推进舱对载人飞行器组合体施加逃逸脉冲，实现地球逃逸；⑤星际航行阶段利用载人飞船推进模块进行中途修正；⑥到达小行星附近，利用载人飞船推进模块进行制动，将载人飞行器组合体送入环小行星轨道；⑦探索飞行器与载人飞行器组合体分离，着陆或附着在小行星表面，开展载人小行星探测；⑧探索飞行器与飞行器组合体对接，完成人员与货物转移后，进行探索飞行器分离，利用载人飞船推进模块加速使载人飞行器组合体从小行星附近逃逸，进入地球返回轨道；⑨进行载人飞船分离，载人飞船返回舱再入地球大气层，在着陆场安全着陆；⑩推进舱､生活舱和探索飞行器组成的无人飞行器组合体施加速度修正，返回地月L1/L2点附近，等待下一次任务。
图3基于地月L1/L2点停泊的载人小行星探测飞行模式；表5基于地月L1/L2点停泊的飞行模式各阶段速度增量和任务时间；表6基于地月L1/L2点停泊的飞行模式飞行器系统规模及推进剂比冲选择
基于地月L1/L2点停泊的载人小行星探测飞行模式的系统组成和功能以及主要阶段与日地L2点停泊的飞行模式相同。相比日地L2点，地月L1/L2点距离地球较近，停泊在地月L1/L2点除可完成小行星探测任务外，对载人月球探测也可提供中转和系统支持。但由于地月L1/L2点相对于地月旋转系静止，而在日地系下运动，因此由推进舱､生活舱和探索飞行器组成的无人飞行器组合体再入地球和返回地月L1/L2点时受星历约束较大，可能无法找到低能量的转移轨道，需要增加中间脉冲才能接近近地轨道，相比日地L2点飞行模式需要增加推进剂的消耗量。
3､飞行模式分析与选择
表7所示，载人小行星探测可分为直接奔向小行星的飞行模式(近地轨道组装)和基于高势能点(日地L2点停泊､地月L1/L2点停泊)的飞行模式，前者在近期可实现程度高，需要突破长期深空居住､低温推进､先进能源､小行星附着与着陆等载人小行星探测通用关键技术之外，没有其它亟需突破的关键技术；而基于高势能点的飞行模式可通过含小推力电推进模块的推进舱将无人飞行器部分送入高势能点，从而大大降低飞行器系统总规模，是未来载人小行星探测的发展方向，但需在突破载人小行星探测通用关键技术的基础上，亟需解决高速交会对接和电推进的难题。
表7不同载人小行星探测飞行模式比较分析
4､结束
语开展载人小行星探测任务的首要技术是飞行模式的选择，合理的飞行模式对载人小行星探测飞行器系统规模和任务复杂性有着至关重要的影响。基于载人小行星探测的任务特点，通过对近地组装､日地L2点停泊､地月L1/L2点停泊的载人小行星探测飞行模式的对比分析可知:(1)基于现有航天技术水平，可采用近地轨道组装的飞行模式作为先导开展载人小行星探测任务；(2)随着载人小行星探测范围不断拓展，逐步以日地L2点作为未来载人小行星探测的中转站，选择日地L2点停泊的飞行模式开展载人小行星探测任务，以及后续更为广泛的载人深空探测任务。
参考文献:
[1]张泽旭,郑博,周浩,等.载人小行星探测任务总体方案研究[J].深空探测学报,2015,2(3):229-235).
[2]靳力,瞭望.欧洲“马可波罗”计划拟登陆小行星取样回地球[J].航天器工程,2008,17(6):148.
[3]徐伟彪,赵海斌.小行星深空探测的科学意义和展望[J].地球科学进展,2005,20(11):1183-1190.
[4]武江凯,白明生,苟仲秋,等.载人小行星着陆探测模式设想[J].航天器工程,2016,25(3):109-114.
[5]朱恩涌,孙国江,果琳丽,等.我国小行星探测发展思路及关键技术探讨[J].航天器工程,2012,21(3):96-100.
[6]王开强,张柏楠,王悦.载人小行星探测的任务特点与实施途径探讨[J].航天器工程,2014,23(3):105-121.
[7]东方星.悄然兴起的小行星探测热潮[J].太空探索,2013(5):28-31.
[8]赵志军,赵京东.小行星探测器锚系统及其实验研究[J].南京航空航天大学学报,2013,45(4):461-466.
李志杰,王平,黄震,张小琳.载人小行星探测飞行模式研究[J].航天器工程,2019,28(5):115-121.
分享：
先进天基太阳天文台(AdvancedSpace-basedSolarObservatory,ASO-S)是中国首颗太阳专用观测卫星[1],硬X射线成像仪(HardX-rayImager,HXI)作为其3台载荷之一主要负责在30–200keV能段对耀斑源区进行成像、能谱和光变观测,以研究耀斑磁重联中的能量释放和高能电子加速等物理过程[2].
2020-08-27
太阳黑子是产生于太阳表面的，容易被观测的太阳活动现象，其所在的太阳区域有强磁场的聚集。对太阳黑子的观测和分析对于人类理解和研究太阳活动具有重大意义，如帮助天文学者研究耀斑的爆发与黑子群的相关性[1]。随着太阳物理学以及观测设备的发展[2,3]，人们对于太阳黑子观测产生的数据量呈爆发式增长趋势。
2020-08-27
莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)[1,2,3]是先进天基太阳天文台(ASO-S)[4,5]卫星的3个有效载荷之一,它由白光太阳望远镜(WST)、全日面成像仪(SDI)、日冕仪(SCI)和导星镜(GT)组成[2,6].SDI和WST的视场为1.2倍太阳半径,SDI的工作波段为莱曼阿尔法波段(121.6±7.5nm),WST的工作波段为紫外窄带连续谱(360±2.0nm)[2,6].
2020-08-27
太阳是太阳系的中心,也是距离我们最近的一颗恒星,它孕育了地球的万物.太阳耀斑和日冕物质抛射(CME)是太阳大气乃至整个行星际空间能量释放最为剧烈的两类爆发现象,蕴含着丰富的物理过程[1,2,3,4].太阳磁场是引起太阳活动的一个根本原因,是太阳上各种活动现象的能量来源.对于它们的研究,既能加深人们对太阳的认识和理解,又能帮助人们理解宇宙中其他恒星上发生的类似现象[5,6].
2020-08-27
19世纪50年代,Bobcock父子利用机械扫描的方法,将狭缝光谱仪测量的线源(一维)目标的磁场通过机械扫描获得日面二维磁图,该磁图具备多波长、非实时的特点(光谱型磁像仪).到了70年代发明了视频磁像仪,从而能够获得某一波长的实时二维磁图(滤光器型磁像仪)[1].我国太阳磁场的观测研究始于上世纪80年代,中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地研制的35cm太阳磁场望远镜[2]、60cm多通道望远镜[3]以及全日面太阳望远镜[4]均进行太阳磁场的观测,都属于滤光器型磁像仪.
2020-08-27
公元 4943 年，X 国科学家预测一颗来自太阳系外的未标明巨行星将在 20 年后撞击地球。这个消息一经传出，马上就如洪水猛兽般触动着每一个人的神经，如滚雪球般在极短的时间内席卷了整个地球。各个国家暂时抛弃了私怨，组成联合政府，商讨如何解决这个关系人类未来的重大问题。
2020-07-14
太阳系是我们的家园，也是我们探索宇宙的第一站。在认识宇宙的漫长历程中，从史前人类到 2000 多年前的古希腊先哲，再到 17 世纪的开普勒、牛顿等科学巨匠，我们对宇宙的几乎所有探索都集中在太阳系的日月行星等天体上。直到 18 世纪早期，人们才真正开始关注太阳系以外的诸如恒星等天体。
2020-07-14
美国一直在默默搞自己的核火箭计划。美国宇航局很早就认识到，如果要把探索目标定在更深远的太阳系，核推进可能是唯一可行的技术选择。即使探测范围仅仅超越火星轨道，太阳能电池板所能提供的电力就已经不够了，而采用化学推进将需要大量的推进剂或超长的行程时间，新视野号冥王星探测器就是个明显的例子。
2020-07-14
太阳轨道器运行的位置，是整个太阳系里环境最恶劣的地方之一。虽然最后确定的轨道比最初设计要离太阳远一点，但在最近的地方，太阳轨道器距离太阳也只有 4200 万公里。这个数字看上去挺大的，但只有地球到太阳距离的 1/4。想想夏日正午的阳光是什么样的？而且地球外面还有厚厚的大气层。实际上，这个距离比金星到太阳还近。
2020-07-14
地球所处的太阳系并不平静。小行星带、柯伊伯带和奥尔特云中存在大量不稳定的碎片，它们是太阳系制造行星时留下的碎屑。据推测，最终成为车里雅宾斯克陨石的流星可能形成于约3万年前小行星带中的一次强烈碰撞。柯伊伯带位于海王星轨道之外。奥尔特云是包围太阳系的一圈云状陨石圈，也是艾桑彗星的故乡。
2020-07-14我要评论
期刊名称：航天器工程
期刊人气：812
主管单位：中国航天科技集团公司
主办单位：中国空间技术研究院总体部
出版地方：北京
专业分类：航空
国际刊号：1673-8748
国内刊号：11-5574/V
邮发代号：80-613
创刊时间：1992年
发行周期：双月刊
期刊开本：16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：0.645
影响因子：1.494
影响因子：1.025
影响因子：0.000
影响因子：0.000
学术期刊咨询、科普杂志阅读、专利申请方案、课题研究设计、专著挂名咨询、论文下载、文献查询、原创文章检测、SCI实验设计方案等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-03-23
220
上传者：管理员
