2017年 第4卷 第6期
有效载荷是实现科学目标最直接的工具，其技术手段和水平影响科学目标的可实现程度。简要回顾了中国月球与深空探测的科学目标与有效载荷配置。介绍了“嫦娥1号”和“嫦娥2号”月球环绕探测器中采用的CCD立体相机、干涉式成像光谱仪、激光高度计、微波探测仪、伽马射线谱仪、X射线谱仪、太阳风粒子探测仪、高能粒子探测仪等遥感探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。同时，也介绍了“嫦娥3号”月球着陆器和巡视器中采用的地形地貌相机、月基光学望远镜、极紫外相机、红外成像光谱仪、粒子激发X射线谱仪、测月雷达等就位和巡视探测类有效载荷的技术实现、探测结果和取得的成就。分析了有效载荷技术的发展趋势，展望了我国未来有效载荷技术的发展。
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。
“嫦娥4号”任务将首次实现人类在月球背面软着陆。通过分析任务特点，以多类型有效载荷配置为背景，介绍了以科学目标和探测任务为核心的有效载荷系统设计思路和实现方法。同时针对首次在深空探测领域搭载国际合作有效载荷项目情况进行了说明。“嫦娥4号”任务最重要的科学目标是利用月球背面洁净的电磁环境进行天文低频射电观测，因此分别在着陆器和中继星上新增配置了国内新研制的低频射电频谱仪及荷兰研制的低频探测仪。科学探测的太阳爆发产生的低频电场信号极其微弱，如何消除着陆器和中继星上其他电子设备发射的近场噪声对远场探测信号的干扰就成了本次任务的最大难点。在相关研制单位的多方努力下，通过优化接收天线设计和地面数据处理算法等多种手段，实现了低频探测信号不低于30 dB的噪声抑制性能，具备了实现科学目标的能力。
质谱计多次应用于行星系统和小天体的大气层与土壤吸附气体或挥发组分及其同位素含量探索，是太阳系行星系统和小天体探测计划中的首选载荷之一。大气和土壤元素及其同位素组分探测对资源勘探、行星系统的宜居性、天体演化、起源及其重要事件的精准时间坐标研究等具有重要意义。质谱计已多次成功应用于火星、土星系、木星系、彗星等探测任务中开展大气环境探测。质谱计的探测对象主要包括太阳系行星、行星卫星如月球、木星伽利略卫星、土卫，以及地外小行星和彗星。四极杆质谱计在当前的深空空间环境探测活动中应用最为广泛。利用四极杆质谱计除可用于探测稀薄天体大气与土壤析出气体外，如增加抽真空能力的前端设计，则具备探测稠密大气成分的能力。中科院空间中心研发的星载质谱计已多次成功应用于地球行星大气成分和密度探测。
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。
针对火星进入过程中大气密度等不确定参数对导航系统状态估计精度的影响，提出了一种基于改进混合专家框架的多模型自适应估计方法。该方法对进入过程中不同的测量信息进行规范化处理，以克服传统多模型自适应估计方法稳定性差、数值下溢等固有缺陷，进一步提高状态估计精度。将其应用于火星不同进入探测方式下的导航场景进行仿真分析。仿真结果表明：该方法在动力学系统模型参数存在不确定扰动时能获得精确的状态估计，可以满足未来定点着陆探测对导航系统的精度需求。
根据取芯钻具的特点、使用情况以及空间环境要求，在简化模型的基础上，利用有限元分析方法研究了月壤取芯钻具的热特性。首先计算了取芯钻具在飞行阶段高、低温存储环境影响下的变形和应力分布；其次计算了取芯钻具在工作阶段不同钻进条件下的变形及应力分布情况，提取了关键点的温度和位移参数；最后研究了取芯软袋与取芯管之间的间隙变化情况。根据有限元分析得到的数据结果，证明了各部位选择的材料以及配合间隙等满足要求，可为未来工程应用提供理论依据。
燃料电池是一种高效的清洁能源，早在20世纪60年代就成功应用于美国载人登月工程中。我国对燃料电池的研究工作开展较早，当前已初步具备了研发航天器燃料电池的技术能力，但由于燃料电池属于一次性能源，使其应用一直受限于航天领域，近年来我国新型航天器的研发为燃料电池提供了新的应用背景。在调研分析的基础上，提出了一种使用氢氧燃料电池作为月面探测器主电源的配置方案，通过与传统供电方案的综合比较总结了燃料电池的优点，并归纳了后续应用的关键技术和解决途径，为燃料电池在我国航天领域的应用提供了一种新思路。
近年来，各国针对近地小行星的威胁及相应防御策略的研究越来越多。调研了国内外近地天体观测发展现状和多种近地小行星撞击地球的防御策略，通过比较分析防御策略的实现原理、关键技术和存在的问题，对各种策略的适用性、可行性和有效性进行了评估。通过对各种策略的分析和总结，结合我国近地小行星防御策略的研究现状，尝试性提出了采用多种策略组合的方式对有潜在威胁的小行星采取相关有效方案，为航天器的研制和防御策略的实施争取更多的时间。
木星拥有类似地球辐射带的辐射带结构，其辐射带质子通量是地球的10倍，高能电子通量比地球高2～3个数量级，且最高能量可达1 GeV。因此木星探测任务的抗辐射设计是任务成功的关键。选择3种不同倾角大椭圆探测轨道，仿真分析了2种介质在变化能谱下的内带电过程。仿真结果表明，对于环氧树脂（Fr4），由于电阻相对较小，电子通量较大的近木点的充电电荷，会在远离辐射带时泄放，其最大充电电场取决于近木点的电子通量；对于聚酰亚胺（Kapton），由于电阻相对较大，充电电荷不能及时泄放，不同轨道间电荷逐渐累计，最大电场不断增加。另外，环木轨道倾角越大，越有利于降低充电电场。和地球GEO轨道相比，不同电阻介质在环木轨道的充电差异相对地球GEO轨道较小。
深空测控网采用大规模天线组阵系统比单个大天线具有一定优势，构建一个Ka频段的天线组阵系统无论对于星际测控通信还是天文观测都是一种经济、可持续扩展的技术方案。然而天线组阵系统工作于Ka频段时，由于天线间相位的快速起伏漂移将使得合成信噪比迅速恶化，尤其对于深空测控上行链路信号的相位监测和闭环控制带来巨大挑战，所以对天线间大气相位扰动测量和数值模拟非常必要。参考国外相关的干涉测量数据，首先分析了天线组阵大气相位扰动测量和统计分析方法；然后利用微波大气湍流模型，建立了天线组阵相位漂移抖动模型；对大气湍流引起的相位延迟扰动过程进行了仿真实现。利用模型产生的天线组阵相位抖动数值，可以测试和评估天线组阵信号合成处理系统的适用性。
脉冲激光作为模拟测试空间探测载荷半导体器件的单粒子效应现象的一种较新型手段，具有可以定位器件对单粒子效应敏感的具体单元以及动态测试电路系统对单粒子效应的时间响应特性的特点，能够满足工程部门、器件研发部门的不同需求。通过实验与理论研究，建立单粒子锁定与翻转效应的激光阈值能量与重离子LET值的对应关系，解决了脉冲激光模拟测试的激光结果如何定量的关键问题，据此可以定量摸底评估器件的单粒子效应敏感度，使脉冲激光测试载荷的结果更具评价以及指导意义，这对建立统一的脉冲激光单粒子效应评估试验标准以及对脉冲激光试验的推广具有重要意义。空间探测载荷发生单粒子效应后器件功能特性及电路系统的影响、防范单粒子效应电路条件影响的手段下电路系统的抗单粒子效应设计措施是的有效性，以及为空间探测专门研制的抗辐射ASIC电路评价，都需要更加精细的单粒子效应测试方法。通过建立便捷、低成本的脉冲激光定量试验的手段，解决了空间探测载荷上述单粒子效应试验的问题。
