2019年 第6卷 第2期
2019, 6(2): 105-118.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.001
摘要:
深空探测承载着人类航天技术发展、探索宇宙奥秘和寻找地外生命及人类宜居地的重任，成为各航天大国关注的热点。我国月球与深空探测虽然起步晚，但起点高，正在追赶并将实现领先。简要回顾了我国月球及深空空间环境探测的载荷情况、数据结果、理论和应用研究成果，简述了当前在研的自主火星空间环境探测目标以及规划中的未来深空探测任务，并根据当前国际发展态势，及我国在研、规划中的月球及深空探测任务情况，分析了我国月球及深空空间环境探测的关键科学问题、载荷技术发展趋势、理论与模拟的研究需求，最后对深空环境探测进行了展望。
深空探测承载着人类航天技术发展、探索宇宙奥秘和寻找地外生命及人类宜居地的重任，成为各航天大国关注的热点。我国月球与深空探测虽然起步晚，但起点高，正在追赶并将实现领先。简要回顾了我国月球及深空空间环境探测的载荷情况、数据结果、理论和应用研究成果，简述了当前在研的自主火星空间环境探测目标以及规划中的未来深空探测任务，并根据当前国际发展态势，及我国在研、规划中的月球及深空探测任务情况，分析了我国月球及深空空间环境探测的关键科学问题、载荷技术发展趋势、理论与模拟的研究需求，最后对深空环境探测进行了展望。
2019, 6(2): 119-126.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.002
摘要:
“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors，HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors，SWIDs），进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测，获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时，近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间，发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件，这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域，其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生；能量电子总流量大于1011cm-2时，绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外，月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现，揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。
“嫦娥1号”（CE-1）、“嫦娥2号”（CE-2）都安装了1台太阳高能粒子探测器（High-energetic ParticlesDetectors，HPD）和2台太阳风离子探测器（Solar Wind Ion Detectors，SWIDs），进行了月球轨道200 km和100 km空间环境探测，获得了月球轨道空间高能带电粒子（质子、电子和重离子）能谱随时间的演化特征、等离子体与月球相互作用特征以及太阳风离子速度、密度和温度参量。空间环境探测数据分析结果表明：太阳活动低年、空间环境扰动水平相对较低、月球处于太阳风中时，近月空间带电粒子环境的基本特征与行星际空间相比变化不大。CE-1、CE-2在轨运行期间，发现了多起0.1～2 MeV能量电子急剧增加事件，这些事件发生在月球从太阳风运动到磁尾的所有空间区域，其中20%的事件伴随着卫星周围等离子体离子加速。模拟和统计研究表明：能量电子急剧增加使得绕月卫星和月球表面电位大幅下降导致了离子加速现象的发生；能量电子总流量大于1011cm-2时，绕月卫星和月球表面充电电位可达负的上千伏。此外，月表溅射与反射太阳风离子、太阳风“拾起”离子等空间环境事件的发现，揭示了太阳风离子和月球存在复杂的相互作用过程。
2019, 6(2): 127-133.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.003
摘要:
月球表面没有磁场的保护，粒子辐射是人类在月球活动的重要风险要素。概述了月球的辐射环境以及辐射来源，并介绍了月球探测的现状，特别提及了近年来几个较为典型的月球辐射探测实例及其探测结果；介绍了我国“嫦娥4号”上搭载的月表中子与辐射剂量探测仪（Lunar Lander Neutron&Dosimetry，LND）的科学目标及其技术指标。LND的科学目标主要包括：载人登月辐射剂量的测量、月球南极艾特肯盆地水含量的测量、艾特肯盆地FeO含量的测量，以及为日球层科学的研究提供依据。
月球表面没有磁场的保护，粒子辐射是人类在月球活动的重要风险要素。概述了月球的辐射环境以及辐射来源，并介绍了月球探测的现状，特别提及了近年来几个较为典型的月球辐射探测实例及其探测结果；介绍了我国“嫦娥4号”上搭载的月表中子与辐射剂量探测仪（Lunar Lander Neutron&Dosimetry，LND）的科学目标及其技术指标。LND的科学目标主要包括：载人登月辐射剂量的测量、月球南极艾特肯盆地水含量的测量、艾特肯盆地FeO含量的测量，以及为日球层科学的研究提供依据。
2019, 6(2): 134-141.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.004
摘要:
波动是无碰撞等离子体中能量重新分配的重要途径。对波动的研究有助于更准确地认识太阳风与火星的相互作用，认识火星空间环境的特征。介绍了火星空间中常见的几种磁场低频波动，包括离子回旋波（Ion-CyclotronWave，ICW）、磁流体动力学（MagnetoHydro Dynamic，MHD）波、镜像模波、哨声波以及磁场锯齿状波动，总结了这几类波动的特征和可能的形成机制，说明不同种类的波动所反映的不同的物理过程。由于波粒相互作用在火星离子逃逸的过程中起到了重要作用，波动可影响火星环境的演化。
波动是无碰撞等离子体中能量重新分配的重要途径。对波动的研究有助于更准确地认识太阳风与火星的相互作用，认识火星空间环境的特征。介绍了火星空间中常见的几种磁场低频波动，包括离子回旋波（Ion-CyclotronWave，ICW）、磁流体动力学（MagnetoHydro Dynamic，MHD）波、镜像模波、哨声波以及磁场锯齿状波动，总结了这几类波动的特征和可能的形成机制，说明不同种类的波动所反映的不同的物理过程。由于波粒相互作用在火星离子逃逸的过程中起到了重要作用，波动可影响火星环境的演化。
2019, 6(2): 142-149.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.005
摘要:
小型化、高集成化是深空探测载荷发展的主要趋势。在我国自主火星探测计划中，设计了一种高集成化的火星离子与中性粒子分析仪。采用从传感器到电子学进行最大限度共用的设计思路，在一台仪器中实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和成分的探测，大大降低了仪器对卫星平台的资源需求。仪器采取静电分析进行离子的方向和能量测量、采取飞行时间方法进行离子成分的测量。中性原子采用电离板电离成带电离子，后端的能量测量和成分测量与离子相同。鉴定件样机已经完成了初步的测试定标，结果表明其满足设计要求。
小型化、高集成化是深空探测载荷发展的主要趋势。在我国自主火星探测计划中，设计了一种高集成化的火星离子与中性粒子分析仪。采用从传感器到电子学进行最大限度共用的设计思路，在一台仪器中实现对离子和能量中性原子进行能量、方向和成分的探测，大大降低了仪器对卫星平台的资源需求。仪器采取静电分析进行离子的方向和能量测量、采取飞行时间方法进行离子成分的测量。中性原子采用电离板电离成带电离子，后端的能量测量和成分测量与离子相同。鉴定件样机已经完成了初步的测试定标，结果表明其满足设计要求。
2019, 6(2): 150-155.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.006
摘要:
木星具有太阳系最强的行星磁场，是木星探测面临的基本环境。首先对磁场环境及其数学模型进行了调研，并在研究木星磁场模型以及磁场的数学原理的基础上，使用MATLAB数学工具实现了木星主磁场的计算，对VIP4、VIT4、O6和V1_17ev（eigenvector，特征向量）4个模型与磁测数据进行了对比及分析。研究结果表明这4个模型计算得到的磁场强度范围较为一致，但在全球磁场分布上存在差异，尤其是对磁南极位置的识别上，4个模型的结果都不相同；在对模型计算结果与探测数据的探讨分析中，发现4个模型与探测数据的符合较为一致，偏差均较小。可为木星探测的环境保障提供必要的理论基础和计算模型支撑。
木星具有太阳系最强的行星磁场，是木星探测面临的基本环境。首先对磁场环境及其数学模型进行了调研，并在研究木星磁场模型以及磁场的数学原理的基础上，使用MATLAB数学工具实现了木星主磁场的计算，对VIP4、VIT4、O6和V1_17ev（eigenvector，特征向量）4个模型与磁测数据进行了对比及分析。研究结果表明这4个模型计算得到的磁场强度范围较为一致，但在全球磁场分布上存在差异，尤其是对磁南极位置的识别上，4个模型的结果都不相同；在对模型计算结果与探测数据的探讨分析中，发现4个模型与探测数据的符合较为一致，偏差均较小。可为木星探测的环境保障提供必要的理论基础和计算模型支撑。
2019, 6(2): 156-164.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.007
摘要:
太阳高能粒子（Solar Energetic Particle，SEP）事件是影响地球空间以及深空辐射环境的主要因素之一。“渐进型”太阳高能粒子事件中的高能粒子主要来自于日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection，CME）所驱动的激波扩散加速（Diffusive Shock Acceleration，DSA）过程。CME驱动的激波在行星际的传播过程中，其结构不断演化，进而影响到高能粒子的加速过程。本文利用二维太阳高能粒子加速和传播模型，对发生于2014年4月18日的太阳高能粒子事件实例进行了数值模拟。模型考察了黄道面上2 AU的距离以内包含地球所在位置的4个不同点，分别计算了每个点上高能粒子的通量。数值模拟的结果表明：黄道面内不同位置的观察点，与激波波前的磁力线连接不同，从而导致观察点处高能粒子的通量有着显著的差异。该模型的计算结果可以为深空探测计划开展辐射环境研究提供必要的输入。
太阳高能粒子（Solar Energetic Particle，SEP）事件是影响地球空间以及深空辐射环境的主要因素之一。“渐进型”太阳高能粒子事件中的高能粒子主要来自于日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection，CME）所驱动的激波扩散加速（Diffusive Shock Acceleration，DSA）过程。CME驱动的激波在行星际的传播过程中，其结构不断演化，进而影响到高能粒子的加速过程。本文利用二维太阳高能粒子加速和传播模型，对发生于2014年4月18日的太阳高能粒子事件实例进行了数值模拟。模型考察了黄道面上2 AU的距离以内包含地球所在位置的4个不同点，分别计算了每个点上高能粒子的通量。数值模拟的结果表明：黄道面内不同位置的观察点，与激波波前的磁力线连接不同，从而导致观察点处高能粒子的通量有着显著的差异。该模型的计算结果可以为深空探测计划开展辐射环境研究提供必要的输入。
2019, 6(2): 165-172.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.008
摘要:
基于单粒子轨道理论和蒙特卡洛方法建立了一种磁场主动屏蔽防护分析方法，针对理想磁场构型分析了屏蔽磁场强度、厚度和结构对屏蔽效果的影响。研究结果表明：屏蔽效率随磁刚度BL增大且当磁刚度BL一定时，增加磁场强度B比增加磁场厚度L更有效；对于有限长屏蔽磁场构型，端盖区需加强防护；桶状区与端盖区采用直线型屏蔽磁场的构型防护效果最好，能够对典型银河宇宙线能谱屏蔽90%的高能粒子。
基于单粒子轨道理论和蒙特卡洛方法建立了一种磁场主动屏蔽防护分析方法，针对理想磁场构型分析了屏蔽磁场强度、厚度和结构对屏蔽效果的影响。研究结果表明：屏蔽效率随磁刚度BL增大且当磁刚度BL一定时，增加磁场强度B比增加磁场厚度L更有效；对于有限长屏蔽磁场构型，端盖区需加强防护；桶状区与端盖区采用直线型屏蔽磁场的构型防护效果最好，能够对典型银河宇宙线能谱屏蔽90%的高能粒子。
2019, 6(2): 173-178.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.009
摘要:
空间高能质子和重离子是导致元器件发生单粒子效应的根本原因，为准确评估元器件在轨遭遇的单粒子效应风险，必须清楚高能质子、重离子与器件材料发生核反应的物理过程及生成的次级重离子LET（Line EnergyTransfer）分布规律。针对典型CMOS工艺器件模拟计算了不同能量质子和氦核粒子在器件灵敏单元内产生的反冲核、平均能量及线性能量转移值，并分析了半导体器件金属布线层中重金属对次级重离子LET分布的影响规律。计算结果表明：高能粒子与器件相互作用后产生大量次级重离子，且高能质子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～25MeV·cm2/mg；高能氦核粒子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～35 MeV·cm2/mg；有重金属钨（W）存在时能提高次级粒子的LET值，增加了半导体器件发生单粒子效应的概率，该研究结果可为元器件单粒子效应风险分析、航天器抗单粒子效应指标确定提供重要依据。
空间高能质子和重离子是导致元器件发生单粒子效应的根本原因，为准确评估元器件在轨遭遇的单粒子效应风险，必须清楚高能质子、重离子与器件材料发生核反应的物理过程及生成的次级重离子LET（Line EnergyTransfer）分布规律。针对典型CMOS工艺器件模拟计算了不同能量质子和氦核粒子在器件灵敏单元内产生的反冲核、平均能量及线性能量转移值，并分析了半导体器件金属布线层中重金属对次级重离子LET分布的影响规律。计算结果表明：高能粒子与器件相互作用后产生大量次级重离子，且高能质子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～25MeV·cm2/mg；高能氦核粒子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～35 MeV·cm2/mg；有重金属钨（W）存在时能提高次级粒子的LET值，增加了半导体器件发生单粒子效应的概率，该研究结果可为元器件单粒子效应风险分析、航天器抗单粒子效应指标确定提供重要依据。
2019, 6(2): 179-188.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.010
摘要:
由于小行星具有引力场不规则、物理参数不确定性大、表面逃逸速度小等因素，使得小行星附近制导和控制极具挑战性。回顾了小行星探测任务的历史、现状和意义；针对小行星附近制导与控制研究的基础即小行星附近动力学，分析了研究现状；针对悬停、绕飞、转移、着陆等任务形式，详细介绍了轨道制导和控制方法方面的热点问题和研究现状；基于研究现状，列举了部分未来可进一步研究的方向和问题。
由于小行星具有引力场不规则、物理参数不确定性大、表面逃逸速度小等因素，使得小行星附近制导和控制极具挑战性。回顾了小行星探测任务的历史、现状和意义；针对小行星附近制导与控制研究的基础即小行星附近动力学，分析了研究现状；针对悬停、绕飞、转移、着陆等任务形式，详细介绍了轨道制导和控制方法方面的热点问题和研究现状；基于研究现状，列举了部分未来可进一步研究的方向和问题。
2019, 6(2): 189-194.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.011
摘要:
基于我国未来木星系探测任务需求，初步设计了任务轨迹。以目前的发射能力，要实现木星的环绕探测必将利用行星借力，需设计借力轨迹。首先将脉冲变轨的轨迹设计问题转化为参数优化问题，在满足2029—2032年间发射并且飞行时间不超过7年的约束条件下，使用PSO算法对发射时刻、借力时刻、深空机动时刻、到达时刻等参数进行优化，使得探测器需提供的总速度增量最小。探测器进入木星系后，利用木卫3借力捕获至环木大椭圆轨道，又利用木卫4构造共振借力，最终捕获至木卫4的环绕轨道。在此基础上，还考虑了天王星飞越的拓展任务，天王星探测器在到达木星时与木星系探测器分离，利用木星借力可无消耗飞往天王星，并在2043年完成天王星的飞越探测任务。
基于我国未来木星系探测任务需求，初步设计了任务轨迹。以目前的发射能力，要实现木星的环绕探测必将利用行星借力，需设计借力轨迹。首先将脉冲变轨的轨迹设计问题转化为参数优化问题，在满足2029—2032年间发射并且飞行时间不超过7年的约束条件下，使用PSO算法对发射时刻、借力时刻、深空机动时刻、到达时刻等参数进行优化，使得探测器需提供的总速度增量最小。探测器进入木星系后，利用木卫3借力捕获至环木大椭圆轨道，又利用木卫4构造共振借力，最终捕获至木卫4的环绕轨道。在此基础上，还考虑了天王星飞越的拓展任务，天王星探测器在到达木星时与木星系探测器分离，利用木星借力可无消耗飞往天王星，并在2043年完成天王星的飞越探测任务。
2019, 6(2): 195-200.
doi:10.15982/j.issn.2095-7777.2019.02.012
摘要:
深空探测任务设计初段往往需要求解复杂的全局优化问题。小推力轨迹的设计与优化问题精确求解较为复杂，求解速度较慢。由于计算能力与时间要求，不可能在全局优化的过程中对每一个方案都进行精确的小推力数值求解，所以在全局优化阶段需要对小推力转移进行快速准确地估计。采用机器学习的方法，对燃料最优小推力转移的燃料消耗进行了估计，其结果明显优于目前最为常用的Lambert估计方法。根据轨道描述方法的不同以及是否带有Lambert估计特征，采用不同的特征组合进行机器学习，分析结果发现带有Lambert估计特征的春分点轨道根数的特征组合为较好的机器学习特征组合。可为未来深空探测任务轨道设计提供参考。
深空探测任务设计初段往往需要求解复杂的全局优化问题。小推力轨迹的设计与优化问题精确求解较为复杂，求解速度较慢。由于计算能力与时间要求，不可能在全局优化的过程中对每一个方案都进行精确的小推力数值求解，所以在全局优化阶段需要对小推力转移进行快速准确地估计。采用机器学习的方法，对燃料最优小推力转移的燃料消耗进行了估计，其结果明显优于目前最为常用的Lambert估计方法。根据轨道描述方法的不同以及是否带有Lambert估计特征，采用不同的特征组合进行机器学习，分析结果发现带有Lambert估计特征的春分点轨道根数的特征组合为较好的机器学习特征组合。可为未来深空探测任务轨道设计提供参考。
