2021年 第8卷 第5期
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2021, 8(5): 447-453.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210042
摘要:
深空探测过程中，探测器可能会遇到极端低温环境、极端高温环境、气体环境等极端热环境，这些极端热环境给探测器热控分系统设计造成了非常大的困难，对热控设计中使用的热控材料的功能性能提出了严苛的要求。针对中国未来深空探测任务，分析了深空探测中典型的极端热环境因素及其对航天器热控系统设计的影响，论述了耐温1 200 °C的二氧化硅气凝胶、低密度（＜30 kg/m³）二氧化硅气凝胶、透明聚酰亚胺薄膜、吸热涂层等热控新材料在中国深空探测任务中的应用现状及其主要性能表征，分析了轻质耐极端高温材料、气体环境下的高效隔热材料等新热控材料的发展趋势。
深空探测过程中，探测器可能会遇到极端低温环境、极端高温环境、气体环境等极端热环境，这些极端热环境给探测器热控分系统设计造成了非常大的困难，对热控设计中使用的热控材料的功能性能提出了严苛的要求。针对中国未来深空探测任务，分析了深空探测中典型的极端热环境因素及其对航天器热控系统设计的影响，论述了耐温1 200 °C的二氧化硅气凝胶、低密度（＜30 kg/m³）二氧化硅气凝胶、透明聚酰亚胺薄膜、吸热涂层等热控新材料在中国深空探测任务中的应用现状及其主要性能表征，分析了轻质耐极端高温材料、气体环境下的高效隔热材料等新热控材料的发展趋势。
2021, 8(5): 454-466.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210031
摘要:
木星系探测是中国未来深空探测的重要方向之一，木星系环境极其复杂，对其进行研究是探测任务重要的科学目标。此外，木星系环境对探测器的影响更是制约任务设计的关键要素。从重力场、磁场、大气层/外逸层、电磁辐射、高能粒子、等离子体、微流星体等7个方面全面分析了木星系各环境要素的特征及研究现状。其中，木星空间等离子体和高能粒子通量远高于地球空间，其产生的多种辐射效应（如总剂量及内带电效应）是航天器设计中的防护重点。此外，重力场模型是轨道和推进分系统设计的重要依据，需构建冗余模型；木星的强磁场对探测器控制分系统中高灵敏电磁设备的设计提出较高要求；探测器所受电磁辐射的主要来源包括：太阳直接辐射、木星/卫星反照太阳辐射、木星红外辐射等。此外，木星卫星外逸层稀薄，但存在多种原子；微流星体来源包括行星际和木星系本身，应避免微流星体与航天器碰撞产生的表面性能退化或击穿风险。
木星系探测是中国未来深空探测的重要方向之一，木星系环境极其复杂，对其进行研究是探测任务重要的科学目标。此外，木星系环境对探测器的影响更是制约任务设计的关键要素。从重力场、磁场、大气层/外逸层、电磁辐射、高能粒子、等离子体、微流星体等7个方面全面分析了木星系各环境要素的特征及研究现状。其中，木星空间等离子体和高能粒子通量远高于地球空间，其产生的多种辐射效应（如总剂量及内带电效应）是航天器设计中的防护重点。此外，重力场模型是轨道和推进分系统设计的重要依据，需构建冗余模型；木星的强磁场对探测器控制分系统中高灵敏电磁设备的设计提出较高要求；探测器所受电磁辐射的主要来源包括：太阳直接辐射、木星/卫星反照太阳辐射、木星红外辐射等。此外，木星卫星外逸层稀薄，但存在多种原子；微流星体来源包括行星际和木星系本身，应避免微流星体与航天器碰撞产生的表面性能退化或击穿风险。
2021, 8(5): 467-471.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210038
摘要:
针对轻质防热材料在深空环境中较高热流的耐烧蚀问题，采用6 000 kW/m2电弧风洞试验对自行研制的蜂窝增强轻质防热材料A（密度0.48 g/cm3）的烧蚀性能进行了研究，对烧蚀后材料内部的密度变化进行了分析，同时计算并分析了防热材料的热应力。结果表明：材料A烧蚀后碳层完整，其碳层的微观形貌可见明显的空心填料破损且基本不见树脂基体，材料中的组分发生相互反应，烧蚀表面生成SiC晶体，促进烧蚀带走热量，且提高碳层强度和抵抗氧化的作用；材料A的热解层厚度很小，说明具有良好的隔热性能；材料A的蜂窝结构可有效降低材料热应力。本研究对深空探测材料的可靠性评估具有重要意义。
针对轻质防热材料在深空环境中较高热流的耐烧蚀问题，采用6 000 kW/m2电弧风洞试验对自行研制的蜂窝增强轻质防热材料A（密度0.48 g/cm3）的烧蚀性能进行了研究，对烧蚀后材料内部的密度变化进行了分析，同时计算并分析了防热材料的热应力。结果表明：材料A烧蚀后碳层完整，其碳层的微观形貌可见明显的空心填料破损且基本不见树脂基体，材料中的组分发生相互反应，烧蚀表面生成SiC晶体，促进烧蚀带走热量，且提高碳层强度和抵抗氧化的作用；材料A的热解层厚度很小，说明具有良好的隔热性能；材料A的蜂窝结构可有效降低材料热应力。本研究对深空探测材料的可靠性评估具有重要意义。
2021, 8(5): 472-477.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210044
摘要:
着陆缓冲机构是“天问一号”火星探测器在行星表面软着陆时的关键部件之一，需要采用吸能效率高、耐高低温的能量吸收材料。介绍了火星探测器着陆缓冲机构中采用高锰奥氏体孪生诱发塑性钢（Twining Induced Plasticity，TWIP）制拉杆的能量吸收设计。给出了TWIP钢的高塑性变形微观机理和力学特性。试验结果表明，TWIP钢具备600 MPa拉伸应力和72%拉伸应变的高塑性变形能力。通过仿真分析和试验验证方法，验证了TWIP钢制拉杆在火星探测器着陆缓冲机构中的应用效果。结果表明，着陆缓冲机构能够在各种复杂着陆工况下保证稳定的能量吸收性能。
着陆缓冲机构是“天问一号”火星探测器在行星表面软着陆时的关键部件之一，需要采用吸能效率高、耐高低温的能量吸收材料。介绍了火星探测器着陆缓冲机构中采用高锰奥氏体孪生诱发塑性钢（Twining Induced Plasticity，TWIP）制拉杆的能量吸收设计。给出了TWIP钢的高塑性变形微观机理和力学特性。试验结果表明，TWIP钢具备600 MPa拉伸应力和72%拉伸应变的高塑性变形能力。通过仿真分析和试验验证方法，验证了TWIP钢制拉杆在火星探测器着陆缓冲机构中的应用效果。结果表明，着陆缓冲机构能够在各种复杂着陆工况下保证稳定的能量吸收性能。
2021, 8(5): 478-485.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210025
摘要:
降落伞是火星探测器减速的重要方式，火星降落伞应用条件与常规降落伞有很大不同。开展了“天问一号”火星降落伞经历环境和力学条件的分析对比，结合国外成功着陆的火星降落伞和纺织材料发展，对火星降落伞材料的应用情况进行介绍；对“天问一号”火星降落伞新材料质量特性和湿度对降落伞质量影响进行计算及分析；通过高低温环境、高密度包装和长期在轨贮存条件的降落伞材料力学试验，获取了“天问一号”火星降落伞材料的强度变化参数。结果表明：降落伞材料在经历各类环境条件后，强度仍能满足火星条件的工作要求，可为后续深空探测降落伞材料设计提供参考。
降落伞是火星探测器减速的重要方式，火星降落伞应用条件与常规降落伞有很大不同。开展了“天问一号”火星降落伞经历环境和力学条件的分析对比，结合国外成功着陆的火星降落伞和纺织材料发展，对火星降落伞材料的应用情况进行介绍；对“天问一号”火星降落伞新材料质量特性和湿度对降落伞质量影响进行计算及分析；通过高低温环境、高密度包装和长期在轨贮存条件的降落伞材料力学试验，获取了“天问一号”火星降落伞材料的强度变化参数。结果表明：降落伞材料在经历各类环境条件后，强度仍能满足火星条件的工作要求，可为后续深空探测降落伞材料设计提供参考。
2021, 8(5): 486-494.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200013
摘要:
虽然月球是除地球以外人类探测最为频繁的目标天体之一，但是月球空间环境仍然是未解之谜。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的“阿波罗”（Apollo）系列、“勘测者”（Surveyor）系列、“阿尔忒弥斯”（Artemis）任务、月球大气和粉尘环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE），前苏联的“月球”（Luna）系列探测任务均进行了（或计划进行）月面就位探测，提供了一些月球电磁环境和月尘的信息；历次月球探测任务中的无线电观测提供了部分关于月球等离子体环境的信息。本文首先对当前月球空间环境研究进展和存在的问题进行介绍；其次，探讨了日、地对月球空间环境的可能影响；最后，基于“嫦娥四号”中继星及着陆器搭载的甚低频射电探测载荷，对未来月球空间环境研究及其探测进行了展望。
虽然月球是除地球以外人类探测最为频繁的目标天体之一，但是月球空间环境仍然是未解之谜。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的“阿波罗”（Apollo）系列、“勘测者”（Surveyor）系列、“阿尔忒弥斯”（Artemis）任务、月球大气和粉尘环境探测器（Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer，LADEE），前苏联的“月球”（Luna）系列探测任务均进行了（或计划进行）月面就位探测，提供了一些月球电磁环境和月尘的信息；历次月球探测任务中的无线电观测提供了部分关于月球等离子体环境的信息。本文首先对当前月球空间环境研究进展和存在的问题进行介绍；其次，探讨了日、地对月球空间环境的可能影响；最后，基于“嫦娥四号”中继星及着陆器搭载的甚低频射电探测载荷，对未来月球空间环境研究及其探测进行了展望。
2021, 8(5): 495-502.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20191120001
摘要:
针对“嫦娥四号”（CE-4）探测器任务，应用中国深空网佳木斯深空站和喀什深空站的干涉测量观测数据，分析了实时测量数据和事后修正数据分别与统一S波段（Unified S-Band，USB）测量数据的联合定轨精度，同时分析了权重设置对轨道精度的影响；针对后续深空任务中中国深空网的链路实际，提出了分时采集模式以降低干涉测量数据量，利用“嫦娥四号”探测器的干涉测量实测数据，分析了分时采集模式对轨道精度的影响。结果显示：在地月转移段与精密轨道均相差百m量级，在环月段与精密星历均相差10 m量级，说明中国深空网干涉测量实时测量数据精度已达到事后修正数据精度；同时对于每天2~3 h双站共视弧长，在分时采集模式下，采用步长1 min每日总计采集20 min数据的方法，可保证轨道精度不降低。研究可对中国后续深空探测任务提供支持。
针对“嫦娥四号”（CE-4）探测器任务，应用中国深空网佳木斯深空站和喀什深空站的干涉测量观测数据，分析了实时测量数据和事后修正数据分别与统一S波段（Unified S-Band，USB）测量数据的联合定轨精度，同时分析了权重设置对轨道精度的影响；针对后续深空任务中中国深空网的链路实际，提出了分时采集模式以降低干涉测量数据量，利用“嫦娥四号”探测器的干涉测量实测数据，分析了分时采集模式对轨道精度的影响。结果显示：在地月转移段与精密轨道均相差百m量级，在环月段与精密星历均相差10 m量级，说明中国深空网干涉测量实时测量数据精度已达到事后修正数据精度；同时对于每天2~3 h双站共视弧长，在分时采集模式下，采用步长1 min每日总计采集20 min数据的方法，可保证轨道精度不降低。研究可对中国后续深空探测任务提供支持。
2021, 8(5): 503-510.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210065
摘要:
针对火星图像传输信道极其有限，误码率较高等问题，给出了一种火星车图像压缩软件的设计与实现方法：分析了火星车图像管理的特点，归纳出火星车图像压缩软件需具备的三项能力（文件统一管理能力、高效压缩能力、高容错能力）；针对文件统一管理能力，提出了一种针对多类型图像数据的统一化管理的文件系统；针对压缩算法高效性和高容错性要求，在基于首1游程的图像位面并行编码算法基础上，扩展了多载荷图像统一化处理、彩色图像预处理和分段位平面编码三个重要过程，进一步提高算法压缩性能和容错能力，并形成一整套图像压缩软件设计方案，使用FPGA（Field Programmable Gate Array）+DSP（Digital Signal Process）方式实现了整套软件；最后采用仿真验证系统对压缩效果进行了验证，仿真结果表明了算法的有效性。本软件经“祝融号”火星车在轨验证，可有效满足火星探测任务需求，软件设计方案可作为后续超远距离深空探测图像压缩的参考。
针对火星图像传输信道极其有限，误码率较高等问题，给出了一种火星车图像压缩软件的设计与实现方法：分析了火星车图像管理的特点，归纳出火星车图像压缩软件需具备的三项能力（文件统一管理能力、高效压缩能力、高容错能力）；针对文件统一管理能力，提出了一种针对多类型图像数据的统一化管理的文件系统；针对压缩算法高效性和高容错性要求，在基于首1游程的图像位面并行编码算法基础上，扩展了多载荷图像统一化处理、彩色图像预处理和分段位平面编码三个重要过程，进一步提高算法压缩性能和容错能力，并形成一整套图像压缩软件设计方案，使用FPGA（Field Programmable Gate Array）+DSP（Digital Signal Process）方式实现了整套软件；最后采用仿真验证系统对压缩效果进行了验证，仿真结果表明了算法的有效性。本软件经“祝融号”火星车在轨验证，可有效满足火星探测任务需求，软件设计方案可作为后续超远距离深空探测图像压缩的参考。
2021, 8(5): 511-518.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200095
摘要:
具有潜在撞击地球危险的近地小行星将对人类生存构成重大威胁，通过直接撞击的方式改变危险小行星的轨道是一种可行且有效的方法。以对地球威胁程度较大的近地小行星Bennu为预设对象，进行深空高速撞击末制导律设计。针对高速撞击任务相对速度大、撞击精度要求高、燃料有限的特点，考虑目标的运动加速度，基于增广比例制导律推导加速度指令：综合考虑机动时刻与燃料消耗、撞击精度的关系，将原常值比例系数设计为相对距离的归一化幂函数，在满足制导精度要求的前提下使机动时间更少、更靠前，节省燃料消耗；同时设计点火策略，将连续指令转化为脉冲发动机指令，无需预先给定机动时刻，且脉冲指令可直接应用于深空探测器。仿真结果表明，撞击器在本文算法的加速度指令下能在初始距目标
\begin{document}$9.36 \times {10^5}\;{\rm{km}} $\end{document}
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、较大相对速度
\begin{document}$ 10.2\;{\text{km/s}} $\end{document}
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场景下准确撞击目标，且相比定系数算法，本文的变系数算法在所需的点火次数、机动速度增量及燃料消耗方面性能更优，更具有效性与实用性。
具有潜在撞击地球危险的近地小行星将对人类生存构成重大威胁，通过直接撞击的方式改变危险小行星的轨道是一种可行且有效的方法。以对地球威胁程度较大的近地小行星Bennu为预设对象，进行深空高速撞击末制导律设计。针对高速撞击任务相对速度大、撞击精度要求高、燃料有限的特点，考虑目标的运动加速度，基于增广比例制导律推导加速度指令：综合考虑机动时刻与燃料消耗、撞击精度的关系，将原常值比例系数设计为相对距离的归一化幂函数，在满足制导精度要求的前提下使机动时间更少、更靠前，节省燃料消耗；同时设计点火策略，将连续指令转化为脉冲发动机指令，无需预先给定机动时刻，且脉冲指令可直接应用于深空探测器。仿真结果表明，撞击器在本文算法的加速度指令下能在初始距目标
2021, 8(5): 519-527.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210020
摘要:
面对日益复杂的深空探测任务和动态多变的深空环境，深空探测器需要更高效的任务规划技术以快速生成规划方案。探测器内部各子系统具有分布并行的特征，可抽象为多智能体系统进行规划。而现有的多智能体规划方法无法直接应用于需要处理时间资源等数值约束的深空探测器任务规划中。针对上述问题，提出基于分布式求精搜索的多智能体规划空间规划方法，设计动态智能体交互图引导多智能体协同规划，将时间资源约束处理抽象为约束满足问题并采用基于图论的方法进行处理。实验表明，对于包含多子系统的深空探测器的任务规划问题，所提方法能够有效提高规划效率。
面对日益复杂的深空探测任务和动态多变的深空环境，深空探测器需要更高效的任务规划技术以快速生成规划方案。探测器内部各子系统具有分布并行的特征，可抽象为多智能体系统进行规划。而现有的多智能体规划方法无法直接应用于需要处理时间资源等数值约束的深空探测器任务规划中。针对上述问题，提出基于分布式求精搜索的多智能体规划空间规划方法，设计动态智能体交互图引导多智能体协同规划，将时间资源约束处理抽象为约束满足问题并采用基于图论的方法进行处理。实验表明，对于包含多子系统的深空探测器的任务规划问题，所提方法能够有效提高规划效率。
2021, 8(5): 528-533.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20200090
摘要:
传统同伦方法通常将小推力燃料最优问题转化为能量最优问题求解，以增加间接法求解的收敛率，但求解能量最优问题仍需要猜测协态初值以初始化求解算法。该研究针对小推力燃料最优问题，将其优化模型嵌入到切换系统，从而将该问题转化为具有解析协态初值的优化问题进行求解，进一步提高了求解的收敛率，并能够以解析协态初值初始化求解算法。首先，将切换系统优化模型与小推力优化模型相结合，常规的切换系统的切换函数是由最优控制得出的，而本研究则采用了人为设计给定的切换函数，实现了不同系统之间的切换和联系；其次，基于标称轨道线性化的方法，给出了具有解析协态初值的目标系统的设计，无需复杂标称轨道即可实现协态初始化；最后，数值仿真验证了该方法的有效性，相比于传统同伦方法具有更高的求解效率。
传统同伦方法通常将小推力燃料最优问题转化为能量最优问题求解，以增加间接法求解的收敛率，但求解能量最优问题仍需要猜测协态初值以初始化求解算法。该研究针对小推力燃料最优问题，将其优化模型嵌入到切换系统，从而将该问题转化为具有解析协态初值的优化问题进行求解，进一步提高了求解的收敛率，并能够以解析协态初值初始化求解算法。首先，将切换系统优化模型与小推力优化模型相结合，常规的切换系统的切换函数是由最优控制得出的，而本研究则采用了人为设计给定的切换函数，实现了不同系统之间的切换和联系；其次，基于标称轨道线性化的方法，给出了具有解析协态初值的目标系统的设计，无需复杂标称轨道即可实现协态初始化；最后，数值仿真验证了该方法的有效性，相比于传统同伦方法具有更高的求解效率。
2021, 8(5): 534-540.
doi:10.15982/j.issn.2096-9287.2021.20210037
摘要:
提出一种高精度的空间目标激光雷达三维扫描点云与可见光图像三维重建点云融合方法，此融合方法利用可见光图像三维重建过程中计算的相机姿态与三维点云模型形心位置优化初值选取，提升了ICP算法的配准精度与配准效率；同时根据两组点云的特点，利用欧式距离阈值对三维点云边缘进行杂点删除，最后利用优化的ICP算法得到带有尺度信息融合的高精度三维重建点云。对空间目标仿真模型进行模拟实验，实验表明本融合方法可有效提升点云密度，填补重建漏洞，提升空间目标三维重建的点云精度。
提出一种高精度的空间目标激光雷达三维扫描点云与可见光图像三维重建点云融合方法，此融合方法利用可见光图像三维重建过程中计算的相机姿态与三维点云模型形心位置优化初值选取，提升了ICP算法的配准精度与配准效率；同时根据两组点云的特点，利用欧式距离阈值对三维点云边缘进行杂点删除，最后利用优化的ICP算法得到带有尺度信息融合的高精度三维重建点云。对空间目标仿真模型进行模拟实验，实验表明本融合方法可有效提升点云密度，填补重建漏洞，提升空间目标三维重建的点云精度。
