近地小天体防御与利用

目录
第1章　近地小天体防御与利用的基本概念　1
1.1　银河系-太阳系-行星际空间　1
1.1.1　广袤的银河系　1
1.1.2　孕育生命的太阳系　2
1.1.3　行星际空间　5
1.2　天体运动的理论基础　7
1.2.1　万有引力定律与N体问题　7
1.2.2　二体问题　11
1.2.3　限制性三体问题　13
1.3　太阳系小天体　20
1.4　近地小天体　24
1.4.1　近地小天体的大小和质量　24
1.4.2　近地小天体轨道类别　25
1.4.3　近地小天体的命名　27
1.4.4　潜在威胁小天体　28
1.4.5　资源小天体　35
1.5　潜在威胁小天体防御　38
1.5.1　寻找潜在威胁小天体　38
1.5.2　跟踪潜在威胁小天体　39
1.5.3　表征潜在威胁小天体　40
1.5.4　偏转潜在威胁小天体　41
1.6　资源小天体利用　42
1.6.1　资源小天体利用的意义　42
1.6.2　资源小天体利用的步骤　46
1.7　小天体防御与利用的相关技术　47
1.7.1　共性技术　47
1.7.2　核心技术　50
1.8　相关国际组织及主要研究活动简介　51
1.8.1　联合国和平利用外层空间委员会近地天体行动小组　51
1.8.2　太空探索者协会小行星威胁减缓小组　52
1.8.3　小行星中心　52
1.8.4　太空防卫基金会　52
1.8.5　B612　基金会　53
1.8.6　主要探测任务　53
1.8.7　国际协调和公众普及教育　54
1.9　本章小结　54
参考文献　56
第2章　近地小天体观测系统与探测方法　60
2.1　引言　60
2.2　现有观测系统　61
2.2.1　地基观测系统　61
2.2.2　天基观测系统　64
2.2.3　抵近观测系统　78
2.3　广域探测方法　79
2.3.1　林肯近地小行星探测项目　80
2.3.2　Pan-STARRS光学观测系统　81
2.3.3　NEOWISE近地红外观测系统　83
2.3.4　近地小行星跟踪系统　83
2.3.5　斯隆数字巡天计划　84
2.3.6　卡特琳娜太空搜索项目　84
2.3.7　天基红外观测系统　85
2.4　抵近探测方法　86
2.4.1　“维加号”探测器　86
2.4.2　“先驱号”与“彗星号”探测器　87
2.4.3　“乔托号”探测器　87
2.4.4　“伽利略号”探测器　87
2.4.5　“近地小行星交会”探测器　88
2.4.6　“深空1号”探测器　90
2.4.7　“星尘号”探测器　90
2.4.8　“隼鸟号”探测器　91
2.4.9　“罗塞塔号”探测器　91
2.4.10　“深度撞击号”探测器　94
2.4.11　“黎明号”探测器　96
2.4.12　“嫦娥二号”　97
2.4.13　“隼鸟2号”探测器　98
2.4.14　OSIRIS-REx　探测器　98
2.4.15　小天体撞击与偏转评估任务　99
2.4.16　“赫拉”探测器　100
2.5　近地小天体物理特性感知技术　100
2.5.1　近地小天体轨道确定　100
2.5.2　近地小天体尺寸预估　101
2.5.3　近地小天体反射率预估　101
2.5.4　近地小天体密度预估　102
2.5.5　近地小天体质量计算　102
2.5.6　近地小天体引力场探测　103
2.6　近地小天体观测新路径　104
2.6.1　基于小卫星集群的近地小天体协同观测系统构想　104
2.6.2　抵近探测目标筛选　105
2.6.3　多目标抵近探测任务流程设计　107
2.6.4　分布式智能协同探测与识别　109
2.7　本章小结　112
参考文献　113
第3章　小天体轨道干预技术　118
3.1　引言　118
3.2　相关任务情况　119
3.2.1　深度撞击任务　119
3.2.2　小行星重定向任务　121
3.2.3　双小行星重定向测试　121
3.3　接触式轨道干预方法　133
3.3.1　动能撞击　133
3.3.2　表面物质投射法　136
3.3.3　航天器助推法　136
3.4　非接触式轨道干预方法　137
3.4.1　核爆打击法　138
3.4.2　引力牵引法　138
3.4.3　离子束偏移法　139
3.4.4　表面烧蚀法　140
3.4.5　反射物质喷涂法　141
3.5　其他可能的方法与建议　143
3.5.1　共振轨道序列方法　143
3.5.2　待捕获小行星的筛选方法　143
3.5.3　多个连续小推力推进器轨道优化方案　144
3.6　本章小结　144
参考文献　146
第4章　近地小天体附着探测技术　148
4.1　引言　148
4.2　相关任务情况　149
4.2.1　日本“隼鸟号”　150
4.2.2　“隼鸟　2　号”　153
4.2.3　美国“欧西里斯号”　155
4.2.4　欧洲航天局“罗塞塔号”任务　158
4.2.5　“星尘号”　160
4.3　小天体精确抵近技术　160
4.3.1　小天体动力学建模与运动特性分析　161
4.3.2　不规则暗弱目标自主抵近的导航与控制技术　162
4.3.3　弱引力环境下精确附着的导航与控制技术　164
4.4　小天体自主作业技术　168
4.4.1　弱引力附着采样技术　168
4.4.2　自主作业机器人　172
4.4.3　自主导航与移动规划技术　180
4.4.4　多机器人协同作业技术　183
4.5　采样机器人设计与仿真试验　185
4.5.1　采样机器人设计　186
4.5.2　采样机器人仿真实验　189
4.6　本章小结　193
参考文献　194
第5章　近地小天体资源利用技术　198
5.1　引言198
5.2　原位资源利用的构想与关键技术　200
5.3　基于小行星重定向概念的资源利用技术　204
5.3.1　小行星重定向概念　204
5.3.2　主要关键技术　205
5.4　基于生物学的资源利用技术　207
5.5　本章小结　211
参考文献　212
第6章　星际转移轨道设计技术　214
6.1　引言　214
6.2　连续小推力轨道优化设计　215
6.2.1　连续小推力轨道优化求解方法　215
6.2.2　同伦方法　215
6.3　低能量转移轨道优化设计　216
6.4　行星引力辅助轨道设计　219
6.5　时间最优-燃料最优同伦的小推力转移轨道优化方法　221
6.6　功率受限小推力转移轨道优化　225
6.7　星际转移轨道优化设计发展建议　229
参考文献　230
第7章　深空探测电推进技术　232
7.1　引言　232
7.2　深空探测电推进技术发展情况　233
7.3　霍尔电推进技术　233
7.3.1　国外研究现状　234
7.3.2　国内研究现状　240
7.4　脉冲感应电推进技术　242
7.4.1　PIT电推进技术概述　242
7.4.2　PIT推力器机电模型　244
7.4.3　PIT推力器磁流体动力学模型　246
7.4.4　PIT中的等离子体结构演化及其对推进性能的影响　247
7.4.5　推力器结构对推进性能的影响　249
7.4.6　国内相关研究进展　252
7.5　小功率长寿命霍尔推力器　253
7.5.1　磁屏蔽霍尔推力器设计原则　253
7.5.2　磁屏蔽霍尔推力器性能验证　256
7.5.3　推力器远场羽流特征　259
7.5.4　加速通道壁面溅射腐蚀特性　261
7.6　大功率脉冲感应推力器　264
7.6.1　推力器工作过程数值仿真研究　264
7.6.2　推力器关键组部件研发与系统集成　269
7.6.3　脉冲感应推力器性能测量技术　282
7.7　本章小结　284
参考文献　284
第8章　行星际飞行自主导航技术　287
8.1　引言　287
8.2　不同飞行阶段自主导航任务　287
8.3　导航传感器技术　290
8.3.1　国内外小天体深空探测任务传感器配置　290
8.3.2　典型光学导航传感器系统　296
8.3.3　自主导航技术国内外进展简介　298
8.4　导航信息获取与处理技术　300
8.4.1　导航信息　300
8.4.2　导航天体筛选　302
8.4.3　导航天体成像　308
8.4.4　导航图像的目标检测方法310
8.4.5　导航观测数据提取技术311
8.5　先进导航滤波技术　313
8.5.1　传统的卡尔曼滤波算法314
8.5.2　无迹卡尔曼滤波　315
8.5.3　无迹粒子滤波　317
8.6　姿态确定方法　317
8.7　轨道确定方法　320
8.7.1　天文测角导航　320
8.7.2　脉冲星测距导航　327
8.7.3　多普勒测速导航　328
8.8　近地小天体撞击任务自主导航方案构想　329
8.8.1　近地小天体撞击系统组成　329
8.8.2　各任务飞行阶段简介　330
8.8.3　自主导航关键任务　333
8.9　本章小结与发展建议　338
参考文献　339
第9章　行星际测控通信技术　346
9.1　引言　346
9.2　国内外深空网建设基本情况　347
9.2.1　美国深空网　347
9.2.2　欧洲航天局深空网　348
9.2.3　俄罗斯深空网　349
9.2.4　日本、印度深空测控通信设施　349
9.2.5　印度深空网　350
9.2.6　中国深空网　350
9.3　深空通信中的接收与发射技术　351
9.3.1　深空通信频段选择条件　351
9.3.2　航天器的收发器与天线　351
9.3.3　地基的大功率发射机　355
9.4　光通信技术　355
9.5　天线组阵技术　356
9.6　深空中继通信技术　358
9.6.1　针对特定探测任务的深空中继通信　358
9.6.2　支持太阳系探索的深空中继通信　360
9.7　深空中继通信星座设计　362
9.8　本章小结　364
参考文献　366
第10章　多功能薄膜航天器结构技术　369
10.1　引言　369
10.2　国内外太阳帆航天器发展情况　369
10.2.1　IKAROS太阳帆航天器　369
10.2.2　Nanosail-D太阳帆航天器　370
10.2.3　LightSail 2太阳帆航天器　371
10.2.4　“天帆一号”太阳帆航天器　372
10.2.5　太阳帆航天器结构技术的难点　372
10.3　太阳帆结构技术发展现状　373
10.3.1　总体构型设计　373
10.3.2　薄膜帆面设计　373
10.3.3　太阳帆支撑结构设计375
10.3.4　结构仿真分析技术　375
10.4　太阳帆展开技术　376
10.4.1　太阳帆帆面的展开方式　379
10.4.2　薄膜的折叠与收拢方法　384
10.5　多功能薄膜结构技术　385
10.5.1　多功能薄膜航天器结构系统设计　385
10.5.2　薄膜结构动力学建模与分析　389
10.5.3　支撑结构动力学建模与分析　401
10.6　本章小结　413
参考文献　414
第11章　用于近地小天体防御的小卫星集群技术　416
11.1　引言　416
11.2　弱引力场下的小卫星集群伴飞技术　416
11.3　小卫星集群多点附着方案　424
11.4　本章小结　429
参考文献　429
第12章　展望未来　430
12.1　未来可能的各种任务　430
12.2　新型航天器发展设想与展望　431
12.2.1　太阳帆航天器面临的主要难题　431
12.2.2　其他新型航天器发展建议及主要关键技术　434
12.3　近地空间协同观测体系构想　436
12.4　深空任务中的人工智能技术　437
12.5　我们的未来　439
12.5.1　宇宙中的我们　439
12.5.2　科学装置在宇宙学发展中的重要作用　441
12.5.3　未来的故事　443
参考文献　446