●目錄
第1章 近地小天體防御與利用的基本概念 1
1.1 銀河繫-太陽繫-行星際空間 1
1.1.1 廣袤的銀河繫 1
1.1.2 孕育生命的太陽繫 2
1.1.3 行星際空間 5
1.2 天體運動的理論基礎 7
1.2.1 萬有引力定律與N體問題 7
1.2.2 二體問題 11
1.2.3 性三體問題 13
1.3 太陽繫小天體 20
1.4 近地小天體 24
1.4.1 近地小天體的大小和質量 24
1.4.2 近地小天體軌道類別 25
1.4.3 近地小天體的命名 27
1.4.4 潛在威脅小天體 28
1.4.5 資源小天體 35
1.5 潛在威脅小天體防御 38
1.5.1 尋找潛在威脅小天體 38
1.5.2 跟蹤潛在威脅小天體 39
1.5.3 表征潛在威脅小天體 40
1.5.4 偏轉潛在威脅小天體 41
1.6 資源小天體利用 42
1.6.1 資源小天體利用的意義 42
1.6.2 資源小天體利用的步驟 46
1.7 小天體防御與利用的相關技術 47
1.7.1 共性技術 47
1.7.2 核心技術 50
1.8 相關國際組織及主要研究活動簡介 51
1.8.1 聯合國和平利用外層空間委員會近地天體行動小組 51
1.8.2 太空探索者協會小行星威脅減緩小組 52
1.8.3 小行星中心 52
1.8.4 太空防衛基金會 52
1.8.5 B612 基金會 53
1.8.6 主要探測任務 53
1.8.7 國際協調和公眾普及教育 54
1.9 本章小結 54
參考文獻 56
第2章 近地小天體觀測繫統與探測方法 60
2.1 引言 60
2.2 現有觀測繫統 61
2.2.1 地基觀測繫統 61
2.2.2 天基觀測繫統 64
2.2.3 抵近觀測繫統 78
2.3 廣域探測方法 79
2.3.1 林肯近地小行星探測項目 80
2.3.2 Pan-STARRS光學觀測繫統 81
2.3.3 NEOWISE近地紅外觀測繫統 83
2.3.4 近地小行星跟蹤繫統 83
2.3.5 斯隆數字巡天計劃 84
2.3.6 卡特琳娜太空搜索項目 84
2.3.7 天基紅外觀測繫統 85
2.4 抵近探測方法 86
2.4.1 “維加號”探測器 86
2.4.2 “先驅號”與“彗星號”探測器 87
2.4.3 “喬托號”探測器 87
2.4.4 “伽利略號”探測器 87
2.4.5 “近地小行星交會”探測器 88
2.4.6 “深空1號”探測器 90
2.4.7 “星塵號”探測器 90
2.4.8 “隼鳥號”探測器 91
2.4.9 “羅塞塔號”探測器 91
2.4.10 “深度撞擊號”探測器 94
2.4.11 “黎明號”探測器 96
2.4.12 “嫦娥二號” 97
2.4.13 “隼鳥2號”探測器 98
2.4.14 OSIRIS-REx 探測器 98
2.4.15 小天體撞擊與偏轉評估任務 99
2.4.16 “赫拉”探測器 100
2.5 近地小天體物理特性感知技術 100
2.5.1 近地小天體軌道確定 100
2.5.2 近地小天體尺寸預估 101
2.5.3 近地小天體反射率預估 101
2.5.4 近地小天體密度預估 102
2.5.5 近地小天體質量計算 102
2.5.6 近地小天體引力場探測 103
2.6 近地小天體觀測新路徑 104
2.6.1 基於小衛星集群的近地小天體協同觀測繫統構想 104
2.6.2 抵近探測目標篩選 105
2.6.3 多目標抵近探測任務流程設計 107
2.6.4 分布式智能協同探測與識別 109
2.7 本章小結 112
參考文獻 113
第3章 小天體軌道干預技術 118
3.1 引言 118
3.2 相關任務情況 119
3.2.1 深度撞擊任務 119
3.2.2 小行星重定向任務 121
3.2.3 雙小行星重定向測試 121
3.3 接觸式軌道干預方法 133
3.3.1 動能撞擊 133
3.3.2 表面物質投射法 136
3.3.3 航天器助推法 136
3.4 非接觸式軌道干預方法 137
3.4.1 核爆打擊法 138
3.4.2 引力牽引法 138
3.4.3 離子束偏移法 139
3.4.4 表面燒蝕法 140
3.4.5 反射物質噴塗法 141
3.5 其他可能的方法與建議 143
3.5.1 共振軌道序列方法 143
3.5.2 待捕獲小行星的篩選方法 143
3.5.3 多個連續小推力推進器軌道優化方案 144
3.6 本章小結 144
參考文獻 146
第4章 近地小天體附著探測技術 148
4.1 引言 148
4.2 相關任務情況 149
4.2.1 日本“隼鳥號” 150
4.2.2 “隼鳥 2 號” 153
4.2.3 美國“歐西裡斯號” 155
4.2.4 歐洲航天局“羅塞塔號”任務 158
4.2.5 “星塵號” 160
4.3 小天體準確抵近技術 160
4.3.1 小天體動力學建模與運動特性分析 161
4.3.2 不規則暗弱目標自主抵近的導航與控制技術 162
4.3.3 弱引力環境下準確附著的導航與控制技術 164
4.4 小天體自主作業技術 168
4.4.1 弱引力附著采樣技術 168
4.4.2 自主作業機器人 172
4.4.3 自主導航與移動規劃技術 180
4.4.4 多機器人協同作業技術 183
4.5 采樣機器人設計與仿真試驗 185
4.5.1 采樣機器人設計 186
4.5.2 采樣機器人仿真實驗 189
4.6 本章小結 193
參考文獻 194
第5章 近地小天體資源利用技術 198
5.1 引言198
5.2 原位資源利用的構想與關鍵技術 200
5.3 基於小行星重定向概念的資源利用技術 204
5.3.1 小行星重定向概念 204
5.3.2 主要關鍵技術 205
5.4 基於生物學的資源利用技術 207
5.5 本章小結 211
參考文獻 212
第6章 星際轉移軌道設計技術 214
6.1 引言 214
6.2 連續小推力軌道優化設計 215
6.2.1 連續小推力軌道優化求解方法 215
6.2.2 同倫方法 215
6.3 低能量轉移軌道優化設計 216
6.4 行星引力輔助軌道設計 219
6.5 時間很優-燃料很優同倫的小推力轉移軌道優化方法 221
6.6 功率受限小推力轉移軌道優化 225
6.7 星際轉移軌道優化設計發展建議 229
參考文獻 230
第7章 深空探測電推進技術 232
7.1 引言 232
7.2 深空探測電推進技術發展情況 233
7.3 霍爾電推進技術 233
7.3.1 國外研究現狀 234
7.3.2 國內研究現狀 240
7.4 脈衝感應電推進技術 242
7.4.1 PIT電推進技術概述 242
7.4.2 PIT推力器機電模型 244
7.4.3 PIT推力器磁流體動力學模型 246
7.4.4 PIT中的等離子體結構演化及其對推進性能的影響 247
7.4.5 推力器結構對推進性能的影響 249
7.4.6 國內相關研究進展 252
7.5 小功率長壽命霍爾推力器 253
7.5.1 磁屏蔽霍爾推力器設計原則 253
7.5.2 磁屏蔽霍爾推力器性能驗證 256
7.5.3 推力器遠場羽流特征 259
7.5.4 加速通道壁面濺射腐蝕特性 261
7.6 大功率脈衝感應推力器 264
7.6.1 推力器工作過程數值仿真研究 264
7.6.2 推力器關鍵組部件研發與繫統集成 269
7.6.3 脈衝感應推力器性能測量技術 282
7.7 本章小結 284
參考文獻 284
第8章 行星際飛行自主導航技術 287
8.1 引言 287
8.2 不同飛行階段自主導航任務 287
8.3 導航傳感器技術 290
8.3.1 國內外小天體深空探測任務傳感器配置 290
8.3.2 典型光學導航傳感器繫統 296
8.3.3 自主導航技術國內外進展簡介 298
8.4 導航信息獲取與處理技術 300
8.4.1 導航信息 300
8.4.2 導航天體篩選 302
8.4.3 導航天體成像 308
8.4.4 導航圖像的目標檢測方法310
8.4.5 導航觀測數據提取技術311
8.5 優選導航濾波技術 313
8.5.1 傳統的卡爾曼濾波算法314
8.5.2 無跡卡爾曼濾波 315
8.5.3 無跡粒子濾波 317
8.6 姿態確定方法 317
8.7 軌道確定方法 320
8.7.1 天文測角導航 320
8.7.2 脈衝星測距導航 327
8.7.3 多普勒測速導航 328
8.8 近地小天體撞擊任務自主導航方案構想 329
8.8.1 近地小天體撞擊繫統組成 329
8.8.2 各任務飛行階段簡介 330
8.8.3 自主導航關鍵任務 333
8.9 本章小結與發展建議 338
參考文獻 339
第9章 行星際測控通信技術 346
9.1 引言 346
9.2 國內外深空網建設基本情況 347
9.2.1 美國深空網 347
9.2.2 歐洲航天局深空網 348
9.2.3 俄羅斯深空網 349
9.2.4 日本、印度深空測控通信設施 349
9.2.5 印度深空網 350
9.2.6 中國深空網 350
9.3 深空通信中的接收與發射技術 351
9.3.1 深空通信頻段選擇條件 351
9.3.2 航天器的收發器與天線 351
9.3.3 地基的大功率發射機 355
9.4 光通信技術 355
9.5 天線組陣技術 356
9.6 深空中繼通信技術 358
9.6.1 針對特定探測任務的深空中繼通信 358
9.6.2 支持太陽繫探索的深空中繼通信 360
9.7 深空中繼通信星座設計 362
9.8 本章小結 364
參考文獻 366
第10章 多功能薄膜航天器結構技術 369
10.1 引言 369
10.2 國內外太陽帆航天器發展情況 369
10.2.1 IKAROS太陽帆航天器 369
10.2.2 Nanosail-D太陽帆航天器 370
10.2.3 LightSail 2太陽帆航天器 371
10.2.4 “天帆一號”太陽帆航天器 372
10.2.5 太陽帆航天器結構技術的難點 372
10.3 太陽帆結構技術發展現狀 373
10.3.1 總體構型設計 373
10.3.2 薄膜帆面設計 373
10.3.3 太陽帆支撐結構設計375
10.3.4 結構仿真分析技術 375
10.4 太陽帆展開技術 376
10.4.1 太陽帆帆面的展開方式 379
10.4.2 薄膜的折疊與收攏方法 384
10.5 多功能薄膜結構技術 385
10.5.1 多功能薄膜航天器結構繫統設計 385
10.5.2 薄膜結構動力學建模與分析 389
10.5.3 支撐結構動力學建模與分析 401
10.6 本章小結 413
參考文獻 414
第11章 用於近地小天體防御的小衛星集群技術 416
11.1 引言 416
11.2 弱引力場下的小衛星集群伴飛技術 416
11.3 小衛星集群多點附著方案 424
11.4 本章小結 429
參考文獻 429
第12章 展望未來 430
12.1 未來可能的各種任務 430
12.2 新型航天器發展設想與展望 431
12.2.1 太陽帆航天器面臨的主要難題 431
12.2.2 其他新型航天器發展建議及主要關鍵技術 434
12.3 近地空間協同觀測體繫構想 436
12.4 深空任務中的人工智能技術 437
12.5 我們的未來 439
12.5.1 宇宙中的我們 439
12.5.2 科學裝置在宇宙學發展中的重要作用 441
12.5.3 未來的故事 443
參考文獻 446
